JP2018538778A5

JP2018538778A5 -

Info

Publication number: JP2018538778A5
Application number: JP2018532420A
Authority: JP
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2036-12-22

Description

本発明の一側面は、高周波電源システムであり、溶接又はアニール工程においてワークピース負荷を加熱するための微調整された出力を有する。高周波電源システムは、単相インバーター出力配線と、複数のブリッジスイッチング装置を有するフルブリッジ又はハーフブリッジインバーターを有する。インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網は、単相インバーター出力配線に接続された制御網入力と制御網出力を有する。システムマイクロプロセッサーコントローラーは、ワークピース負荷のインピーダンスとは独立し得る、フルブリッジ又はハーフブリッジインバーターからワークピース負荷への単相出力の電力伝送と、フルブリッジ又はハーフブリッジインバーターからワークピース負荷への単相出力の可変出力周波数を制御するため、インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網における複数のブリッジスイッチング装置と１つ又は複数の調整可能なインピーダンス素子に対する制御インターフェースを有する。

図６及び図７に示した本発明の実施形態においては、インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網２３は、
図にて配置及び相互接続されるように、直列可変リアクトル２４及び２４’の第１ペアと、直列可変リアクトル２４ａ及び２４ａ’の第２ペアと、直列可変コンデンサ２６及び２６’の第１ペアと、直列可変コンデンサ２６ａ及び２６ａ’の第２ペアの組み合わせと、
図にて配置及び相互接続されるように、単相インバーター出力配線の間に並列に配置及び接続される並列可変リアクトル２５及び２５’のペアと、並列可変コンデンサ２７ａ−２７ａ’のペアの組み合わせと、
図に示すように、単相インバーター出力配線の間に並列に配置及び接続される並列可変コンデンサ２７を備える。

本発明の幾つかの例においては、負荷特性独立オペレーションの代替として、図６又は図７において負荷インピーダンスが変化し、反射のリアクタンスと抵抗の変化に帰結し、インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網２３は、負荷インピーダンスの変化を補償して所望の共振点を維持する。

例えば、本発明の１つの実施形態では、図１１（ａ）と図１１（ｂ）に可変リアクトルペア６０が示され、図１１（ａ）と図１１（ｂ）の両側矢印に示されるように、単一の短絡幾何学的な形状インサートコア部６２が、定置の分割バス部６４の相補的な幾何学的な形状の分割バス円錐部６４ａ及び６４ｂの内外に動かされる。インサートコア部６２の誘導電流の振幅が、定置の分割バス部６４の相補的な幾何学的な形状の分割バス円錐部６４ａ及び６４ｂに流れる交流電流から可変磁束場（可変エネルギー場とも呼ばれる）を確立し、幾何学的な形状のインサートコア部６２が相補的な幾何学的な形状の分割円錐バス部６４ａ及び６４ｂに完全に挿入された時の最小インダクタンス値から、インサートコア部６２と定置の分割バス部６４の間で形状付けられた挿入空間における可変エネルギー場が最大値である、例えば、図１１（ａ）に示す位置に幾何学的な形状のインサートコア部６２が引き出される時の最大インダクタンス値までの可変インダクタンス範囲を有し得るリアクトルのペアそれぞれについて交流電流バスの分割電気バス端子部Ａ１−Ｂ１及びＡ２−Ｂ２で可変インダクタンスを確立する。図１１（ｃ）は、可変リアクトルペア２４ａ−２４ａ’として、図６又は図７の高周波電源システムで接続された可変リアクトルペア６０を示す。定置の分割バス部６４は、電気的に絶縁された分割円錐バス部６４ａ及び６４ｂと、（円錐バス部６４ａに関連の）分割電気バス端子部Ａ２及びＢ２と、（円錐バス部６４ｂに関連の）分割電気バス端子部Ａ１及びＢ１を備える。つまり、電気的に相互接続された円錐バス部６４ａと分割電気バス端子部Ａ２及びＢ２が、電気的に相互接続されたバス部６４ｂと端子部Ａ１及びＢ１から空間的に分離される。

