JP4406585B2

JP4406585B2 - 誘導電圧検出方法および装置、並びに誘導加熱システム

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Publication number: JP4406585B2
Application number: JP2004218504A
Authority: JP
Inventors: 恒雄高木; 和浩山田; 和成大櫃; 直喜内田; 一博尾崎; 宏小野; 淳也宮田
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2024-07-27
Also published as: JP2006040693A

Description

本発明は、相互誘導に基づく誘導電圧を検出する方法に係り、特に複数のインバータに対応して設けた相互に電磁的に結合した加熱コイルを有する誘導加熱システムの誘導電圧を検出するのに好適な誘導電圧検出方法および装置並びに誘導加熱システムに関する。

誘導加熱により被加熱物を均一な温度に加熱する場合、または所望の温度分布を有するように加熱する場合、複数の加熱コイルを用いる必要がある。このような複数の加熱コイルを有する誘導加熱システム（以下、単に誘導加熱システムという）は、各加熱コイルに対応してインバータを設けており、インバータの出力を制御することにより、被加熱物を所望の温度に制御するようになっている。図５は、このような誘導加熱システムの一例を示したもので、説明を容易にするために、２つの加熱ユニットを備えている場合を示した。

図５において、誘導加熱装置１は、例えば３相交流を直流に変換する順変換部３と、順変換部３の出力側に並列接続した第１加熱ユニット１０と第２加熱ユニット２０とを備えている。各加熱ユニット１０、２０は、それぞれが第１インバータ（逆変換部）１２、第２インバータ２２を備えており、各インバータ１２、２２の入力側が対応するチョッパ回路１８、２８を介して順変換部３の出力側に並列に接続してある。また、各加熱ユニット１０、２０は、これらのインバータ１２、２２の出力側に第１負荷部１４、第２負荷部２４が接続してある。各負荷部１４、２４は、加熱コイル１６、２６とコンデンサＣ₁、Ｃ₂が直列接続してあって、各インバータ１２、２２が直列共振型インバータを構成している。なお、図５において、ｖ_１、ｉ_１は第１インバータ１２の出力電圧と出力電流、Ｒ_１は第１加熱コイル１６の内部抵抗、Ｌ_１は第１加熱コイル１６の自己インダクタンスである。また、ｖ_２、ｉ_２、Ｒ_２、Ｌ_２は、それぞれ第２インバータ２２の出力電圧と出力電流、第２加熱コイル２６の内部抵抗と自己インダクタンスである。

このようになっている誘導加熱システム１は、第１加熱コイル１６と第２加熱コイル２６との境界部における温度の低下を避けるため、加熱コイル１６、２６を近接して配置している。このため、各加熱コイル１６、２６間において相互誘導が発生し、同図に示したように、第１負荷部１４には、第２インバータ２２の出力電流ｉ_２による誘導電圧ｖ_Ｍ２が生じ、第２負荷部２４には第１インバータ１２の出力電流ｉ_１による誘導電圧ｖ_Ｍ１が生ずる。このため、第１インバータ１２と第２インバータ２２との出力電圧ｖ_１、ｖ_２は、

のようになる。ただし、これらの数式において、φは出力電流ｉ_１、ｉ_２の位相差であり、ωは角周波数であって、各インバータ１２、２２の出力周波数をｆとした場合、ω＝２πｆである。また、Ｍは相互誘導係数であり、ｊは虚数単位を示す。

そして、各出力電流ｉ_１、ｉ_２が同期している場合、上記数式１と数式２とは、

のようになる。このため、第１逆変換部１２の電圧ベクトル図は、図６のようになる。また、第１逆変換部１２の出力電圧ｖ_１と出力電流ｉ_１との関係は、図７のようになる。すなわち、インバータの出力電流と出力電圧との間には比例関係がある。従って、インバータの出力電圧を制御することにより、出力電流が制御でき、加熱コイルの磁束が制御されて被加熱物の温度を制御することができる。このことは、第２インバータ２２側においても同様である。

ところで、例えば第１インバータ１２の出力電圧に関する数式３において、相互誘導（電磁誘導）による電圧（誘導電圧）ｊωＭｉ_２＝一定としたときに、出力電流ｉ_１が減少してくると、（Ｒ_１＋ｊＸ_Ｌ１−ｊＸ_Ｃ１）ｉ_１が小さくなり、特にカッコ内の値が容量性である場合、出力電圧ｖ_１と出力電流ｉ_１との関係が図８のようになって、出力電圧ｖ_１が極小値を有するようになる。すなわち、出力電流ｉ_１の小さい領域においては、出力電圧ｖ_１と出力電流ｉ_１とが比例しないため、第１インバータ１２の出力電圧ｖ_１によって出力電流ｉ_１を制御することが困難となり、被加熱部材の温度制御をすることができなくなる。

