JP5079865B2

JP5079865B2 - 誘導溶解炉

Info

Publication number: JP5079865B2
Application number: JP2010272726A
Authority: JP
Inventors: 敏之渡辺
Original assignee: Kitashiba Electric Co Ltd
Current assignee: Kitashiba Electric Co Ltd
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-12-07
Also published as: JP2012123978A

Description

炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉に関する。

従来、この種の誘導加熱装置としては、下記特許文献１に示すように、順変換器と逆変換器とが直列共振型回路（電圧型回路）を構成する電力変換部を備え、該電力変換部の出力周波数を予め設定されたプログラムに従って、該直列共振型回路の共振周波数よりも高く設定された起動周波数から共振周波数に向かって低減させる制御装置を備えるものが知られている。（下記特許文献１における請求項１参照）。

特開平３−１９００８２号公報

ここで、誘導溶解炉においては、被溶解材の溶解状態により負荷インピーダンスが経時変化するところ、従来の誘導加熱装置では予め設定されたプログラムに従って、電力変換部の出力周波数を起動周波数から共振周波数に向かって低減させるものである。

そのため、負荷インピーダンスに応じて電力変換部の出力周波数を最適に制御することができず、溶解時間の短縮を図ることが困難であった。

以上の事情に鑑みて、本発明は、負荷インピーダンスに応じて電力変換部の出力周波数を最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる誘導溶解炉を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１発明の誘導溶解炉は、
炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉であって、
順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器とが直列共振型回路を構成する電力変換部と、
前記加熱コイルへの電力の供給状態から負荷インピーダンスを検出する負荷インピーダンス検出部と、
前記第１および第２スイッチング素子に対する制御信号を生成する制御信号生成部と
を備え、
前記制御信号生成部は、前記第１および第２スイッチング素子に対する制御信号として、
被溶解材の溶解開始から、前記負荷インピーダンス検出部を介して検出される負荷インピーダンスが上昇して前記加熱コイルに過電流が流れ難くなる第１閾値となる第１段階において、予め設定された初期周波数から周波数を低下させて第１周波数とする制御信号を生成し、
前記負荷インピーダンスが上昇して第１閾値となった後、被溶解材の溶解終了までの第２段階において、前記第１周波数から前記加熱コイル側の負荷共振周波数に等しい第２周波数に低下させると共に該第２周波数に維持する制御信号を生成することを特徴とする。

第１発明の誘導溶解炉によれば、負荷インピーダンス検出部により負荷インピーダンスを検出し、検出した負荷インピーダンスに基づいて、第１および第２スイッチング素子に対する制御信号を次のように生成する。

負荷インピーダンスが比較的小さい第１段階では、負荷インピーダンスが上昇して加熱コイルに過電流が流れ難くなる第１閾値となるのに合わせて、予め設定された初期周波数から周波数を低下させて出力周波数を第１周波数とする。これにより、加熱コイルに過電流が流れることを防止しつつ、負荷インピーダンスに応じて電力変換部の出力周波数を最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる。

次に、負荷インピーダンスが被溶解材の溶解状態に応じて変化する第２段階では、負荷インピーダンスの上昇に合せて、第１周波数から前記加熱コイル側の負荷共振周波数に等しい第２周波数に低下させ、その負荷インピーダンスが下降して一定値となり溶解終了となるまでの間、第２周波数に維持する制御信号を生成する。これにより、負荷インピーダンスの上昇に合わせて、出力周波数が最大出力となる第２周波数に変化させてこれを維持することができ、負荷インピーダンスに応じて電力変換部の出力周波数を最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる。

第２発明の誘導溶解炉は、第１発明において、
前記電力変換部の出力電流および出力電圧からこれらの位相差を検出する位相差検出部を備え、
前記制御信号生成部は、前記第２段階において、前記位相差検出部により検出された位相差から、前記第１および第２スイッチング素子に対する制御信号が前記第２周波数よりも低下することを防止することを特徴とする。

第２発明の誘導溶解炉によれば、電力変換部の出力電流および出力電圧からのこれらの間の位相差を検出することで、第１および第２スイッチング素子に対する制御信号が第２周波数よりも低下すること防止することができ、第２段階において、負荷インピーダンスに応じて電力変換部の出力周波数を最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる。

