JP5602503B2 - 誘導溶解炉の制御装置 - Google Patents

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の制御装置に関する。

従来、この種の誘導溶解炉の制御装置としては、下記特許文献１および２に示すように、順変換器と逆変換器とが並列共振型回路（電流型回路）を構成する電力変換部と、電力変換部の出力力率を検出し、検出された力率から電力変換部の周波数を制御することにより出力力率を所望の値に制御する制御装置が知られている。

特開昭６０−８４７８９号公報 特開昭６０−１８０４７８号公報

しかしながら、従来の誘導溶解炉の制御装置では、電力変換部が並列共振型回路（電流型回路）に構成されることにより、順変換器の位相制御によって出力調整可能に構成されるものの、この特性上、出力を小さくするほど力率が１より小さくなり、高力率を実現できないという問題がある。

特に、誘導溶解炉では、被溶解材の加熱調整のためには、広範囲で出力電圧を制御することが求められるが、電力変換部が並列共振型回路（電流型回路）に構成された従来の誘導溶解炉の制御装置では、出力を小さくした場合の力率をある程度は改善することができるものの、回路構成の特性上この問題を根本的に解決することは困難であった。

一方、このような回路の特性を解決するために、電力変換部を直列共振型回路（電圧型回路）に構成することも考えられるが、逆変換器をフルブリッジ式とした場合には、回路構成が複雑となり（回路部品の点数が増え）コストが嵩むという問題があり、逆変換器をハーフブリッジ式とした場合には、出力を小さく制御した場合に、無効電流が発生して電力損失が生じるという問題がある。

以上の事情に鑑みて、本発明は、簡易な回路構成で、出力を小さくした場合にも高力率を維持して電力損失が生じることを抑制することができる誘導溶解炉の制御装置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、本発明は、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加熱材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、
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ハーフブリッジ式の逆変換器とが直列共振型回路を構成する電力変換部と、
前記電力変換部の出力力率を検出する力率検出部と、
前記力率検出部を介して検出される出力力率が１となる周波数で且つ前記電力変換部の出力電圧が目標電圧となるパルス幅の、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、基準周波数生成部と、電圧制御発振器と、分周器とを有し、該基準周波数生成部により基準周波数を与え、該基準周波数に対して前記力率検出部により検出された出力力率に応じた値を加減させた制御周波数を生成し、該制御周波数を発振周波数とするパルス列を該電圧制御発振器により生成し、該パルス列を該分周器により分周し、分周した値を前記第１および第２スイッチング素子の出力基準信号に加減させることにより該第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ことを特徴とする。

本発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、制御信号生成部により逆変換器の第１および第２スイッチング素子の制御信号を前記電力変換部の出力電圧が目標電圧となるパルス幅にすることで、電力変換部の出力電圧を可変させることができる。さらに、制御信号生成部により逆変換器の第１および第２スイッチング素子の制御信号を電力変換部の出力力率が１となる周波数にすることで、電力変換部の出力電圧に拘らず、高力率を維持することができ、出力電圧を小さくした場合にも高力率を維持して無効電流が発生して電力損失が生じることを抑制することができる。

これにより、直列共振型回路（電圧型回路）の電力変換部において、逆変換器を回路構成が簡単なハーフブリッジ式に構成した場合に、出力を小さくしても高力率を維持して電力損失が生じることを抑制することができる。

誘導溶解炉の制御装置の構成を示す全体構成図。 制御回路の構成を示す説明図。 制御回路による処理内容を示す説明図。 制御角を変化させた場合の出力力率と出力電圧実効値との関係を示す説明図。

図１を参照して、本実施形態の誘導溶解炉の制御装置について説明する。誘導溶解炉は、溶解炉内に収納された被加熱材Ｘを溶解させるものである。

具体的に、誘導溶解炉の制御装置は、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、制御回路（コントローラ）１０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、定格の交流電源であって、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、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。