そこで、本願出願人は、第１加熱コイル１６と第２加熱コイル２６とに生ずる相互誘導による電圧（誘導電圧）を、定格運転時において生ずる最大の誘導電圧であると仮定し、インバータの出力電流が小さい領域においても、出力電圧が最大誘導電圧を下回らないような、出力電流と出力電圧との位相差（位相角）が得られる出力周波数によって誘導加熱装置を運転する方法（以下、単に従来方法という）を提案した（特許文献１）。これにより、インバータの出力電流が小さな場合であっても、インバータの出力電圧を制御することにより、被加熱物の温度を高精度で制御することができる。
特開２００４−１３４１３８号公報

上記したように従来方法は、加熱コイルに最大誘導電圧が発生していることを仮定し、インバータの出力電流が小さいときでも、インバータの出力電圧が誘導電圧以上となる大きな出力周波数によってインバータを運転するようにしている。しかし、誘導電圧の大きさは、相手側の加熱コイルに流れる電流の大きさばかりでなく、被加熱物の大きさや形状、材質、温度、或いは被加熱物の有無などによって変わる。したがって、加熱コイルには、常に最大誘導電圧が生じているわけではなく、最大誘導電圧の発生を想定した周波数より低い周波数でインバータを運転することが可能な場合も多い。このため、従来方法は、インバータの出力電流の大きさに関係なく出力電圧を介して被加熱物の温度制御が可能であるが、大きな出力周波数で運転しているために、インバータのスイッチングに伴う損失が大きくなる。

また、インバータは、通常、出力電流と出力電圧との位相（位相角）θが０〜９０°の範囲で運転される。そして、インバータの力率は、ｃｏｓθとして表され、出力周波数が小さいほどθが小さくなり、インバータの運転効率がよくなる。したがって、加熱コイルに生じている誘導電圧を検出し、実際に生じている誘導電圧に応じた出力周波数によってインバータを運転すれば、出力周波数の上昇を抑えてθを小さくすることができ、スイッチングロスを小さくできてインバータの運転効率を向上することができる。しかし、従来は、加熱コイルに実際に生じている誘導電圧を検出することができなかった。

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、加熱コイルに生じている誘導電圧を検出できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、インバータの運転効率を向上することを目的としている。
さらに、本発明は、加熱コイルに誘導電圧が生じている場合に、インバータの出力電流が小さい領域においても、出力電流と出力電圧との間に比例関係が保持できるようにすることを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る誘導電圧検出方法は、複数の電力変換部のそれぞれに設けたインバータに対応して設けられ、相互に電磁的に結合している加熱コイルに生ずる相互誘導による誘導電圧を検出する方法であって、任意の前記電力変換部について、現在の運転条件と異なる運転条件による運転を一時的に行ない、前記現在の運転条件と前記一時的に異ならせた運転条件とのそれぞれの運転時における前記任意の電力変換部の前記インバータについての出力電流Ｉ _ｋと出力電圧との位相差θを求め、それぞれの運転時における対応した前記加熱コイルを有する回路に相互誘導による誘導電圧が生じている場合の下記に示した基本方程式と電圧ベクトル演算式に基づいて前記誘導電圧を求める、ことを特徴としている。
記

上記の誘導電圧検出方法を実施する本発明に係る誘導電圧検出装置は、相互に電磁的に結合している複数の加熱コイルのそれぞれに対応して設けた電力変換部のインバータの出力電流Ｉ _ｋと出力電圧との位相差θを求める位相差検出手段と、前記各電力変換部に対応して設けられ、対応する前記電力変換部のインバータの出力電流値と出力電圧値とを設定可能な運転条件設定手段と、前記各電力変換部に対応して設けられ、対応する前記運転条件設定手段に設定された運転条件に従って前記インバータの出力を制御するとともに、条件変更命令の入力時に、一時的に前記設定された運転条件と異なる運転条件によって前記インバータの出力を制御する出力制御手段と、対応する前記位相検出手段の出力する前記設定された運転条件と前記一時的に異なる運転条件とのそれぞれにおける前記位相差が入力するとともに、それぞれの運転時における対応する前記加熱コイルを有する回路に相互誘導による誘導電圧が生じている場合の下記に示した基本方程式と電圧ベクトル演算式に基づいて、前記対応する加熱コイルに生ずる相互誘導による誘導電圧を求める誘導電圧演算手段と、を有することを特徴としている。
記

