JP3922616B2

JP3922616B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP3922616B2
Application number: JP36065699A
Authority: JP
Inventors: 巌倉田; 清和中村; 正昭久本; 勇村岡; 富蔵竹本; 剛敏江口
Original assignee: EGUCHI HIGH FREQUENCY CO., LTD.; Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: EGUCHI HIGH FREQUENCY CO., LTD.; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2019-12-20
Also published as: JP2001176649A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高周波電源から加熱コイルに高周波電流を流すことによって被加熱物を誘導加熱する誘導加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、この種の誘導加熱装置の従来例を示す回路構成図である。
【０００３】
図４において、１は商用電源などの三相の交流電源、２は交流電源１の電圧を検出するＰＴ、３は交流電源１の電流を検出するＣＴ、４は図示の如くダイオードをブリッジ接続したダイオード整流回路と平滑コンデンサとからなる整流回路、５は図示の如くＩＧＢＴとダイドードの逆並列回路をブリッジ接続した電圧形インバータ回路、６は電圧形インバータ回路５の出力電流を検出するＣＴ、７は図示の如く一次側にタップ付きの整合トランス、８は共振用コンデンサ、９は加熱コイル、３０は被加熱物、２１はＰＴ２，ＣＴ３それぞれの検出値に基づく演算により交流電源１から流入する電力を求める電力演算器、２２は電圧形インバータ回路５が出力する電力を設定する出力設定器、２３は電力設定器２２の設定値と電力演算器２１の演算値との偏差が零になるようにする際に、内部で演算される電圧形インバータ回路５の出力電圧の位相に対して、ＣＴ６で検出された電圧形インバータ回路５の出力電流の位相が常に遅れ位相（γ）になるように電圧形インバータ回路５を運転制御するインバータ制御回路である。
【０００４】
図４に示した従来の誘導加熱装置において、電圧形インバータ回路５の出力電圧をＶｏ、電圧形インバータ回路５の出力電流をＩｏとすると、電圧形インバータ回路の出力電力Ｐｏは式（１）で表される。
【０００５】
（数１）
Ｐｏ＝０．９Ｖｏ・Ｉｏ・ｃｏｓγ …（１）
ここで、上記式（１）および先述のγは、０＜γ＜π／２の範囲にある。すなわち、式（１）において、前記Ｖｏは整流回路４の出力電圧とほぼ等しい一定値であるので、前記Ｐｏは、前記Ｉｏが大きく、γが小さい程大きくなる。
【０００６】
また、前記Ｐｏは、整流回路４及び電圧形インバータ回路５の変換効率が高いこと（９５％程度）から、交流電源１から整流回路４への入力電力Ｐｉに対しては式（２）であらわされる。
【０００７】
（数２）
Ｐｉ≒０．９Ｖｏ・Ｉｏ・ｃｏｓγ …（２）
さらに、電圧形インバータ回路５が出力する周波数ｆとし、共振用コンデンサ８と加熱コイル９からなる直列共振回路の共振周波数をｆｏとすると、下記式（３）の関係がある。
【０００８】
（数３）
ｆ／ｆｏ＝ｔａｎγ／２Ｑ＋｛（ｔａｎγ／２Ｑ）²＋１｝^1/2 …（３）
ここで、Ｑは前記直列共振回路及び被加熱物３０のクォリティファクタであり、このＱを一定とすると、前記ｆは、前記γ角が大きい程高くなる。
【０００９】
すなわち、前記ｆｏに対する前記直列共振回路への電圧形インバータ回路５からの流入電流の関係は図５に示す特性になる。図５に示す如く、前記式（１）で述べたγの範囲により、この誘導加熱装置の動作点（前記ｆ）は前記ｆｏより高い領域（電流遅れ領域）にしか存在しない。このとき、前記ｆが高くなる程前記流入電流が減少する。従って、この誘導加熱装置において、インバータ制御装置２３ではＣＴ６の検出値及び電力演算器２１の演算値から出力設定器２２の設定値に見合ったγ角を求め、このγ角に基づいて電圧形インバータ回路５を形成するそれぞれのＩＧＢＴをオン，オフさせ、このオン，オフによる周波数（ｆ）で得られる高周波の電力を加熱コイル９に供給する制御動作を行っている。
【００１０】
図６は、この種の誘導加熱装置における動作領域を定格出力電流、定格出力電力及び〔定格出力電力／定格出力電流〕を基に表した特性図である。
【００１１】
すなわち図６に示す如く、この誘導加熱装置における動作点は太実線で囲まれた領域内にあり、定格出力電力を被加熱物３０に供給できる動作領域は領域 (2)に限られ、領域（ 3 ）では電圧形インバータ回路５から見た被加熱物３０のインピーダンスが適正値より低いため、定格出力電力値に達する前に定格出力電流値に達してしまい、被加熱物３０へ供給できる電力が定格電力以下となり、また、領域（ 1 ）では、電圧形インバータ回路５から見た被加熱物３０のインピーダンスが適正値より高いため、定格出力電力値に達する前に前記γ角が許容最小値になり、被加熱物３０へ供給できる電力が定格電力以下となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示した従来の誘導加熱装置において、その動作点が常に図６に示した領域（ 2 ）にあれば、この誘導加熱装置を有効に利用していることになるが、被加熱物３０や加熱コイル９の条件によっては動作点が領域（ 1 ）や領域（ 3 ）に入ってしまうことがある（この状態をマッチング不良状態と呼ぶ）。マッチング不良状態になったときには、なんらかの方法で電圧形インバータ回路５から見た被加熱物３０側のインピーダンスを適正になるように修正（これをマッチング調節と呼ぶ）する必要がある。従来は以下に記す方法によりマッチング調節を行っていた。