誘導溶解炉の構成を示す全体構成図。制御回路の構成を示す説明図。コントローラによる処理内容を示す説明図。

図１を参照して、本実施形態の誘導溶解炉について説明する。

誘導溶解炉は、溶解炉内に収納された被溶解材Ｘを溶解させるものであり、具体的には、電源１と、高圧受電盤２と、変換装置用変圧器３と、電力変換装置４と、高周波整合装置５と、誘導加熱装置６と、コントローラ１００とを備える。

なお、電力変換装置４および高周波整合装置５が本発明の電力変換部に相当する。

電源１は、交流電源であって、高圧受電盤２に接続されている。

高圧受電盤２は、誘導加熱装置６への電源通電・停止と故障発生時の電源遮断を行う装置であって、パワーヒューズ２ａと遮断機２ｂとを備える。パワーヒューズ２ａは、短絡事故時に電流遮断する手段であって、遮断機２ｂは、電源の通電と停止に伴う開閉動作を行う。

変換装置用変圧器３は、高圧受電盤２に接続され、電力変換装置４への入力電圧が所定の値となるように調整する。

電力変換装置４は、変換装置用変圧器３に接続され、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源から任意の高周波電流を生成するための装置であって、制御回路１０と、交流/直流変換器である順変換器４１ａ，４１ｂと、直流/交流変換器である逆変換器４２ａ，４２ｂとを備え、制御回路１０からの出力制御信号により制御される。

具体的に、電力変換装置４は、入力側にダイオード式順変換器４１ａ，４１ｂを備え、出力側にＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂを備え、順変換器４１ａ，４１ｂにはそれぞれ直列に平滑用リアクトル４３ａ，４３ｂが接続されると共に、順変換器４１ａ，４１ｂに並列に平滑用コンデンサ４４ａおよび４４ｂが接続される。

さらに、電力変換装置４は、順変換器４１ａ，４１ｂの出力側の直流電圧を検出して直流電圧信号（ａ）を出力する直流電圧検出器４５と、直流電流を検出して直流電流信号（ｂ）を出力する直流電流検出器４６とを備え、直流電圧検出器４５および直流電流検出器４６の出力値は、制御回路１０に出力される。

なお、制御回路１０による電力変換装置４の制御内容については詳細を後述する。

高周波整合装置５は、電力変換装置４と誘導加熱装置６との間に設けられて、誘導加熱装置６が低力率であるため負荷力率を改善する。

具体的に、高周波整合装置５は、共振用コンデンサ５１ａ，５１ｂと、高周波整合装置５の出力電流を検出して出力電流信号（ｄ）を出力する電流検出器５２および出力電圧を検出して出力電圧信号（ｅ）を出力する電圧検出器５３等から構成される。

共振用コンデンサ５１ａおよび５１ｂには、それぞれ並列に、調整用コンデンサ５１ａｃおよび５１ｂｃが設けられる。調整用コンデンサ５１ａｃおよび５１ｂｃには、それぞれコンタクタ５１ａｄおよび５１ｂｄが設けられており、コンタクタ５１ａｄおよび５１ｂｄにより、調整用コンデンサ５１ａｃおよび５１ｂｃが共振用コンデンサ５１ａおよび５１ｂに並列接続される。調整用コンデンサ５１ａｃおよび５１ｂｃにより、負荷共振回路の共振周波数よりも十分に低い発振周波数を電力変換装置４から出力した場合にも、負荷共振回路の無効電力の増大を防止することができる。

誘導加熱装置６は、電力変換装置４と高周波整合装置５とから供給される高周波電流を加熱コイル６１に通電させることにより、溶解炉本体内に収納された被溶解材Ｘにうず電流を発生させ、うず電流により発生するジュール熱で被溶解材Ｘを加熱溶解させる。

コントローラ１００は、制御誘導溶解炉の運転・停止を始めとする誘導溶解炉の運転の全般を制御する。

次に、説明を後回しにした制御回路１０について、図２を参照して説明する。

制御回路１０は、主に、出力調整等の制御を行うと共に、誘導溶解炉の制御装置として出力力率を検出する力率検出部、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号生成部としての機能を備える。