また、本発明に係る加熱誘導システムは、それぞれがインバータを備えた複数の電力変換部と、前記各電力変換部のインバータのそれぞれに対応して設けられ、相互に電磁的に結合している加熱コイルと、前記各電力変換部に対応して設けられ、対応する前記電力変換部のインバータの出力電流Ｉ _ｋと出力電圧との位相差θを求める位相差検出手段と、前記各電力変換部に対応して設けられ、対応する前記電力変換部のインバータの出力電流値と出力電圧値とを設定可能な運転条件設定手段と、前記各電力変換部に対応して設けられ、対応する前記運転条件設定手段に設定された運転条件に従って前記インバータの出力を制御するとともに、条件変更命令の入力時に、一時的に前記設定された運転条件と異なる運転条件によって前記インバータの出力を制御する出力制御手段と、対応する前記位相差検出手段の出力する前記設定された運転条件と前記異なる運転条件とのそれぞれにおける前記位相差が入力するとともに、それぞれの運転時における対応する前記加熱コイルを有する回路に相互誘導による誘導電圧が生じている場合の下記に示した基本方程式と電圧ベクトル演算式に基づいて、前記加熱コイルに生ずる相互誘導による誘導電圧を求める誘導電圧演算手段と、前記誘導電圧演算手段が求めた前記誘導電圧に基づいて、前記対応するインバータの出力電流と前記出力電圧との位相が予め与えられた条件を満たす運転条件を求め、対応する前記運転条件設定手段の設定値を変える設定値変更手段と、を有することを特徴としている。
記

上記のようになっている本発明は、通常の運転状態において一時的に運転条件を変えて運転することにより、それぞれの運転状態における加熱コイルを有する回路の電流と電圧との関係が得られる。そこで、それぞれの運転状態において検出（測定）可能なもの、例えばインバータの出力電流の値や、出力電流と出力電圧との位相差（位相角）などを検出し、２つの運転状態のそれぞれについての電流と電圧との関係式を連立方程式として解くことにより、加熱コイルに生じている相互誘導による誘導電圧を求めることができる。したがって、実際に生じている誘導電圧に対応した出力周波数によってインバータを運転することにより、インバータを構成している素子のスイッチングロスを小さくすることができ、ｃｏｓθとして表される力率が改善して、インバータの運転効率を向上することができる。また、実際の誘導電圧を検出できるため、インバータの出力電流が小さい領域においても、インバータの出力電流と出力電圧との間に比例関係を持たせることができ、インバータの出力電圧を制御することによって、被加熱物の温度を高精度で制御することが可能となる。

本発明に係る誘導電圧検出方法及び装置、並びに誘導加熱システムの好ましい実施の形態を、添付図面にしたがって詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る誘導加熱システムの説明図である。図１において、誘導加熱システム３０は、図示しない交流電源に接続した順変換部３を有しており、順変換部３が交流電源の出力する３相の交流電力を直流電力に変換して出力する。順変換部３の出力側には、複数の加熱ユニット３２（３２_１〜３２_n）が並列に接続してある。各加熱ユニット３２は、同じように構成してあって、電力変換部３４（３４_１〜３４_n）と、各電力変換部３４の出力側に設けた負荷部３６（３６_１〜３６_n）、各電力変換部３４に対応して設けた電力制御部３８（３８_１〜３８_n）とを備えている。

各電力変換部３４は、入力側を順変換部３に接続した直流変換部であるチョッパ回路４０（４０_１〜４０_n）と、チョッパ回路４０の出力側に接続した逆変換部であるインバータ４２（４２_１〜４２_n）とを備えている。また、各チョッパ回路４０の出力側には、直流電圧検出器４４（４４_１〜４４_n）が設けてある。直流電圧検出器４４は、チョッパ回路４０の出力する直流電圧を検出して対応する電力制御部３８に入力する。

各インバータ４２の出力側に接続した負荷部３６は、転流コンデンサを兼ねた力率改善用のコンデンサ４６（４６_１〜４６_n）と、加熱コイル４８（４８_１〜４８_n）とを有しており、コンデンサ４６と加熱コイル４８とが直列接続してある。したがって、各インバータ４２は、直列共振型インバータを構成している。そして、各加熱コイル４８は、近接して配置してあり、相互に電磁的に結合している。このため、各加熱コイル４８には、他の加熱コイルを流れる電流による相互誘導（電磁誘導）が発生し、誘導電圧Ｖ_Ｍ（Ｖ_Ｍ１〜Ｖ_Ｍn）が生ずる。なお、各負荷部３６の抵抗５０（５０_１〜５０_n）は、加熱コイル４８の内部抵抗である。また、各インバータ４２の出力側に示した符号Ｖ（Ｖ_１〜Ｖ_n）、Ｉ（Ｉ_１〜Ｉ_n）は、インバータ４２の出力電圧と出力電流である。

