JP5353228B2 - 誘導加熱電源の制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、加熱コイルとコンデンサとからなる直列共振回路を電力変換回路の出力端に接続し、該電力変換回路を制御することにより前記加熱コイル上の被加熱物に所望の誘導加熱電力を供給する誘導加熱電源の制御方法に関する。

図７は、この種の誘導加熱電源の従来例を示す回路構成図である。

この図において、１は整流電源などの直流電源、２は電力変換回路であり、この電力変換回路２はＩＧＢＴＱ１とダイオードＤ１の逆並列回路およびＩＧＢＴＱ２とダイオードＤ２の逆並列回路からなる第１アームと、ＩＧＢＴＱ３とダイオードＤ３の逆並列回路およびＩＧＢＴＱ４とダイオードＤ４の逆並列回路からなる第２アームとをブリッジ接続した構成である。また、電力変換回路２の出力端にはインダクタンス成分３ａと抵抗成分３ｂからなる加熱コイル３およびコンデンサ４で構成される直列共振回路が接続され、この抵抗成分３ｂには加熱コイル３上の図示しない被加熱物の等価抵抗分も含まれている。さらに、電流検出器５は電力変換回路２の出力電流（Ｉ）を、電圧検出器６は電力変換回路２の出力電圧（Ｖ）をそれぞれ検出するために備えている。

また図７において、電力変換回路２を介して加熱コイル３上の前記被加熱物に所望の誘導加熱電力を供給する制御を行う制御回路１０には、加算演算器１１と電力制御回路１２と加算演算器１３と電流制御回路１４とパルス生成回路１５とゲート駆動回路１６と電力演算回路１７と監視回路１８とを備えている。

すなわち制御回路１０では、外部から指令される電力指令値と、電流検出器５からの電流検出値と電圧検出器６からの電圧検出値とが入力された電力演算回路１７で得られる電力変換回路２が出力する誘導加熱電力に対応した電力検出値との偏差を加算演算器１１で求め、この偏差を零にするための調節演算を電力制御回路１２で行い、この調節演算結果は電流指令値として出力される。この電流指令値と、電流検出器５で得られる電力変換回路２の出力電流（Ｉｏ）に対応した電流検出値との偏差を加算演算器１３で求め、この偏差を零にするための調節演算を電流制御回路１４で行い、この調節演算結果は電力変換回路２の周波数指令値として出力される。この周波数指令値が入力されるパルス生成回路１５では該周波数指令値に対応した方形波状の周波数を発生させ、さらに、この周波数に基づいてＩＧＢＴＱ１〜Ｑ４それぞれへのパルス状のオン，オフ信号を生成し、これらのオン，オフ信号はゲート駆動回路１６により、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ４それぞれへのゲート駆動信号に変換される。

なお、上述の制御回路１０に備えるそれぞれの制御要素は、全て周知の技術を用いて形成されている。

図８は、図７に示した回路構成の誘導加熱電源の動作を説明する波形図である。

この図からも明らかなように、電力変換回路２は、通常、遅れ力率となるように制御される。このとき、負荷としての直列共振回路のＱが大きく、出力電流波形がほぼ正弦波の場合、前記負荷に供給される有効電力、すなわち前記被加熱物への誘導加熱電力Ｐは、出力電圧実効値をＶｏ、出力電流実効値をＩｏ、出力電圧と出力電流間の位相差、すなわち遅れ力率角をγとすれば、下記数１式で表され、電力演算回路１７での演算式である。
［数１］
Ｐ＝Ｋ×Ｖｏ×Ｉｏ×ｃｏｓγ
ここで、Ｋは係数である。

さらに、図８には、上述の如く出力電圧と出力電流間の位相差（γ）を有するときの第１上アーム（ＩＧＢＴＱ１とダイオードＤ１の逆並列回路）および第２下アーム（ＩＧＢＴＱ４とダイオードＤ４の逆並列回路）の電圧，電流の波形と、第１下アーム（ＩＧＢＴＱ２とダイオードＤ２の逆並列回路）および第２上アーム（ＩＧＢＴＱ３とダイオードＤ３の逆並列回路）の電圧，電流の波形とが示されている。
特開２００４−２５３２９７号公報

