JP4164428B2

JP4164428B2 - 誘導加熱用並列インバータの給電方法および誘導加熱用並列型インバータ装置

Info

Publication number: JP4164428B2
Application number: JP2003344792A
Authority: JP
Inventors: 直喜内田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: JP2005116191A

Description

本発明は、並列型インバータに係り、特に出力側に並列接続された複数のタンク回路を並行運転するのに好適な誘導加熱用並列インバータの給電方法および誘導加熱用並列型インバータ装置に関する。

誘導加熱装置の電源装置として並列型インバータを使用することがある。誘導加熱用の並列型インバータ装置は、被加熱物を加熱する誘導子（加熱コイル）を負荷とし、この誘導子と力率補償用コンデンサ（転流コンデンサを兼ねる）とを並列接続したタンク回路が並列型インバータの出力側に接続される。そして、並列型インバータは、タンク回路の共振周波数に同調した周波数によって運転し、交流電力をタンク回路に供給する。また、誘導加熱用並列型インバータ装置は、複数の誘導子、すなわち複数のタンク回路を並列型インバータに並列に接続し、各タンク回路に同時に交流電力を供給して生産効率の向上を図ることが行なわれることがある。

そして、特許文献１には、図４に示したような誘導加熱用の並列型インバータ装置が記載されている。この並列型インバータ装置は、並列型インバータ１０の出力側に一対のタンク回路１２、１４が並列に接続してある。各タンク回路１２、１４は、負荷としての誘導子（加熱コイル）Ｌ₁、Ｌ₂と、力率補償用のコンデンサＣ₁、Ｃ₂とが並列に接続してある。力率補償用コンデンサＣ₁、Ｃ₂は、並列型インバータ１０の転流コンデンサの役割を兼ねている。そして、並列型インバータ１０と各タンク回路１２、１４との間には、インダクタンスＬ_S1、Ｌ_S2が設けてある。なお、図４に示した符号Ｔは、マッチングトランスである。また、タンク回路１２の誘導子Ｌ₁、Ｌ₂に直列接続されている抵抗Ｒ₁、Ｒ₂は、誘導子Ｌ₁、Ｌ₂の内部抵抗である。

このようになっている並列型インバータ装置において、並列型インバータ１０とタンク回路１２、１４との間に接続したインダクタンスＬ_S1、Ｌ_S2は、定数がそれぞれ対応するタンク回路１２、１４により形成される直列共振回路の直列インピーダンスを、並列型インバータ１０の出力電流の高調波成分に対して誘導性となるように設定する。これにより、並列型インバータ装置は、各タンク回路１２、１４を並行運転した場合であっても、高調波成分による並列共振の発生を防止でき、並列型インバータ１０の転流失敗を防止できる。

特開平７−１６１４５８号公報

ところが、上記のように並列型インバータ１０に複数のタンク回路１２、１４を並列に接続して各タンク回路１２、１４を並行運転した場合、各タンク回路１２、１４のインピーダンスが変化して固有共振周波数が変動すると、図４の２点鎖線に示したように、各タンク回路１２、１４間に電流（いわゆる循環電流）ｉ_CRが流れる。この循環電流ｉ_CRは、誘導子（加熱コイル）Ｌ₁、Ｌ₂内に配置した図示しない被加熱物の変化（被加熱物の有無、被加熱物の材質、被加熱物の温度など）によっても生ずる。そして、タンク回路１２、１４間に循環電流ｉ_CRが流れると、マッチングトランスＴに過電流が流れ、マッチングトランスＴが損傷する。また、循環電流ｉ_CRの発生を考慮した場合、マッチングトランスＴや線路などの容量を必要以上に大きくしなければならず、インバータ装置が高コスト化する。