図１３は、本発明の高周波電源システムで用いられることができる本発明の高周波可変リアクトル９０の別例を示す。高周波可変リアクトル９０は、２つの三角形と３つの台形面から規定される多面体の幾何形状の単一の短絡インサートコア部９２を備え、本明細書ではくさび形部の一般名により特定され、図１３の両側矢印により示されるように、定置の分割バス部９４の定置の相補的な幾何学的な形状の分割くさび形バス部９４ａ及び９４ｂの内外に動かされる。インサートコア部９２における誘導電流の振幅は、定置の分割バス部９４の相補的な幾何学的な形状の分割くさび形バス部９４ａ及び９４ｂに流れる交流電流から可変磁束場（可変エネルギー場とも呼ばれる）を確立し、幾何学的な形状のインサートコア部９２が相補的な幾何学的な形状の分割円錐バス部９４ａ及び９４ｂに完全に挿入された時の最小インダクタンス値から、インサートコア部９２と定置の分割バス部９４の間で形状付けられた挿入空間における可変エネルギー場が最大値である位置に幾何学的な形状のインサートコア部９２が引き出される時の最大インダクタンス値までの可変インダクタンス範囲を有し得るリアクトルのペアそれぞれについて交流電流バスの分割電気バス端子部Ａ１−Ｂ１及びＡ２−Ｂ２で可変インダクタンスを確立する。可変リアクトルペア９０は、可変リアクトルペア２４−２４’、２４ａ−２４ａ’及び／又は２５−２５’として、図６又は図７の高周波電源システムにおいて接続される。定置の分割バス部９４は、電気的に絶縁された分割くさび形バス部９４ａ及び９４ｂと、（くさび形バス部９４ａに関連の）分割電気バス端子部Ａ２及びＢ２と、（くさび形バス部９４ｂに関連の）分割電気端子部Ａ１及びＢ１を備える。つまり、電気的に接続されたバス部９４ａと端子部Ａ２及びＢ２は、電気的に接続されたバス部９４ｂと端子部Ａ１及びＢ１から空間的に分離される。

図１４は、本発明の高周波電源システムで用いられることができる高周波可変リアクトル１１０の別例を示す。高周波可変リアクトル１１０は、図１４の両側矢印により示されるように定置の分割バス部１１４の定置の相補的な幾何学的な形状の分割楕円放物面バス部１１４ａ及び１１４ｂの内外に可動である楕円放物面の幾何形状の単一の短絡インサートコア部１１２を備え、インサートコア部１１２における誘導電流の振幅は、定置の分割バス部１１４の相補的な幾何学的な形状の分割円錐型バス部１１４ａ及び１１４ｂに流れる交流電流から可変磁束場（可変エネルギー場とも呼ばれる）を確立し、幾何学的な形状のインサートコア部１１２が相補的な幾何学的な形状の分割円錐型バス部１１４ａ及び１１４ｂに完全に挿入された時の最小インダクタンス値から、インサートコア部１１２と定置の分割バス部１１４の間で形状付けられた挿入空間における可変エネルギー場が最大値である位置に幾何学的な形状のインサートコア部１１２が引き出される時の最大インダクタンス値までの可変インダクタンス範囲を有し得るリアクトルのペアそれぞれについて交流電流バスの分割電気バス部端子部Ａ１−Ｂ１及びＡ２−Ｂ２で可変インダクタンスを確立する。可変リアクトルペア１１０は、可変リアクトルペア２４−２４’、２４ａ−２４ａ’及び／又は２５−２５’として、図６又は図７の高周波電源システムにおいて接続される。定置の分割バス部１１４は、電気的に絶縁された分割円錐型バス部１１４ａ及び１１４ｂと、（楕円放物面バス部１１４ａに関連の）分割電気バス端子部Ａ２及びＢ２と、（楕円放物面バス部１１４ｂに関連の）分割電気バス端子部Ａ１及びＢ１を備える。つまり、電気的に接続されたバス部１１４ａと端子部Ａ２及びＢ２は、電気的に接続されたバス部１１４ｂと端子部Ａ１及びＢ１から空間的に分離される。