各電力制御部３８は、誘導電圧検出装置を構成していて、運転条件設定部（運転条件設定手段）５２（５２_１〜５２_n）と、詳細を後述する演算制御部５４（５４ _１〜５４_n）とを有している。演算制御部５４は、対応するインバータ４２の出力側に設けた出力電流検出器５６（５６_１〜５６_n）の検出したインバータ４２の出力電流Ｉが入力するとともに、直流電圧検出器４４の検出したチョッパ回路４０が出力する直流電圧Ｖ_ＤＣ（Ｖ_ＤＣ１〜Ｖ_ＤＣn）が入力する。そして、演算制御部５４は、対応する電力変換部３４のチョッパ回路４０とインバータ４２とを制御して、インバータ４２の出力電圧Ｖと出力電流Ｉとを設定された値にする。

各電力制御部３８の運転条件設定部５２は、図２に示したように、対応するインバータ４２の出力電圧Ｖと出力電流Ｉとの値を設定できる出力電圧設定部６０と出力電流設定部６２と、対応するインバータ４２の出力周波数を設定する出力周波数設定部６４とを有している。これらの設定部６０、６２、６４は、図示しない入力部によって設定値を設定できるようになっている。これらの設定値は、図示しない表示部に表示される。

演算制御部５４は、出力制御部（出力制御手段）６６を有している。出力制御部６６は、運転条件設定部５２に設定されたインバータ４２の出力電圧に基づいて、チョッパ回路４０を制御するチョッパ制御部６８と、このチョッパ制御部６８の出力側に設けたチョッパゲートパルス生成部７０とを有している。チョッパゲートパルス生成部７０は、チョッパ制御部６８の出力信号に基づいてゲートパルスを生成し、チョッパ回路４０のチョップ部（図示せず）をオン・オフしてチョッパ回路４０の通流率を制御し、インバータ４２に与える直流電圧を制御する。また、出力制御部６６は、運転条件設定部５２に設定されたインバータ４２の出力電流、出力周波数に基づいてインバータ４２を制御するインバータ制御部７２と、このインバータ制御部７２の出力側に設けたインバータゲートパルス生成部７４とを有している。インバータゲートパルス生成部７４は、インバータ制御部７２の出力信号に基づいてゲートパルスを生成してインバータ４２に与え、インバータ４２を構成している各素子をオン・オフし、インバータ４２の出力周波数を設定周波数に制御するとともに、各素子の通流率を変えてインバータ４２の出力電流Ｉを制御する。

なお、出力制御部６６には、条件変更要求部７６から運転条件変更命令が入力するようになっている。この条件変更要求部７６は、任意に設定可能なタイマを内蔵していて、タイマに設定された時間の計数が終了すると、各加熱ユニット３２の演算制御部５４を構成している出力制御部６６に順次運転条件の変更命令を入力する。条件変更要求部７６から運転条件の変更命令を受けた出力制御部は、後述するように、一時的に運転条件設定部５２に設定されている運転条件と異なった運転条件によって電力変換部３４を制御し、インバータ４２の出力を変える。なお、インバータ制御部７２には、出力電流検出器５６の検出信号がフィードバック信号として入力し、この出力電流検出器５６の検出信号に基づいてインバータゲートパルス信号生成部７４の出力するゲートパルスの出力タイミングとディーティ比を制御する。

さらに、演算制御部５４は、位相検出部（位相検出手段）７８、出力電圧演算部８０、誘導電圧演算部（誘導電圧演算手段）８２、設定値変更部（設定値変更手段）８４とを有している。位相検出部７８は、出力電流検出器５６の検出信号が入力するとともに、出力制御部６６のインバータゲートパルス生成部７４の出力するゲートパルスが入力するようになっている。そして、位相検出部７８は、出力電流検出器５６の検出信号からインバータ４２の出力電流のゼロクロスを検出するとともに、このゼロクロスをインバータゲートパルス生成部７４の出力するゲートパルスの立ち上がりまたはたち下がりと比較して、インバータ４２の出力電流と出力電圧との位相差（位相角）θを求めて誘導電圧演算部８２に出力する。

出力電圧演算部８０は、直流電圧検出器４４の検出信号が入力し、この検出信号に基づいてインバータ４２の出力電圧の実効値を求めて誘導電圧演算部８２に入力する。すなわち、インバータ４２にＶ_ＤＣの直流電圧が入力し、インバータからパルス高さＶ_ＤＣ、デューティ比５０％の矩形状出力電圧（基本波）が出力された場合、インバータ出力電圧の基本波の実効値と入力直流電圧Ｖ_ＤＣとの間には、一般に、

の関係が成立する。したがって、出力電圧演算部８０は、数式９に基づいて、直流電圧検出器４４の検出電圧Ｖ_ＤＣからインバータ４２の出力電圧（実効値）Ｖを求めて誘導電圧演算部８２に送出する。