また、各タンク回路１２、１４間に循環電流ｉ_CRが流れることにより、タンク回路１２、１４と並列型インバータ１０との間に接続したインダクタンス（直流リアクトル）Ｌ_S1、Ｌ_S2による電圧降下を生じ、タンク回路１２、１４の電圧を変動させる。すなわち、タンク回路１４側からタンク回路１２側に電流ｉ_CRが流れる場合、インダクタンスＬ_S1においては、電流の周波数をωとすると、

の電圧降下を生じ、タンク回路１２の電圧が上昇する。同様にインダクタンスＬ_S2においては、電流が減少するため、ωＬ_S2・ｉ_CR´の電圧上昇を生ずる。そして、タンク回路１２、１４に循環電流が発生すると、加熱コイルに流れる電流が変化して被加熱物の加熱温度が変動し、被加熱物の温度を高精度に制御することが困難となる。
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、並行運転される複数のタンク回路間における循環電流の発生を阻止することを目的としている。
また、本発明は、誘導子に印加する電圧の変動を防止することを目的としている。

誘導加熱装置は、負荷となる誘導子と力率補償用コンデンサとによってタンク回路を形成し、力率が１になるようにしている。そして、タンク回路は、誘導子と力率補償用コンデンサとによって定まる固有の共振周波数を有する。ところが、タンク回路の固有共振周波数が変動すると、並列接続した複数のタンク回路間に循環電流が流れ、電流と電圧との位相が一致せずに無効電流を生じ、力率が１より小さくなる。したがって、タンク回路に供給される電力の力率、または電圧と電流との位相を求めることにより、循環電流が発生したことを検知することができる。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明に係る誘導加熱用並列インバータの給電方法は、並列インバータの出力側に並列接続した、負荷としての誘導子と力率補償用コンデンサとからなる複数のタンク回路への給電方法であって、前記各タンク回路のそれぞれに可変コンデンサまたは可変コイルの少なくとも一方を並列接続し、前記各タンク回路間を流れる循環電流が発生したときに、前記タンク回路に供給される電流と電圧との位相差を求め、前記電流の位相を前記電圧の位相よりも転流進み角だけ進ませるように、前記各可変コンデンサの静電容量および／または前記各可変コイルのインダクタンスを変化させて、前記循環電流を減少させることを特徴としている。
そして、本発明は、前記各可変コンデンサの静電容量および／または前記各可変コイルのインダクタンスを変化させて、前記誘導子に印加する電圧の変動を抑制する。

また、本発明に係る誘導加熱用並列型インバータ装置は、並列型インバータと、負荷としての誘導子と力率補償用コンデンサとからなり、前記並列型インバータに並列接続した複数のタンク回路と、これら各タンク回路のそれぞれに並列接続した可変リアクタンス素子部と、前記各タンク回路のそれぞれに対応して設けられ、各タンク回路に供給される電力の力率を検出する力率検出部と、前記各力率検出部によって検出された力率のいずれかが１より所定値だけ小さくなった場合に、前記タンク回路に供給される電流と電圧との位相差を求め、前記電流の位相を前記電圧の位相よりも転流進み角だけ進ませるように前記各可変リアクタンス素子部のリアクタンスを調整し、前記各タンク回路間を流れる循環電流の発生を阻止する制御部と、を有することを特徴としている。なお、可変リアクタンス素子部は、可変リアクタンス素子である可変コンデンサと可変コイル（可変インダクタンス）、またはこれらのいずれか一方によって構成することができる。

また、本発明に係る誘導加熱用並列型インバータ装置は、並列型インバータと、負荷としての誘導子と力率補償用可変コンデンサとからなり、前記並列型インバータに並列接続した複数のタンク回路と、前記各タンク回路のそれぞれに対応して設けられ、前記各タンク回路に供給される電力の力率を検出する力率検出部と、前記各力率検出部によって検出された力率のいずれかが１より所定値だけ小さくなった場合に、前記タンク回路に供給される電流と電圧との位相差を求め、前記電流の前記電圧に対する位相が転流進み角よりも遅れている場合には前記各タンク回路の前記可変コンデンサの容量を大きくし、前記電流の前記電圧に対する位相が前記転流進み角よりも進んでいる場合には前記可変コンデンサの容量を小さくするように調整し、前記各タンク回路間を流れる循環電流の発生を阻止する制御部と、を有することを特徴としている。