図７に示した従来の誘導加熱電源においては、この誘導加熱電源の動作を保護するために、制御回路１０を構成する監視回路１８では、パルス生成回路１５で導出される電力変換回路２の出力電圧推定値と、電流検出器５を介して得られる電力変換回路２の出力の電流検出値との位相差を監視し、この位相差が所定値を超えた状態になったときには、加熱コイル３上の図示しない被加熱物への誘導加熱電力が許容範囲外であるとして、パルス生成回路１５を介して電力変換回路２の動作を停止させていた。

しかしながら、上述の監視回路１８では、電力変換回路２を形成するＩＧＢＴのスイッチング損失の増大による保護が考慮されていない。また、加熱コイル３上の前記被加熱物への誘導加熱電力が前記許容範囲外にあっても、電力変換回路２を形成するＩＧＢＴのスイッチング損失が許容範囲内であれば、電力変換回路２の動作の継続が望まれる。

この発明の目的は、上記問題点を解消する誘導加熱電源の制御方法を提供することにある。

この第１の発明は、加熱コイルとコンデンサとからなる直列共振回路を電力変換回路の出力端に接続し、該電力変換回路を制御することにより前記加熱コイル上の被加熱物に所望の誘導加熱電力を供給する誘導加熱電源において、
前記電力変換回路の出力電圧と出力電流間の位相差（γ）の正弦値（ｓｉｎγ）と、前記出力電流の尖頭値との積を求め、さらに、この積と前記電力変換回路の出力周波数値との乗算演算値を求め、この乗算演算値を前記電力変換回路に備える半導体スイッチング素子のターンオフ時の単位時間当たりのスイッチング損失値に対応する値とし、このスイッチング損失値に対応する値が所定の値を超えたときに、前記誘導加熱電力を制限するか、又は前記電力変換回路の動作を停止することを特徴とする制御方法を行う。

また第２の発明は前記誘導加熱電源において、
前記電力変換回路の出力電流の２乗演算値と該電力変換回路の出力電力の２乗演算値との差を求め、さらに、この差に基づいた平方根を求め、この平方根を前記電力変換回路に備える半導体スイッチング素子のターンオフ時の１回当たりのスイッチング損失値に対応する値とし、このスイッチング損失値に対応する値が前記電力変換回路の出力周波数値の反比例値に基づく値を超えたときに、前記誘導加熱電力を制限するか、又は前記電力変換回路の動作を停止することを特徴とする制御方法を行う。

この発明によれば、誘導加熱電源を形成する電力変換回路における半導体スイッチング素子のスイッチング損失の増大を監視し、この損失が許容範囲内であれば、該誘導加熱電源の運転を継続させるようにすることで、従来の誘導加熱電源よりも運転範囲を広くすることが可能になる。

図１は、この発明の第１の実施例を示す誘導加熱電源の回路構成図であり、この図において、図７に示した従来例構成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。

すなわち、図１に示した誘導加熱電源では、制御回路１０に代えて制御回路２０が備えられ、この制御回路２０には電力指令制限回路２１と監視回路２２とが付加され、出力電圧推定値のみを出力するパルス生成回路１５ａに置き換えられている。

図２は、図１に示した監視回路２２の詳細回路構成図であり、この監視回路２２は正弦値演算回路２２ａと、ピーク値検出回路２２ｂと、乗算演算器２２ｃ，２２ｄと、比較器２２ｅとから形成されている。

すなわち監視回路２２では、パルス生成回路１５で導出される電力変換回路２の出力電圧推定値と、電流検出器５を介して得られる電力変換回路２の出力の電流検出値との位相差γ（図８参照）を計測し、この位相差の正弦値ｓｉｎγを正弦値演算回路２２ａで求め、
電流検出器５を介して得られる前記電流検出値の尖頭値（Ｉｐ）をピーク値検出回路２２ｂにより求め、乗算演算器２２ｃによる尖頭値とｓｉｎγとの乗算演算値Ｉｐ・ｓｉｎγ（図８参照）は、電力変換回路２を形成するＩＧＢＴのターンオフ時の電流値（図８参照）を示し、このときのスイッチング損失値に対応した値と見做せる。