なお、直流電圧検出器４４は、図２の符号Ａに示したように、検出信号を出力制御部６６のチョッパ制御部６８にフィードバック信号として入力する。チョッパ制御部６８は、直流電圧検出器４４が検出した直流電圧Ｖ_ＤＣに基づいて、インバータ４２の出力電圧Ｖが設定値となるように、チョッパ回路４０のチョップ部の通流率を制御するゲートパルスをチョッパゲートパルス生成部７０に出力させる。

誘導電圧演算部８２には、位相検出部７８と出力電圧演算部８０との出力信号が入力するとともに、条件変更要求部７６から誘導電圧演算命令が入力する。すなわち、条件変更要求部７６は、出力制御部６６に与える運転条件変更命令と同じ信号を、誘導電圧演算部８２に誘導電圧演算命令として与える。誘導電圧演算部８２は、対応する加熱コイル４８の内部抵抗Ｒなどの回路定数、誘導電圧を求めるための計算式などを記憶していて、条件変更要求部７６から信号が入力すると、詳細を後述するように、対応する加熱コイル４８に生ずる誘導電圧（電磁誘導電圧）を求めて設定値変更部８４に出力する。設定値変更部８４は、誘導電圧演算部８２から誘導電圧Ｖ_Ｍが入力すると、例えば図７に示したインバータの出力電流と出力電圧との関係を満足する出力周波数を求め、運転条件設定部５２の設定値を変更する。

このようになっている実施形態の誘導加熱システム３０の演算制御部５４による誘導電圧Ｖ_Ｍの検出は、次のようにして行なわれる。まず、図３、図４を用いてその原理を説明する。

図３と図４とは、インバータに接続した回路に相互誘導による誘導電圧が生じている場合の電圧ベクトル図である。そして、図３はインバータの出力電流がＩのときにおける電圧ベクトル図であり、図４はインバータの出力電流Ｉをβ倍したときの電圧ベクトル図である。これらの図において、Ｖ_ＩＶはインバータの出力電流がＩのときにおけるインバータの出力電圧、Ｖ_Ｒは回路に電流Ｉが流れることによる加熱コイルの内部抵抗により生ずる電圧、Ｖ_Ｘは回路のコイルとコンデンサとによる電圧を示している。そして、Ｖ_Ｍは相互誘導による加熱コイルに生ずる誘導電圧であり、θはインバータの出力電流Ｉと出力電圧Ｖ_ＩＶとの位相差（位相角）である。また、Ｖ_ＩＶ´は、出力電流がβ・Ｉのときにおけるインバータの出力電圧を示し、θ´は、このときのインバータの出力電流と出力電圧との位相差である。

このように、インバータの出力電流を変えることにより２つの電圧ベクトル図が得られる。そこで、これらの図においてＶ_ＩＶ、Ｖ_ＩＶ´、θ、θ´を検出し、これらの電圧ベクトル図に対応した式を連立方程式として解くことにより、誘導電圧Ｖ_Ｍを求めることができる。実施形態に係る誘導加熱システム３０の加熱ユニット３２_ｋを例にしてより具体的に説明する。

いま、加熱ユニット３２_ｋのインバータ４２_ｋの出力電圧がＶ_ｋ、出力電流がＩ_ｋであるとする。この運転状態において、インバータ４２_ｋの出力電流を一時的にＩ_ｋ´に変えたときの出力電圧がＶ_ｋ´であるとする。この２つの運転状態における回路の電流と電圧との関係を示す基本方程式は、

となる。

加熱コイル４８_ｋに生ずる誘導電圧Ｖ_Ｍｋは、数式１０、数式１１を連立方程式として解くことにより求めることができる。そこで、まず、数式１０と数式１１とについてのベクトル演算を行なう。数式１０のベクトル演算をすると、

となる。

また、数式１１に対するベクトル演算を行なうと、

のようになる。

次に、数式１３から数式１５を引くと、

が得られる。さらに、数式１６を（Ｘ_Ｌｋ−Ｘ_Ｃｋ）について解くと、

のようになる。したがって、数式１７においてＶ_ｋ、Ｒ_ｋ、Ｉ_ｋ、Ｖ_ｋ´、Ｉ_ｋ´が求められれば、（Ｘ_Ｌｋ−Ｘ_Ｃｋ）を求めることができる。

一方、数式１３は、

のように変形できる。

そこで、チョッパ回路４０_ｋの出力電圧Ｖ_ＤＣｋ、Ｖ_ＤＣｋ´を測定し、数式９の関係、すなわち、

の関係を用いることにより、インバータ４２_ｋの出力電圧Ｖ_ｋ、Ｖ_ｋ´を求めることができる。さらに、出力電流Ｉ_ｋと出力電圧Ｖ_ｋの間には、両者の位相差をθとすると、図３に示されているように、Ｖ_Ｒ＝Ｒ_ｋ・Ｉ_ｋ＝Ｖ_ｋｃｏｓθ関係がある。したがって、Ｒ_ｋ・Ｉ_ｋは、