上記のごとくなっている本発明は、各タンク回路に供給される電力の力率、または電流と電圧との位相差を求め、各タンク回路に並列に接続した可変コンデンサの静電容量または可変コイルのインダクタンスのいずれか一方または両方を変化させる。すなわち、本発明は、可変コンデンサや可変コイルからなる可変リアクタンス素子部のリアクタンスを調整し、供給される電力の電圧と電流との位相差をなくし、力率が１になるようにする。これにより、各タンク回路間を流れる循環電流の発生を阻止することができる。そして、循環電流の発生を阻止できるため、循環電流の発生に伴うタンク回路の電圧変動を防ぐことができる。この結果、誘導子に印加する電圧の変動を防ぐことができ、被加熱物の加熱温度を高精度に制御することが可能になる。また、循環電流の発生がないため、マッチングトランスに過電流が流れるのを防止することができ、マッチングトランスの損傷をなくすことができる。しかも、循環電流の発生を考慮してマッチングトランスや線路などの容量を大きくする必要がなく、装置の小型化、コストの低減を図ることができる。

また、本発明は、各タンク回路の力率補償用コンデンサを可変コンデンサにし、各タンク回路に供給される電力の力率、または電流と電圧との位相差を求め、可変コンデンサの容量を調整する。これにより、各タンク回路間を流れる循環電流の発生を阻止することができ、上記と同様の効果を得ることができる。

本発明に係る誘導加熱用並列インバータの給電方法および誘導加熱用並列型インバータ装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って、詳細に説明する。
図１は、第１実施形態に係る誘導加熱用並列型インバータ装置の要部の説明図である。図１において、並列型インバータ装置２０は、並列型インバータ２２を備えている。この並列型インバータ２２は、入力側が図示しない直流リアクトルを介して順変換部に接続してある。そして、並列型インバータ２２の出力側には、複数（例えば、４〜５つ）のタンク回路２４（２４ａ〜２４ｎ）が並列に接続してある。各タンク回路２４は、負荷としての誘導子Ｌ₀（Ｌ_0a〜Ｌ_0n）と、力率補償用コンデンサＣ₀（Ｃ_0a〜Ｃ_0n）との並列接続によって形成してある。誘導子Ｌ₀は、図示しない被加熱物を誘導加熱する加熱コイルとなっている。また、力率補償用のコンデンサＣ₀は、並列型インバータ２２の転流コンデンサを兼ねている。

各タンク回路２４のそれぞれには、可変リアクタンス素子部２６（２６ａ〜２６ｎ）がタンク回路２４と並列に接続してある。各可変リアクタンス素子部２６は、進相コンデンサである可変コンデンサ（可変リアクタンス素子）Ｃ_V（Ｃ_Va〜Ｃ_Vn）と、可変コイルである可変インダクタンス（可変リアクタンス素子）Ｌ_V（Ｌ_Va〜Ｌ_Vn）とから構成してあり、これらが並列接続してある。また、各可変リアクタンス素子部２６と並列型インバータ２２との間には、力率検出部２８（２８ａ〜２８ｎ）が設けてある。これらの力率検出部２８は、並列型インバータ２２が各タンク回路２４に供給する電力の力率を検出し、検出信号を破線に示したように制御部３０に入力する。

制御部３０は、いずれかの可変リアクタンス素子部２６のリアクタンスが変化したときの、各タンク回路２４の力率を演算できる演算部と、破線に示したように、各可変リアクタンス素子部２６を制御するリアクタンス調整部（いずれも図示せず）とを有している。そして、制御部３０は、各力率検出部２８の検出信号に基づいて、各タンク回路２４に供給される電力の力率が１より所定値だけ小さくなると、各可変リアクタンス素子部２６の可変コンデンサＣ_V、可変インダクタンスＬ_Vを調整する。さらに、各タンク回路２４と並列型インバー２２との間には、高調波共振の発生を抑制し、並列インバータ２２の転流失敗を防止するリアクトル３２（３２ａ〜３２ｎ）が設けてある。