１）．共振用コンデンサ８の容量を増減して、電圧形インバータ回路５から見た被加熱物３０側のインピーダンスを変化させる。
２）．整合トランス７のタップ位置を変更して、電圧形インバータ回路５から見た被加熱物３０側のインピーダンスを変化させる。
【００１３】
しかしながら、上述のマッチング調節方法では共振用コンデンサ８や整合トランス７のタップ数が有限であるために、前記インピーダンスの変化が段階的になり、正確なマッチング調節が行えないという問題があり、また、共振用コンデンサ８の容量変更や整合トランス７のタップ変更のためには、この誘導加熱装置を一旦停止する必要があり、生産性を低下させる要因となっていた。
【００１４】
この発明の目的は上記問題点を解決する誘導加熱装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この第１の発明は、高周波電源から加熱コイルに高周波電流を流すことによって被加熱物を誘導加熱する誘導加熱装置において、
前記高周波電源の主回路を形成する整流回路及び電圧形インバータ回路と、
共振用コンデンサ及び前記加熱コイルと可変インダクタンスコイルの並列回路からなる直列共振回路と、
前記高周波電源から前記直列共振回路に任意の周波数の高周波電力を供給する際に、前記電圧形インバータ回路の出力電圧に対して出力電流が常に遅れ位相になるように該インバータ回路を運転制御するインバータ制御装置と、
前記電圧形インバータ回路の出力または入力電流と出力または入力電力とから前記直列共振回路の動作点を判別し、この動作点が被加熱物に定格出力電力を供給可能な動作領域の動作点から外れている場合には、この定格出力電力を供給可能な動作領域の動作点となるように前記可変インダクタンスコイルのインダクタンスを調整するインダクタンス調整装置とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
第２の発明は前記第１の発明の誘導加熱装置において、前記インダクタンス調整装置は、前記整流回路の入力電力を前記電圧形インバータ回路の出力電流で除算演算した値に基づいて直列共振回路の動作点を判別することを特徴とする。
【００１７】
第３の発明は前記第１の発明の誘導加熱装置において、前記インダクタンス調整装置は、前記電圧形インバータ回路の出力電力を出力電流で除算演算した値に基づいて直列共振回路の動作点を判別することを特徴とする。
【００１８】
第４の発明は前記第１の発明の誘導加熱装置において、前記インダクタンス調整装置は、前記電圧形インバータ回路の入力電力を出力電流で除算演算した値に基づいて直列共振回路の動作点を判別することを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、加熱コイルに並列接続した可変インダクタンスコイルにより、この誘導加熱装置の動作点が図６に示した領域（ 3 ）にあれば、運転中のままで、動作点を判別するインダクタンス調整装置を介して可変インダクタンスコイルのインダクタンスをより小さくし、直列共振回路の共振周波数を高くし、電圧形インバータ回路から見たインピーダンスを高くして、前記動作点が領域（ 2 ）に入るようにする。また、誘導加熱装置の動作点が図６に示した領域（ 1 ）にあれば、運転中のままで、動作点を判別するインダクタンス調整装置を介して可変インダクタンスコイルのインダクタンスをより大きくし、直列共振回路の共振周波数を低くし、電圧形インバータ回路から見たインピーダンスを低くして、前記動作点が領域（ 2 ）に入るようにする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施例を示す誘導加熱装置の回路構成図であり、図４に示した従来例回路と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。
【００２１】
すなわち、図４に示した回路構成と異なる点は、タップを有する整合トランス７に代えて単なる整合トランス１０と、コイル部１１とフェライトコアなどの磁芯部１２とからなる可変インダクタンスコイルと、後述の動作点判別装置２４と、動作点判別装置２４からの指令に基づき磁芯部１２の位置を図１の紙面の上下方向に移動させるアクチュエータ２５とが付加されている。
【００２２】
この動作点判別装置２４では、図６に示した特性図から領域（ 2 ）に存在し得るための各出力電流に対する〔出力電力／出力電流〕値の範囲を予め設定し、記憶して置き、ＣＴ６の検出値と、電力演算器２１で得られる値をＣＴ６の検出値で除算演算して得られる値とを前記記録値に照らし合わせ、この誘導加熱装置の動作点の領域を判定する。
【００２３】