となり、チョッパ回路４０_ｋの出力電圧を求めることにより、Ｒ_ｋ・Ｉ_ｋとＲ_ｋ・Ｉ_ｋ´とを求めることができる。したがって、数式１７の（Ｘ_Ｌｋ−Ｘ_Ｃｋ）が求められ、この値を数式１８に代入することにより、加熱コイル４８_ｋに生じている誘導電圧Ｖ_Ｍｋを求めることができる。

そこで、誘導加熱システム３０を運転する場合、まず各加熱ユニット３２の電力制御部３８を構成している運転条件設定部５２にインバータ４２の出力電圧、出力電流、出力周波数などを設定する。また、演算制御部５４の誘導電圧演算部８２に、誘導電圧Ｖ_Ｍの初期値としてＶ_Ｍの最大値Ｖ_ＭＭＡＸ（加熱ユニット３２_kの場合、Ｖ_{ＭｋＭＡＸ}）を入れ、各加熱ユニット３２のインバータ４２を電流同期運転する。

加熱ユニット３２_kの直流電圧検出器４４_kは、チョッパ回路４０_kの出力する直流電圧Ｖ_ＤＣkを検出し、検出信号を演算制御部５４_kの出力電圧演算部８０に入力する。また、出力電流検出器５６_ｋの検出したインバータ４２_ｋの出力電流Ｉ_ｋは、演算制御部５４_ｋの位相検出部７８に入力される。演算制御部５４_ｋを構成している出力制御部６６のチョッパ制御部６８は、運転条件設定部５２_ｋの出力電圧設定部６０に設定されているインバータ４２_ｋの出力電圧Ｖ_ｋが得られるように、チョッパゲートパルス生成部７０が生成するゲートパルスを介してチョッパ回路４０_ｋを制御する。

一方、インバータ制御部７２は、運転条件設定部５２_ｋの出力電流設定部６２と出力周波数設定部６４に設定された出力電流Ｉ_ｋと出力周波数ｆ_ｋとが得られるように、インバータゲートパルス生成部７４にゲートパルスを生成させる。インバータゲートパルス生成部７４は、生成したゲートパルスをインバータ４２_ｋに与えるとともに、位相検出部７８に入力する。位相検出部７８は、出力電流検出器５６_ｋの出力する検出信号に基づいて、インバータ４２_ｋの出力電流Ｉ_ｋのゼロクロスを求める。さらに、位相検出部７８は、求めた出力電流のゼロクロスと、インバータゲートパルス生成部７４が出力するゲートパルスの立ち上がりまたは立ち下がりとから、インバータ４２_ｋの出力電流Ｉ_ｋと出力電圧Ｖ_ｋとの位相差θ_ｋを求めて誘導電圧演算部８２に入力する。

また、演算制御部５４_ｋを構成している出力電圧演算部８０は、直流電圧検出器４４_ｋの検出信号に基づいて、インバータ４２_ｋの出力電圧Ｖ_ｋを次式により求めて誘導電圧演算部８２に入力する。そして、誘導電圧演算部８２は、位相検出部７８の出力する位相差（位相各）θ_ｋと、出力電圧演算部８０が求めた出力電圧Ｖ_ｋとを、図示しない内部メモリに記憶する。

条件変更要求部７６は、任意の時間を設定可能なタイマを内蔵している。そして、条件変更要求部７６は、タイマに設定された時間（例えば、数秒〜数分）の計数を終了すると、所定の時間間隔で順次各加熱ユニット３２の出力制御部６６に運転条件変更命令信号を入力するとともに、誘導電圧演算部８２に誘導電圧演算命令を入力する。条件変更要求部７６が運転条件変更命令を各出力制御部６６に与える時間間隔は、２以上の加熱ユニット３２が同時に運転条件を変更しないように設定してある。

条件変更要求部７６から運転条件の変更命令信号を受けた加熱ユニット３２_ｋの出力制御部６６は、予め設定されている時間（例えば、数ｍｓ〜１００mｓ）、運転条件設定部５２_ｋに設定されている運転条件と異なる条件、例えばインバータ４２_ｋの出力電流Ｉ_ｋの値をβ倍したβ・Ｉ_ｋ＝Ｉ_ｋ´に変えた運転を一時的に行なう。すなわち、出力制御部６６は、例えばインバータ４２_ｋの出力電流Ｉ_ｋをI_ｋ´となるように、チョッパ制御部６８がチョッパゲートパルス生成部７０の出力するゲートパルスのデューティ比を変え、チョッパ回路４０_ｋの出力電圧をＶ_ＤＣｋ´にする。ただし、出力制御部６６は、インバータ４２_ｋの出力電流を一時的に変える場合、インバータ４２_ｋの出力周波数が変わらないように制御する。