このようになっている第１実施形態の並列型インバータ装置２０においては、並列型インバータ２２が出力側に並列接続されている各タンク回路２４による共振周波数によって並行運転される。すなわち、並列型インバータ２２は、並列接続された力率補償用コンデンサＣ_0a〜Ｃ_0nと、並列接続された誘導子Ｌ_0a〜Ｌ_0nとの並列回路により定まる共振周波数ｆ₀によって運転され、各タンク回路２４に同時に電力を供給する。そして、並列型インバータ２２の出力電圧ｖ₀は、図２の実線に示したように、波形がほぼ正弦波となる。また、並列型インバータ２２の出力電流ｉ₀は、時間軸ｔの方向に対して対称であって、零を示す横軸との交点に対して正負の波形が対称である台形波となる。そして、各タンク回路２４間に循環電流がない場合、並列型インバータ２２は、出力電流ｉ₀が出力電圧ｖ₀に対して位相が進んでおり、転流進み角γで運転されて各タンク回路２４に供給される電力の力率が１となっている。

ところが、例えば誘導子Ｌ₀によって加熱される図示しない被加熱物の有無や、材質、形状、温度などの被加熱物の変化などにより、タンク回路２４のインピーダンスが変化すると、各タンク回路２４間を流れる循環電流が発生する。このため、タンク回路２４に印加される電圧が図２の破線に示したようにｖ₀´となり、並列型インバータ２２の出力電流ｉ₀と位相がずれ、各タンク回路２４の力率が１より小さくなる。しかも、各タンク回路２４間を循環電流が流れるため、本図に図示しないマッチングトランスに過電流が流れてマッチングトランスを損傷する。また、リアクトル３２によるインダクタンスにより、タンク回路２４の電圧が変動し、被加熱物の温度が低下するなど、被加熱物の温度を高精度で制御することができない。

そこで、実施形態においては、並列型インバータ２２と各タンク回路２４または各可変リアクタンス素子部２６との間に力率検出部２８を設け、各タンク回路２４に供給される電力の力率を検出する。そして、各力率検出部２８は、対応するタンク回路２４に供給される電力の力率を検出して制御部３０に入力する。制御部３０は、各力率検出部２８の出力信号（検出信号）を所定時間ごとに読み込み、検出された力率のいずれかが１より所定値だけ小さくなると、各可変リアクタンス素子部２６を制御し、各タンク回路２４に供給される電力の力率が１になるように調整する。

すなわち、制御部３０は、いずれかの力率検出部２８の検出した力率が１より小さくなると、並列型インバータの出力電流ｉ₀（タンク回路２４に供給される電流）と、対応するタンク回路２４に印加される電圧ｖ₀´との位相差φ（図２参照）を求める。さらに、制御部３０は、例えば図２に示したように、電圧ｖ₀´の位相が出力電流ｉ₀に対してφ進んでいる場合、電圧の位相をφ＋γ遅らせて出力電流ｉ₀の位相を電圧に対して転流進み角γだけ進ませるように、各可変リアクタンス素子部２６のリアクタンスの値を演算する。そして、制御部３０は、演算によって求めたリアクタンスが得られるように、各可変リアクタンス素子部２６の可変コンデンサＣ_V、可変インダクタンスＬ_Vを制御し、並列型インバータ２２の出力電圧に対する出力電流ｉ₀の位相を進め、または出力電圧の位相を遅らせ、出力電流ｉ₀をタンク回路２４に印加する電圧に対して転流進み角γだけ位相が進むようする。すなわち、制御部３０は、例えば電流ｉ₀の電圧ｖ´に対する位相が転流進み角γよりも遅れている場合、進相コンデンサである可変コンデンサＣ_Vの容量を大きく、または可変インダクタンスＬ_Vの誘導係数を小さくし、電流ｉ₀の位相を進め、転流進み角γが得られるようにする。また、例えば電流ｉ₀の電圧ｖ´に対する位相が転流進み角γより進んでいる場合、制御部３０は、可変コンデンサＣ_Vの容量を小さく、または可変インダクタンスＬ_Vの誘導係数を大きくし、電圧ｖ₀´に対して電流ｉ₀の位相を遅らせ、位相の進み状態を転流進み角γとなるようにする。これにより、各タンク回路２４に供給される電力も、力率が１となるように調整される。