図２に示すように、制御回路１０は、電圧一定制御回路１１（AVR(Automatic Voltage Regulator)）と、電流一定制御回路１２（ACR(Automatic Current Regulator)）と、電力一定制御回路１３（APR(Automatic Power Regulator)）と、遅れ優先回路１４と、力率制御回路１５と、γ制御回路１６（本発明の位相差検出部に相当する）と、基準周波数保持回路１７と、電圧制御発振回路１８と、フリップフロップ１９とを備える。

電圧一定制御回路１１は、共振用コンデンサ５１ａおよび５１ｂの電圧Vfが過電圧の場合に周波数調整を行うものである。

電流一定制御回路１２は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの電流Ioが電流の場合に周波数調整を行うものある。

電力一定制御回路１３は、電力基準Prefによって直流電流Idc（ａ）と直流電圧Vdc（ｂ）との乗算値が一定になるように制御するものである。

そして、これら電圧一定制御回路１１、電流一定制御回路１２および電力一定制御回路１３の調整値が遅れ優先回路１４を介して、周波数基準Frefに対して加減する。

なお、周波数基準Frefの決め方についてはその詳細を後述する。

力率制御回路１５は、電流検出器５２の出力値である高周波整合装置５の出力電流信号Io（ｄ）と、電圧検出器５３の出力値である高周波整合装置５の出力電圧信号Vf（ｅ）とから、高周波整合装置５から出力される交流電流・電圧の出力力率が常に１となるように制御する。

γ制御回路１６は、電力変換装置４の出力周波数を高周波数から低周波数に向って変化させた場合に、（これに対応して変化する出力が負荷共振周波数までは出力が上昇するが、それを過ぎると出力が下降する特性があるので）出力が下降し始めたことを検出する。具体的には、電流型インバータの転流余裕時間γに相当するγ信号によってスイッチSW1をオフすることで、電力変換装置４の周波数変化を防止する。

そして、これら力率制御回路１５およびγ制御回路１６の調整値も、周波数基準Frefに対して加減する。

基準周波数保持回路１７は，その出力信号をもとに，電力変換装置４の出力周波数を決定し、電圧制御発振回路１８は，基準周波数保持回路１７の信号を基に発振周波数を確定すること共に、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂのゲート制御を行うための信号(極性検出信号，READ信号，RESET信号)を出力する。そして、この出力信号をフリップフロップ１９を介してＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂのＯＮ／ＯＦＦ信号に変換する。

次に、説明を後回しにした周波数基準Frefの決め方について図３を参照して説明する。

周波数基準Frefは、コントローラ１００により負荷インピーダンス［％Ｒ］に応じて、次のように決定される。なお、負荷インピーダンス［％Ｒ］は、コントローラ１００において、電力変換装置４の出力電力Poおよび出力電圧Voから算出される（％Ｒ＝Vo²／Po）。

まず、被溶解材の溶解開始から負荷インピーダンスが上昇して第１閾値となる第１段階では、周波数基準Frefを、初期周波数ｆ_０から周波数を低下させて第１周波数ｆ_１とする。

ここで、第１段階を規定する負荷インピーダンスの第１閾値は、加熱コイル６１に過電流が流れ難くなる値であって、負荷共振周波数のときに定格インピーダンスとなる１００［％Ｒ］になるため、これよりも５０％以上高い負荷インピーダンスになるように決定される。なお、本実施形態で、第１閾値は、負荷インピーダンスが１００［％Ｒ］に設定されている。

初期周波数ｆ_０は、負荷インピーダンスが極小であっても加熱コイル６１に過電流が流れないように予め設定される。一方、第１周波数ｆ_１は、負荷インピーダンスの第１閾値である１００［％Ｒ］に対応して，５０％以上高い周波数になるように決定される周波数である。

そして、コントローラ１００は、溶解開始の負荷インピーダンスの初期値から第１閾値（１００［％Ｒ］）までの変化の割合に応じて、周波数基準Frefが第１閾値（１００［％Ｒ］）において第１周波数ｆ_１となるように決定する。

これにより、負荷インピーダンスが比較的小さい第１段階において、加熱コイル６１に過電流が流れることを防止しつつ、負荷インピーダンスに応じて電力変換部４の出力周波数を最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる。