なお、この変更する電流値や周波数は、温度制御している被加熱物の温度に大きな影響を与えない大きさであって、かつ加熱コイル４８_ｋに生じている誘導電圧Ｖkを検出できる大きさであり、実験やシミュレーションによって予め求めて、予め出力制御部６６に与えてある。

出力電圧演算部８０は、直流電圧検出器４４_ｋの検出電圧Ｖ_ＤＣｋ´に基づいて、インバータ４２_ｋの出力電圧Ｖ_ｋ´を次式により求めて誘導電圧演算部８２に入力する。

また、位相検出部７８は、前記と同様にしてインバータ４２_ｋの出力電流Ｉ_ｋ´と出力電圧Ｖ_ｋ´との位相差θ_ｋ´を求めて誘導電圧演算部８２に入力する。誘導電圧演算部８２は、条件変更要求部７６から信号が入力すると、

を演算するとともに、これら数式２３、数式２４の演算結果を、入力された数式２１、数式２２の結果とともに数式１７に代入し、（Ｘ_Ｌｋ−Ｘ_Ｃｋ）を求める。さらに、誘導電圧演算部８２は、求めた（Ｘ_Ｌｋ−Ｘ_Ｃｋ）と、入力されたＶ_ｋ、数式２３とにより数式１８を演算し、加熱コイル４８_ｋに生じている誘導電圧Ｖ_Ｍｋを求める。

このようにして各加熱ユニット３２の演算制御部５４の誘導電圧演算部８２は、順次対応する加熱コイル４８に生じている誘導電圧Ｖ_Ｍを求める。そして、誘導電圧演算部８２の求めた誘導電圧Ｖ_Ｍは、設定値変更部８４に送出される。設定値変更部８４は、誘導電圧演算部８２が求めた誘導電圧Ｖ_Ｍが入力すると、例えば図７に示したようなインバータの出力電流と出力電圧との関係が得られるインバータの出力周波数を求め、対応する運転条件設定部５２に設定されている出力周波数の値を書き替える。

すなわち、インピーダンス（Ｘ_Ｌｋ−Ｘ_Ｃｋ）は、インバータの出力周波数の関数であり、出力周波数が高いほど大きくなる。したがって、図３からわかるように、出力周波数を高くすると、インバータの出力電圧も大きくなる。しかし、出力周波数を高くし過ぎると、無効電流が増大し、インバータの出力効率が低下する。そこで、実施形態においては、実際に生じている誘導電圧を検出して、実際の誘導電圧に応じた出力周波数でインバータを運転する。

このように、実施形態においては、一時的に、運転条件設定部５２に設定されている運転条件と異なる運転条件によってインバータ４２の出力を制御することにより、２つの運転状態に基づく回路の電流と電圧との関係から、加熱コイル４８に生じている誘導電圧Ｖ_Ｍを求めることができる。この結果、実際の誘導電圧に応じた電力変換部３４の制御（運転）を行なうことができ、インバータ４２の運転効率を向上することができる。また、加熱コイル４８に誘導電圧Ｖ_Ｍが生じている場合に、実際に生じている誘導電圧Ｖ_Ｍを検出できるため、インバータ４２の出力電流の小さい領域において、インバータの出力電圧を誘導電圧より大きくすることができる。この結果、実施形態においては、インバータの出力電流の全領域において、出力電流と出力電圧との間に比例関係が維持され、インバータの出力電圧を制御することによって、被加熱物の温度を制御することが可能で、高精度な温度制御をすることができる。

なお、前記実施形態においては、誘導電圧Ｖ_Ｍを求めるのに、インバータの出力電流を一時的に変える場合について説明したが、インバータの出力周波数を変えてもよい。また、前記実施形態においては、インバータの出力電流を変えるのに、チョッパ回路４０の通流率を変える場合について説明したが、インバータを構成している素子の通流率を変えて出力電流を変えるようにしてもよい。

本発明の実施の形態に係る誘導加熱システムの説明図である。実施の形態に係る電力制御部のブロック図である。加熱コイルに相互誘導が生じている回路の、インバータの任意の出力電流時における電圧ベクトル図である。インバータの出力電流を変えたときの電圧ベクトル図である従来の誘導加熱装置の説明図である。負荷部に相互誘導がある場合における電圧ベクトル図である。負荷部に相互誘導がある場合の共振型インバータの出力電圧と出力電流との関係を示す図である。負荷部のインピーダンスが容量性である場合の、相互誘導があるときの共振型インバータの出力電圧と出力電流との関係を示す図である。