このようにして各タンク回路２４に供給される電力の電圧と電流との位相を一致させ、力率を１に調整する。これにより、各タンク回路２４間を流れる循環電流の発生を阻止することができる。このため、マッチングトランスに過電流が流れるのを防止することができ、マッチングトランスが損傷するのを防ぐことができる。しかも、循環電流の発生に備えてマッチングトランスや線路の容量に余裕を持たせる必要がなく、並列型インバータ装置２０の小型化が図れ、コストを低減することができる。また、各タンク回路２４間を流れる循環電流が発生しないため、循環電流によるタンク回路２４の電圧変動をなくすことができ、加熱コイルである誘導子Ｌ_Vに印加する電圧を一定にできるため、被加熱物の加熱温度を高精度で制御することができる。しかも、実施形態においては、各力率検出部２８の検出信号を１つの制御部３０に入力し、制御部３０において各可変リアクタンス素子部２６のリアクタンスを制御するようになっているため、各タンク回路２４の力率を迅速に制御することができ、循環電流の発生を抑制することができる。

なお、前記実施形態においては、可変リアクタンス素子部２６を可変コンデンサＣ₀と可変インダクタンスＬ₀とによって構成した場合について説明したが、可変リアクタンス素子部２６を可変コンデンサＣ₀または可変インダクタンスＬ₀のいずれか一方によって構成してもよい。また、前記実施形態においては、各タンク回路２４に供給される電力の力率を検出する場合について説明したが、各タンク回路２４に供給される電力の電圧と電流との位相差を検出するようにしてもよい。

図３は、第２実施形態の説明図である。この第２実施形態に係る並列型インバータ装置４０は、同図（１）に示したように、並列型インバータ２２の出力側に複数のタンク回路４２（４２ａ〜４２ｎ）が並列に接続してある。各タンク回路４２は、負荷となる誘導子Ｌ₀（Ｌ_0a〜Ｌ_0n）と力率補償用可変コンデンサＣ_P（Ｃ_Pa〜Ｃ_Pn）とが並列に接続してある。各可変コンデンサＣ_Pは、並列型インバータ２２の転流コンデンサの役割を兼ねている。そして、各可変コンデンサＣ_Pは、図３（２）に示したように、並列接続した複数のコンデンサＣ_C0、Ｃ_C1、Ｃ_C2、………から形成してある。また、コンデンサＣ_C1、Ｃ_C2、………は、スイッチＳＷ₁、ＳＷ₂、………と直列に接続してあって、これらのスイッチＳＷ（ＳＷ₁、ＳＷ₂、………）をオン・オフすることにより、並列型インバータ２２に接続されたり、並列型インバータ２２と遮断されたりする。これらのスイッチＳＷは、図３（１）に示したように、制御部３０によってオン・オフされる。

制御部３０は、各タンク回路４２と並列型インバータ２２との間に接続した力率検出部２８（２８ａ〜２８ｎ）の検出信号が入力するようになっている。そして、制御部３０は、各力率検出部２８が検出した各タンク回路４２のいずれかに供給される電力の力率が１より所定値だけ小さくなると、各タンク回路２４の力率補償用可変コンデンサＣ_Pを構成しているコンデンサＣ_C1、Ｃ_C2、………のスイッチＳＷをオン・オフして、各タンク回路４２に供給される電力の力率を１に調整する。これにより、前記と同様の効果を得ることができる。なお、コンデンサＣ_C0、Ｃ_C1、Ｃ_C2、………の静電容量の値は、すべてが同じであってもよいし、それぞれが異なっていてもよい。