従って、乗算演算器２２ｄによるＩｐ・ｓｉｎγと電流制御回路１４から得られる周波数指令値との乗算演算値は、前記ＩＧＢＴの単位時間当たりスイッチング損失値に対応した値を示している。そこで、比較器２２ｅでは前記単位時間当たりスイッチング損失値が前記ＩＧＢＴの許容する設定値を超えたか否かを監視し、該設定値を超えたときには監視出力を外部に伝達する。

すなわち図１に示した誘導加熱電源では、監視回路２２から監視出力が発せられると、電力指令制限回路２１により、外部から指令される電力指令値を制限した電力設定値を出力し、電力演算回路１７で得られる電力変換回路２が出力する誘導加熱電力が該電力設定値に対応した値となり、従って、電力変換回路２が出力する電流も減少し、その結果、前記ＩＧＢＴのスイッチング損失の増大を監視しつつ、該誘導加熱電源の運転を継続することが可能になる。

図３は、この発明の第２の実施例を示す誘導加熱電源の回路構成図であり、この図において、図７に示した従来例構成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。

すなわち、図３に示した誘導加熱電源では、制御回路１０に代えて制御回路２３が備えられ、この制御回路２３では監視回路１８が前述の監視回路２２に置き換えられている。

従って、図３に示した誘導加熱電源では、監視回路２２から監視出力が発せられると、電力変換回路２を形成するＩＧＢＴのターンオフ時の損傷を防止するために、パルス生成回路１５を介して電力変換回路２の動作を停止させている。

図４は、この発明の第３の実施例を示す誘導加熱電源の回路構成図であり、この図において、図１に示した実施例構成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。

すなわち、図４に示した誘導加熱電源では、制御回路２０に代えて制御回路３０が備えられ、この制御回路３０では監視回路２２が監視回路３１に、パルス生成回路１５ａがパルス生成回路１５ｂにそれぞれ置き換えられている。

図５は、図４に示した監視回路３１の詳細回路構成図であり、この監視回路３１は２乗演算回路３１ａ，３１ｂと、加算演算器３１ｃと、平方根演算回路３１ｄと、反比例演算器３１ｅと、比較器３１ｆとから形成されている。

この監視回路３１の動作を以下に説明する。

電力変換回路２を形成するＩＧＢＴのターンオフ時のスイッチング損失値に対応した先述の値Ｉｐ・ｓｉｎγを導出するために、前記数１式を変形して、下記数２を得る。
［数２］
ｃｏｓγ＝Ｐ／（Ｋ×Ｐｏ×Ｉｏ）
また、上記Ｉｐ・ｓｉｎγを下記のように変形し、上記数２式を代入すると、下記数３式を得る。

[数３］
Ｉｐ・ｓｉｎγ＝２ ^１／２ ×Ｉｏ×（１−ｃｏｓ^２γ）^１／２
＝２ ^１／２ ×Ｉｏ×〔１−｛Ｐ／（Ｋ×Ｖｏ×Ｉｏ）｝^２〕^１／２
＝２ ^１／２ ×〔Ｉｏ^２−｛Ｐ／（Ｋ×Ｖｏ）｝^２〕^１／２
すなわち、監視回路３１においては、電流検出器５を介して得られた電力変換回路２の出力の電流検出値が入力される２乗演算回路３１ａでは右辺第１項を求め、電力演算回路１７で導出された電力検出値が入力される２乗演算回路３１ｂでは右辺第２項を求め、また、加算演算器３１ｃでは右辺第１項から右辺第２項を減算した値を求めている。