図１５（ａ）乃至図１５（ｄ）は、本発明の高周波電源システムと使用可能である本発明の高周波可変リアクトル７０の一実施形態を示す。高周波可変リアクトル７０は、２巻き可変インダクターペア７０を備え、幾何形状が、円錐部であり、ペアの各可変リアクトル、例えば、図６又は図７におけるリアクトル２４ａ及び２４ａ’が、それぞれ、その独自の円錐形状のインサートコア部７２ａ及び７２ｂと、その独自の円錐形状の２巻き分割バス部７４ａ及び７４ｂを有する。第１の定置の分割バス部は、電気的に絶縁された２巻き分割バス部７４ａと（２巻き分割バス部７４ａに接続された）分割電気端子部Ａ１及びＢ１を備え、第２の定置の分割バス部は、電気的に絶縁された２巻き分割バス部７４ｂと（２巻き分割バス部７４ｂに接続された）分割電気バス端子部Ａ２及びＢ２を備える。つまり、電気的に接続された２巻きバス部７４ａと端子部Ａ１及びＢ１は、電気的に接続された２巻きバス部７４ｂと端子部Ａ２及びＢ２から空間的に分離される。

図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、本発明の高周波電源システムと使用可能である本発明の高周波可変リアクトル１２０の別例を示す。分割電気バス端子部Ａ１及びＡ２が一緒に電気的にバス端子Ａ１’に接続され、Ｂ１及びＢ２がバス端子Ｂ１’に一緒に電気的に接続され、可変リアクトルのペアが単一のリアクトル１２０を形成することを除いて、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示された実施形態は、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示されたものと同様である。この実施形態では、インダクターペアは、図１６（ｃ）に示されるように、バス端子Ａ１’及びＢ１’の間の単一のインダクター１２０として構成され、これは、本発明の幾つかの実施形態では、可変直列リアクトルペア２４ａ及び２４ａ’を単一の可変リアクトル１２０で置換する。同様、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示されたようにリアクトルペアを修正することにより、図６又は図７における他のリアクトルペアが、単一のリアクトルで置換され得る。

本発明の高周波可変リアクトルの幾何学的な形状のペアそれぞれについて可動インサートコア部は、適切なアクチュエーター、例えば、リアクトルペア２４ａ−２４ａ’及び２５−２５’について個別に図８（ａ）に示されたモーターＭ２及びＭ３で定置の幾何学的な形状の分割バス部の内外に移動可能であり、モーターは、例えば、図において可動なインサートコア部とアクチュエーターＭ’を接続する、例えば、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に図示の鎖線で模式的に示されるように、インサートコア部へのリニア、反転可能な出力接続を有する。

特定用途における最小インダクタンスを達成するための可動なインサートコアの完全な挿入は、インサートコアが、幾何学的な形状の分割バス部内の場所に位置付けられる時にインダクタンスを測定し、次に、インサートコアの最大インダクタンス位置を設定するために、用途における最大要求インダクタンスが達成される位置にインサートコアを引き出すことにより決定可能である。