例えば、この誘導加熱装置の動作点が図６に示した領域（ 3 ）にあると判定されたときには、アクチュエータ２５により磁芯部１２をコイル部１１から抜き出す方向に移動させることで前記可変インダクタンスコイルのインダクタンス値をより小さくし、共振用コンデンサ８と前記可変インダクタンスコイルと加熱コイルとの直列共振回路の共振周波数をより高くし、電圧形インバータ回路５から見たインピーダンスをより高くして、動作点判別装置２４での判別が領域（ 2 ）に入るまで磁芯部１２を移動させる。また、この誘導加熱装置の動作点が図６に示した領域（ 1 ）にあると判定されたときには、アクチュエータ２５により磁芯部１２をコイル部１１にさらに挿入する方向に移動させることで前記可変インダクタンスコイルのインダクタンス値をより大きくし、共振用コンデンサ８と前記可変インダクタンスコイルと加熱コイルとの直列共振回路の共振周波数をより低くし、電圧形インバータ回路５から見たインピーダンスをより低くして、動作点判別装置２４での判別が領域（ 2 ）に入るまで磁芯部１２を移動させる。
【００２４】
図２は、この発明の第２の実施例を示す誘導加熱装置の回路構成図であり、図１に示した第１の実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。
【００２５】
すなわち、図１に示した回路構成と異なる点は、電力演算器２１に代えて電力算器２６を備え、この電力演算器２６では電圧形インバータ回路５の出力電圧を検出するＰＴ１３の検出値とＣＴ６の検出値とから出力電力を求め、インバータ制御回路２３及び動作点判別装置２４は電力演算器２６の出力を取り込むようにしている。
【００２６】
図３は、この発明の第３の実施例を示す誘導加熱装置の回路構成図であり、図１に示した第１の実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。
【００２７】
すなわち、図１に示した回路構成と異なる点は、電力演算器２１に代えて電力演算器２７を備え、この電力演算器２７では整流回路４の出力電圧を検出する直流電圧検出器１４の検出値と、整流回路４の出力電流を検出する直流電流検出器１５の検出値とから出力電力を求め、インバータ制御回路２３及び動作点判別装置２４は電力演算器２７の出力を取り込むようにしている。
【００２８】
なお、図１〜図３に示した実施例回路では、前記可変インダクタンスをコイル部１１と磁芯部１２とからなる構成を示したが、他の方法により、可変インダクタンスコイルを形成してもよい。
【００２９】
【発明の効果】
この発明によれば、誘導加熱装置を停止させることなく、マッチング調節を連続的に、且つ、短時間で行うことができ、誘導加熱装置の生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例を示す誘導加熱装置の回路構成図
【図２】この発明の第２の実施例を示す誘導加熱装置の回路構成図
【図３】この発明の第３の実施例を示す誘導加熱装置の回路構成図
【図４】従来例を示す誘導加熱装置の回路構成図
【図５】この種の誘導加熱装置の動作説明図
【図６】この種の誘導加熱装置の特性図
【符号の説明】
１…交流電源、２…ＰＴ、３…ＣＴ、４…整流回路、５…電圧形インバータ回路、６…ＣＴ、７…整合トランス、８…共振用コンデンサ、９…加熱コイル、１０…整合トランス、１１…コイル部、１２…磁芯部、１３…ＰＴ、１４…直流電圧検出器、１５…直流電流検出器、２１…電力演算器、２２…出力設定器、２３…インバータ制御装置、２４…動作点判別装置、２５…アクチュエータ、２６，２７…電力演算器、３０…被加熱物。

Claims

高周波電源から加熱コイルに高周波電流を流すことによって被加熱物を誘導加熱する誘導加熱装置において、
前記高周波電源の主回路を形成する整流回路及び電圧形インバータ回路と、
共振用コンデンサ及び前記加熱コイルと可変インダクタンスコイルの並列回路からなる直列共振回路と、
前記高周波電源から前記直列共振回路に任意の周波数の高周波電力を供給する際に、前記電圧形インバータ回路の出力電圧に対して出力電流が常に遅れ位相になるように該インバータ回路を運転制御するインバータ制御装置と、
前記電圧形インバータ回路の出力または入力電流と出力または入力電力とから前記直列共振回路の動作点を判別し、この動作点が定格出力電力を供給可能な動作領域の動作点から外れている場合には、この定格出力電力を供給可能な動作領域の動作点となるように前記可変インダクタンスコイルのインダクタンスを調整するインダクタンス調整装置とを備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
請求項１に記載の誘導加熱装置において、
前記インダクタンス調整装置は、前記整流回路の入力電力を前記電圧形インバータ回路の出力電流で除算演算した値に基づいて直列共振回路の動作点を判別することを特徴とする誘導加熱装置。
請求項１に記載の誘導加熱装置において、
前記インダクタンス調整装置は、前記電圧形インバータ回路の出力電力を出力電流で除算演算した値に基づいて直列共振回路の動作点を判別することを特徴とする誘導加熱装置。
請求項１に記載の誘導加熱装置において、
前記インダクタンス調整装置は、前記電圧形インバータ回路の入力電力を出力電流で除算演算した値に基づいて直列共振回路の動作点を判別することを特徴とする誘導加熱装置。