さらに、加算演算器３１ｃの演算出力値に平方根演算回路３１ｄを介することにより、上記数３式の値を導出することができる。

上記数３式の値は、電力変換回路２を形成するＩＧＢＴのターンオフ時における１回当たりのスイッチング損失値に対応した値であることから、電流制御回路１４から得られる周波数指令値の反比例値を反比例演算器３１ｅで求め、比較器３１ｆでは平方根演算回路３１ｄの出力値が前記反比例値を超えたか否かを監視し、超えたときには監視出力を外部に伝達する。

すなわち図４に示した誘導加熱電源では、監視回路３１から監視出力が発せられると、電力指令制限回路２１により、外部から指令される電力指令値を制限した電力設定値を出力し、電力演算回路１７で得られる電力変換回路２が出力する誘導加熱電力が該電力設定値に対応した値となり、従って、電力変換回路２が出力する電流も減少し、その結果、前記ＩＧＢＴのスイッチング損失の増大を監視しつつ、該誘導加熱電源の運転を継続することが可能になる。

図６は、この発明の第４の実施例を示す誘導加熱電源の回路構成図であり、この図において、図７に示した従来例構成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。

すなわち、図６に示した誘導加熱電源では、制御回路１０に代えて制御回路３２が備えられ、この制御回路３２では監視回路１８が前述の監視回路３１に、また、出力電圧推定値のみを出力するパルス生成回路１５ｃにそれぞれ置き換えられている。

従って、図６に示した誘導加熱電源では、監視回路３１から監視出力が発せられると、電力変換回路２を形成するＩＧＢＴのターンオフ時の損傷を防止するために、パルス生成回路１５ｃを介して電力変換回路２の動作を停止させている。

この発明の第１の実施例を示す誘導加熱電源の回路構成図 図１の部分詳細回路構成図 この発明の第２の実施例を示す誘導加熱電源の回路構成図 この発明の第３の実施例を示す誘導加熱電源の回路構成図 図４の部分詳細回路構成図 この発明の第４の実施例を示す誘導加熱電源の回路構成図 従来例を示す誘導加熱電源の回路構成図 図７の動作を説明する波形図

１…直流電源、２…電力変換回路、３…加熱コイル、４…コンデンサ、５…電流検出器、６…電圧検出器、１０，２０，２３、３０，３２…制御回路、１１，１３…加算演算器、１２…電力制御回路、１４…電流制御回路、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…パルス生成回路、１６…ゲート駆動回路、１７…電力演算回路、１８，２２，３１…監視回路、２１…電力指令制限回路。

Claims (2)

1. 加熱コイルとコンデンサとからなる直列共振回路を電力変換回路の出力端に接続し、該電力変換回路を制御することにより前記加熱コイル上の被加熱物に所望の誘導加熱電力を供給する誘導加熱電源において、
   前記電力変換回路の出力電圧と出力電流間の位相差（γ）の正弦値（ｓｉｎγ）と、前記出力電流の尖頭値との積を求め、さらに、この積と前記電力変換回路の出力周波数値との乗算演算値を求め、この乗算演算値を前記電力変換回路に備える半導体スイッチング素子のターンオフ時の単位時間当たりのスイッチング損失値に対応する値とし、このスイッチング損失値に対応する値が所定の値を超えたときに、前記誘導加熱電力を制限するか、又は前記電力変換回路の動作を停止することを特徴とする誘導加熱電源の制御方法。
2. 加熱コイルとコンデンサとからなる直列共振回路を電力変換回路の出力端に接続し、該電力変換回路を制御することにより前記加熱コイル上の被加熱物に所望の誘導加熱電力を供給する誘導加熱電源において、
   前記電力変換回路の出力電流の２乗演算値と該電力変換回路の出力電力の２乗演算値との差を求め、さらに、この差に基づいた平方根を求め、この平方根を前記電力変換回路に備える半導体スイッチング素子のターンオフ時の１回当たりのスイッチング損失値に対応する値とし、このスイッチング損失値に対応する値が前記電力変換回路の出力周波数値の反比例値に基づく値を超えたときに、前記誘導加熱電力を制限するか又は前記電力変換回路の動作を停止することを特徴とする誘導加熱電源の制御方法。
   

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