Claims

溶接工程又はアニール工程においてワークピース負荷を加熱するための微調整された出力を有する高周波電源システムであって、
複数のブリッジスイッチング装置と単相インバーター出力配線を有するフルブリッジインバーター又はハーフブリッジインバーターと、
前記単相インバーター出力配線に接続された制御網入力と、ワークピース負荷に接続された制御網出力を有するインバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網と、
前記複数のブリッジスイッチング装置への１つ又は複数のインバーター制御出力と、前記ワークピース負荷のワークピースインピーダンスとは独立した、前記単相インバーター出力配線から前記ワークピース負荷への調整可能な電力伝送と前記単相インバーター出力配線から前記ワークピース負荷への可変の出力周波数のための前記インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網における１つ又は複数の可変インピーダンス素子への１つ又は複数の制御網出力を有するシステムマイクロプロセッサーコントローラーを備える、高周波電源システム。
前記１つ又は複数の可変インピーダンス素子は、
前記単相インバーター出力配線に直列に配置及び接続された、直列可変リアクトルの第１ペア、直列可変リアクトルの第２ペア、直列可変コンデンサの第１ペア、及び直列可変コンデンサの第２ペアの組み合わせ；
前記単相インバーター出力配線の間に並列に配置及び接続された、並列可変リアクトルのペア、及び並列可変コンデンサのペアの組み合わせ；及び
前記単相インバーター出力配線の間に配置及び並列接続された並列可変リアクトルを備える、請求項１に記載の高周波電源システム。
前記システムマイクロプロセッサーコントローラーは、前記１つ又は複数の制御網出力から前記１つ又は複数の可変インピーダンス素子への調整可能なインピーダンス制御に組み合わせて、前記１つ又は複数のインバーター制御出力から前記複数のブリッジスイッチング装置のハードスイッチング制御を提供する、請求項１又は２に記載の高周波電源システム。
前記システムマイクロプロセッサーコントローラーは、前記１つ又は複数の制御網出力から前記１つ又は複数の可変インピーダンス素子への調整可能なインピーダンス制御に組み合わせて、前記１つ又は複数のインバーター制御出力から前記複数のブリッジスイッチング装置のパルス幅変調可変スイッチング制御を提供する、請求項１又は２に記載の高周波電源システム。
前記システムマイクロプロセッサーコントローラーは、閉ループ制御を提供し、前記システムマイクロプロセッサーコントローラーに入力したユーザー選択出力周波数に高周波電源システム共振点を移動させ、
代替として、前記システムマイクロプロセッサーコントローラーは、ユーザー選択出力周波数に応答して、マイクロプロセッサー閉ループ出力の調整で、前記ワークピース負荷への電力伝送の最大出力、又は、前記高周波電源システムが共振点外に移動するため電力伝送の最大出力未満に維持する、請求項１又は２に記載の高周波電源システム。
前記システムマイクロプロセッサーコントローラーは、開ループ出力制御を提供し、前記高周波電源システム共振点が前記ワークピース負荷のワークピースインピーダンスと変化し、代替的に、マイクロプロセッサー出力を調整し、電力伝送の最大出力を維持し、又は、前記高周波電源システムが共振点外に移動するため電力伝送の最大出力未満を維持する、請求項１又は２に記載の高周波電源システム。
前記１つ又は複数の可変インピーダンス素子が少なくとも１つの可変リアクトルのペアを備え、前記少なくとも１つの可変リアクトルのペアが、
幾何学的な形状の可動なインサートコア；
定置の分割バスにして、
前記幾何学的な形状の可動なインサートコアに対して幾何学的に相補的な形状を有する幾何学的な形状の分割バス部にして、前記幾何学的な形状の分割バス部内への前記幾何学的な形状の可動なインサートコアの挿入の調整可能な位置を提供し、前記幾何学的な形状の可動なインサートコアが完全に前記幾何学的な形状の分割バス部に挿入される時の最小インダクタンス値から前記幾何学的な形状の可動なインサートコアと前記幾何学的な形状の分割バス部の間で形状付けられた挿入空間における可変エネルギー場が最大値になる位置に前記幾何学的な形状の分割バス部から引き出される時の最大インダクタンス値にリアクトルの幾何学的な形状のペアのインダクタンスを変更する、幾何学的な形状の分割バス部と、前記インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網における前記リアクトルの幾何学的な形状のペアの電気接続のための分割電気バス端子部を備える、定置の分割バス；及び
前記幾何学的な形状の分割バス部の内外への前記幾何学的な形状の可動なインサートコアの挿入及び引き出しのために前記幾何学的な形状の可動なインサートコアに接続されたアクチュエーターを備える、請求項１に記載の高周波電源システム。
前記幾何学的な形状の可動なインサートコアが、短絡した（short-circuited）導電性材料から形成される、請求項７に記載の高周波電源システム。
代替として、前記短絡した導電性材料が、銅シート又は固体銅インサートコアを備える、請求項８に記載の高周波電源システム。
代替として、前記幾何学的な形状の可動なインサートコアが、中実又は中空磁性材料から形成される、請求項７に記載の高周波電源システム。
前記中実又は中空磁性材料がフェライト又は複数のフェライトを含む、請求項１０に記載の高周波電源システム。
前記幾何学的な形状の可動なインサートコア及び前記幾何学的な形状の分割バス部が、円錐部、くさび形部、及び放物線状円錐部の群から選択される、請求項７に記載の高周波電源システム。
前記少なくとも１つの可変リアクトルのペアの少なくとも１つのリアクトルに直列に組み合わされる少なくとも１つの固定インダクターを更に備える、請求項７に記載の高周波電源システム。