３………順変換部、３０………誘導加熱システム、３２_１、３２_ｋ、３２_n………加熱ユニット、３４_１、３４_ｋ、３４_n………電力変換部、３６_１、３６_ｋ、３６_n………負荷部、３８_１、３８_ｋ、３８_n………電力制御部、４０_１、４０_ｋ、４０_n………チョッパ回路、４２_１、４２_ｋ、４２_n………インバータ、４４_１、４４_ｋ、４４_n………直流電圧検出器、４８_１、４８_ｋ、４８_n………加熱コイル、５２_１、５２_ｋ、５２_n………運転条件設定手段（運転条件設定部）、５４_１、５４_ｋ、５４_n………演算制御部、５６_１、５６_ｋ、５６_n………出力電流検出器、６６………出力制御手段（出力制御部）、７８………位相検出手段（位相検出部）、８２………誘導電圧演算手段（誘導電圧演算部）、８４………設定値変更手段（設定値変更部）。

Claims

複数の電力変換部のそれぞれに設けたインバータに対応して設けられ、相互に電磁的に結合している加熱コイルに生ずる相互誘導による誘導電圧を検出する方法であって、
任意の前記電力変換部について、現在の運転条件と異なる運転条件による運転を一時的に行ない、
前記現在の運転条件と前記一時的に異ならせた運転条件とのそれぞれの運転時における前記任意の電力変換部の前記インバータについての出力電流Ｉ _ｋと出力電圧との位相差θを求め、それぞれの運転時における対応した前記加熱コイルを有する回路に相互誘導による誘導電圧が生じている場合の下記に示した基本方程式と電圧ベクトル演算式に基づいて前記誘導電圧を求める、
ことを特徴とする誘導電圧検出方法。
記
相互に電磁的に結合している複数の加熱コイルのそれぞれに対応して設けた電力変換部のインバータの出力電流Ｉ _ｋと出力電圧との位相差θを求める位相差検出手段と、
前記各電力変換部に対応して設けられ、対応する前記電力変換部のインバータの出力電流値と出力電圧値とを設定可能な運転条件設定手段と、
前記各電力変換部に対応して設けられ、対応する前記運転条件設定手段に設定された運転条件に従って前記インバータの出力を制御するとともに、条件変更命令の入力時に、一時的に前記設定された運転条件と異なる運転条件によって前記インバータの出力を制御する出力制御手段と、
対応する前記位相検出手段の出力する前記設定された運転条件と前記一時的に異なる運転条件とのそれぞれにおける前記位相差が入力するとともに、それぞれの運転時における対応する前記加熱コイルを有する回路に相互誘導による誘導電圧が生じている場合の下記に示した基本方程式と電圧ベクトル演算式に基づいて、前記対応する加熱コイルに生ずる相互誘導による誘導電圧を求める誘導電圧演算手段と、
を有することを特徴とする誘導電圧検出装置。
記
それぞれがインバータを備えた複数の電力変換部と、
前記各電力変換部のインバータのそれぞれに対応して設けられ、相互に電磁的に結合している加熱コイルと、
前記各電力変換部に対応して設けられ、対応する前記電力変換部のインバータの出力電流Ｉ _ｋと出力電圧との位相差θを求める位相差検出手段と、
前記各電力変換部に対応して設けられ、対応する前記電力変換部のインバータの出力電流値と出力電圧値とを設定可能な運転条件設定手段と、
前記各電力変換部に対応して設けられ、対応する前記運転条件設定手段に設定された運転条件に従って前記インバータの出力を制御するとともに、条件変更命令の入力時に、一時的に前記設定された運転条件と異なる運転条件によって前記インバータの出力を制御する出力制御手段と、
対応する前記位相差検出手段の出力する前記設定された運転条件と前記異なる運転条件とのそれぞれにおける前記位相差が入力するとともに、それぞれの運転時における対応する前記加熱コイルを有する回路に相互誘導による誘導電圧が生じている場合の下記に示した基本方程式と電圧ベクトル演算式に基づいて、前記加熱コイルに生ずる相互誘導による誘導電圧を求める誘導電圧演算手段と、
前記誘導電圧演算手段が求めた前記誘導電圧に基づいて、前記対応するインバータの出力電流と前記出力電圧との位相が予め与えられた条件を満たす運転条件を求め、対応する前記運転条件設定手段の設定値を変える設定値変更手段と、
を有することを特徴とする誘導加熱システム。
記