次に、負荷インピーダンスが上昇して第１閾値となった後、被溶解材の溶解終了までの第２段階においては、周波数基準Frefを、第１周波数ｆ_１から加熱コイル６１側の負荷共振周波数に等しい第２周波数ｆ_２に低下させると共に該第２周波数ｆ_２に維持する。

このとき、コントローラ１００は、負荷インピーダンスの上昇割合に応じて、周波数基準Frefが負荷インピーダンスが最大値（本実施形態では１８０［％Ｒ］）において最大出力の第２周波数ｆ_２となるように決定する。

そして、コントローラ１００は、被溶解材の溶解終了まで、周波数基準Frefをこの最大出力の第２周波数ｆ_２に維持する。

このとき、たとえ第２周波数ｆ_２（周波数基準Fref）が、前記共振周波数を超えて低下した場合であっても、γ制御回路１６により力率制御回路１５の働きが遮断されることにより、（周波数基準Frefが共振周波数からずれても）、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御信号は共振周波数に維持される。

なお、コントローラ１００は、負荷インピーダンスの変化曲線に鑑みて、負荷インピーダンスが上昇して最大値（本実施形態では１８０［％Ｒ］）となるタイミング（ｔ_２）を予め予測し、その予測値（ｔ_２）に第２周波数ｆ_２となるように、周波数基準Frefを変化させるようにしてもよい。

これにより、負荷インピーダンスが被溶解材の溶解状態に応じて変化する第２段階においても、負荷インピーダンスの変化に合わせて、周波数基準Frefを最大出力となる第２周波数に変化させてこれを維持することができ、負荷インピーダンスに応じて電力変換部４の出力周波数を最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる。

最後に、コントローラ１００は、溶解終了後において、被溶解材の保温等が必要な場合にはこれに必要な出力となる周波数基準Frefに、また、保温等が不要な場合には周波数基準Frefを初期周波数ｆ_０に変化させた上で終了する。

以上が本実施形態の誘導溶解による被溶解材の溶解方法であり、負荷インピーダンスに応じて電力変換部の出力周波数を最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる。

なお、本実施形態では、コントローラ１００により、誘導溶解炉における制御処理の全般が実行される場合について説明したが、これに限定されるものでなく、コントローラ１００による処理の一部または全部がユーザにより実行されるようにしてもよい。

１…電源、２…高圧受電盤、３…変換装置用変圧器、４…電力変換装置、５…高周波整合装置、６…誘導加熱装置、１０…制御回路（制御信号生成部）、１６…γ制御回路（位相差検出部）、４１ａ，４１ｂ…ダイオード式順変換器、４２ａ，４２ｂ…ＩＧＢＴ式逆変換器、６１…加熱コイル、１００…コントローラ（制御信号生成部、負荷インピーダンス検出部）、Ｘ…被溶解材。

Claims

炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉であって、
順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器とが直列共振型回路を構成する電力変換部と、
前記加熱コイルへの電力の供給状態から負荷インピーダンスを検出する負荷インピーダンス検出部と、
前記第１および第２スイッチング素子に対する制御信号を生成する制御信号生成部と
を備え、
前記制御信号生成部は、前記第１および第２スイッチング素子に対する制御信号として、
被溶解材の溶解開始から、前記負荷インピーダンス検出部を介して検出される負荷インピーダンスが上昇して前記加熱コイルに過電流が流れ難くなる第１閾値となる第１段階において、予め設定された初期周波数から周波数を低下させて第１周波数とする制御信号を生成し、
前記負荷インピーダンスが上昇して第１閾値となった後、被溶解材の溶解終了までの第２段階において、前記第１周波数から前記加熱コイル側の負荷共振周波数に等しい第２周波数に低下させると共に該第２周波数に維持する制御信号を生成することを特徴とする誘導溶解炉。
請求項１記載の誘導溶解炉において、
前記電力変換部の出力電流および出力電圧からこれらの位相差を検出する位相差検出部を備え、
前記制御信号生成部は、前記第２段階において、前記位相差検出部により検出された位相差から、前記第１および第２スイッチング素子に対する制御信号が前記第２周波数よりも低下することを防止することを特徴とする誘導溶解炉。