前記少なくとも１つの可変リアクトルのペアの前記分割電気バス端子部が一緒に接続されて電気的に単一の可変リアクトルを形成する、請求項７乃至１３のいずれか一項に記載の高周波電源システム。
前記直列可変コンデンサの第１ペア、前記直列可変コンデンサの第２ペア、及び前記並列可変コンデンサのペアの少なくとも１つが、可変コンデンサのペアそれぞれの調整可能な層間プレート素子を備える、請求項２に記載の高周波電源システム。
統合された単一のユーザー入力制御装置を有し、電力と周波数の表示と熱影響ゾーンサイズと一緒に、前記高周波電源システムからの電力振幅出力と周波数出力を制御するヒト・機械・インターフェース制御パネルを更に備える、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の高周波電源システム。
ワークピース負荷のワークピースインピーダンスとは独立して複数のスイッチング装置を有するフルブリッジインバーター又はハーフブリッジインバーターからインバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網を介して溶接工程又はアニール工程において高周波電源システムから前記ワークピース負荷へ高度に調整された電力及び周波数を制御する方法であって、
前記インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網において少なくとも１つの幾何学的な形状の可変リアクトルのペア及び少なくとも１つの可変コンデンサのペアを提供すること；
前記複数のスイッチング装置をスイッチング制御すること；及び
前記インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網から前記ワークピース負荷への可変インピーダンスを制御することを含む、方法。
前記複数のスイッチング装置をスイッチング制御することが、前記複数のスイッチング装置のハードスイッチング制御を含み、
前記インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網から前記ワークピース負荷への可変インピーダンスを制御することが、前記ワークピース負荷のワークピースインピーダンスとは独立して前記少なくとも１つの幾何学的な形状の可変リアクトルのペア及び少なくとも１つの可変コンデンサのペアのインピーダンスを調整することを含む、請求項１７に記載の方法。
前記複数のスイッチング装置をスイッチング制御することが、前記複数のスイッチング装置のパルス幅変調可変スイッチング制御を含み、
前記インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網から前記ワークピース負荷への可変インピーダンスを制御することが、前記ワークピース負荷のワークピースインピーダンスとは独立して前記少なくとも１つの幾何学的な形状の可変リアクトルのペア及び少なくとも１つの可変コンデンサのペアのインピーダンスを調整することを含む、請求項１７に記載の方法。
溶接工程又はアニール工程においてワークピース負荷を加熱するための微調整された出力を有する高周波電源システムであって、
複数のブリッジスイッチング装置と単相インバーター出力配線を有するフルブリッジインバーター又はハーフブリッジインバーターと、
前記単相インバーター出力配線に接続された制御網入力と、前記ワークピース負荷に接続された制御網出力を有するインバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網にして、
前記インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網が、複数の可変インピーダンス素子を有し、ここで、前記複数の可変インピーダンス素子の少なくとも一つのペアが、可変リアクトルのペアを含み、前記可変リアクトルのペアが、幾何学的な形状の可動なインサートコアと定置の分割バスを含み、前記定置の分割バスは、
前記幾何学的な形状の可動なインサートコアに対して幾何学的に相補的な形状を有する幾何学的な形状の分割バス部にして、前記幾何学的な形状の分割バス部内への前記幾何学的な形状の可動なインサートコアの挿入の調整可能な位置を提供し、前記幾何学的な形状の可動なインサートコアが完全に前記幾何学的な形状の分割バス部に挿入される時の最小インダクタンス値から前記幾何学的な形状の可動なインサートコアと前記幾何学的な形状の分割バス部の間で形状付けられた挿入空間における可変エネルギー場が最大値になる位置に前記幾何学的な形状の分割バス部から引き出される時の最大インダクタンス値にリアクトルの幾何学的な形状のペアのインダクタンスを変更する、幾何学的な形状の分割バス部と、
前記インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網における前記リアクトルの幾何学的な形状のペアの電気接続のための分割電気バス端子部を備える、インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網と、
前記幾何学的な形状の分割バス部の内外への前記幾何学的な形状の可動なインサートコアの挿入及び引き出しのために前記幾何学的な形状の可動なインサートコアに接続されたアクチュエーターと、
前記複数のブリッジスイッチング装置への１つ又は複数のインバーター制御出力と、前記ワークピース負荷のワークピースインピーダンスとは独立した、前記単相インバーター出力配線から前記ワークピース負荷への調整可能な電力伝送と前記単相インバーター出力配線から前記ワークピース負荷への可変の出力周波数のための前記インバーター出力インピーダンス調整及び周波数制御網における前記複数の可変インピーダンス素子への１つ又は複数の制御網出力を有するシステムマイクロプロセッサーコントローラーを備える、高周波電源システム。