本発明の第１実施形態に係る誘導加熱用並列型インバータ装置の説明図である。第１実施形態の作用を説明する図である。本発明の第２実施形態に係る誘導加熱用並列型インバータ装置の説明図である。従来の誘導加熱用インバータ装置の説明図である。

符号の説明

２０、４０………並列型インバータ装置、２２………並列型インバータ、２４ａ、２４ｎ、４２ａ、４２ｎ………タンク回路、２６ａ、２６ｎ………可変リアクタンス素子部、２８ａ、２８ｎ………力率検出部、３０………制御部、Ｌ_0a、Ｌ_0n………誘導子、Ｃ_0a、Ｃ_0n………力率補償用コンデンサ、Ｃ_Va、Ｃ_Vn………可変コンデンサ、Ｌ_Va、Ｌ_Vn………可変コイル（可変インダクタンス）、Ｃ_Pa、Ｃ_Pn………力率補償用可変コンデンサ。

Claims

並列インバータの出力側に並列接続した、負荷としての誘導子と力率補償用コンデンサとからなる複数のタンク回路への給電方法であって、前記各タンク回路のそれぞれに可変コンデンサまたは可変コイルの少なくとも一方を並列接続し、前記各タンク回路間を流れる循環電流が発生したときに、
前記タンク回路に供給される電流と電圧との位相差を求め、前記電流の位相を前記電圧の位相よりも転流進み角だけ進ませるように、前記各可変コンデンサの静電容量および／または前記各可変コイルのインダクタンスを変化させて、前記循環電流を減少させることを特徴とする誘導加熱用並列インバータの給電方法。
請求項１に記載の誘導加熱用並列インバータの給電方法において、
前記各可変コンデンサの静電容量および／または前記各可変コイルのインダクタンスを変化させて、前記誘導子に印加する電圧の変動を抑制することを特徴とする誘導加熱装置用並列インバータの給電方法。
並列型インバータと、
負荷としての誘導子と力率補償用コンデンサとからなり、前記並列型インバータに並列接続した複数のタンク回路と、
これら各タンク回路のそれぞれに並列接続した可変リアクタンス素子部と、
前記各タンク回路のそれぞれに対応して設けられ、各タンク回路に供給される電力の力率を検出する力率検出部と、
前記各力率検出部によって検出された力率のいずれかが１より所定値だけ小さくなった場合に、前記タンク回路に供給される電流と電圧との位相差を求め、前記電流の位相を前記電圧の位相よりも転流進み角だけ進ませるように前記各可変リアクタンス素子部のリアクタンスを調整し、前記各タンク回路間を流れる循環電流の発生を阻止する制御部と、
を有することを特徴とする誘導加熱用並列型インバータ装置。
並列型インバータと、
負荷としての誘導子と力率補償用可変コンデンサとからなり、前記並列型インバータに並列接続した複数のタンク回路と、
前記各タンク回路のそれぞれに対応して設けられ、前記各タンク回路に供給される電力の力率を検出する力率検出部と、
前記各力率検出部によって検出された力率のいずれかが１より所定値だけ小さくなった場合に、前記タンク回路に供給される電流と電圧との位相差を求め、前記電流の前記電圧に対する位相が転流進み角よりも遅れている場合には前記各タンク回路の前記可変コンデンサの容量を大きくし、前記電流の前記電圧に対する位相が前記転流進み角よりも進んでいる場合には前記可変コンデンサの容量を小さくするように調整し、前記各タンク回路間を流れる循環電流の発生を阻止する制御部と、
を有することを特徴とする誘導加熱用並列型インバータ装置。