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加熱材Ｘにうず電流を発生させ、うず電流により金属材料間に発生するジュール熱で被加熱材Ｘを昇温させて溶解させる。

制御回路１０は、誘導溶解炉の運転・停止、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、具体的に制御回路１０は、力率検出部１１と、ＰＬＬ制御部１２とを備える。

力率検出部１１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（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（ｅ）とから、高周波整合装置５から出力される交流電流・電圧の出力力率を算出する。

ＰＬＬ制御部１２は、基準周波数生成部１３と、電圧制御発振器１４と、分周器１５とを備え、力率検出部１１により算出された出力力率に基づいて、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号を生成する。

具体的には、基準周波数生成部１３により基準周波数を与えられ、この基準周波数に対して、力率検出部１１により検出された出力力率に応じた値を加減させた周波数（制御周波数）を生成する。そして、この制御周波数を発振周波数とするパルス列を電圧制御発振器１４により生成し、このパルス列を分周器１５により分周することで、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂのそれぞれの制御信号を生成する。

なお、このときのＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂは、制御信号は、出力基準信号にＰＬＬ制御部１２により生成された制御信号を加減させた値を用いる。このときの出力基準信号は、直流電圧検出器４５の出力値である順変換器４１ａ，４１ｂの出力側の直流電圧（ａ）と、直流電流検出器４６の出力値である順変換器４１ａ，４１ｂの出力側の直流電流（ｂ）とを積算した入力電力を一定に制御するための所定の基準信号である。

このようにして生成されたＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御信号（ゲート信号）と、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（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（ｅ）との関係を図３に示す。

図３（ａ）は、力率検出部１１を介して出力力率が１となるように、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御信号（ゲート信号）を生成した場合の電流検出器５２の出力値である高周波整合装置５の出力電流（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（ｅ）との関係を示す。

一方、図３（ｂ）は、力率検出部１１を介して出力力率が１となる制御を施さずに、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御信号（ゲート信号）を生成した場合の電流検出器５２の出力値である高周波整合装置５の出力電流（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（ｅ）との関係を示す。

なお、より正確には、図３（ｂ）は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御信号（ゲート信号）に対して、出力電圧が遅れ力率となる場合を示している。

図３（ａ）と図３（ｂ）を比較すると、図３（ａ）に示すように、出力力率が１となる制御を施した場合には、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御信号（ゲート信号）に対して、これに対応する正規の電圧と共にその両端に出力電流に応じた電圧（図中斜線部）が等しい幅で出現する。

これに対して、図３（ｂ）に示すように、出力力率が１となる制御を施さない場合には、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御信号（ゲート信号）に対して、これに対応する正規の電圧が遅れて出現すると共に、その両端に出現する出力電流に応じた電圧部分（図中斜線部）も左右で不均一となる。そのため、図中に示す領域では、無効電流が生じる。

このような無効電流は、出力を小さくした場合に顕著に現れるものであるが、力率検出部１１を介して出力力率が１となるようにＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂのそれぞれの制御信号を生成することで、出力を小さくしても高力率を維持して電力損失が生じることを抑制することができる。

具体的に、発生する無効電流について、制御角と出力電圧（ｅ）との関係を図４に示す。なお、この制御角が、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御信号（ゲート信号）のパルス幅であり、出力電圧（ｅ）の大きさに対応したものである。

図４では、制御角を横軸として、出力電圧（ｅ）の実効値を縦軸として、出力力率を０．７〜１．０の範囲で変化させた様子を示す。

出力力率が０．７に対して、力率を１に近づけることで、制御角を小さくした場合にも無効電流の発生を抑制することができ、出力を制御角に応じて確実に小さくさせることができる。

以上説明したように、本実施形態の誘導溶解炉の制御装置によれば、直列共振型回路（電圧型回路）の電力変換装置４において、逆変換器４２ａ，４２ｂを回路構成が簡単なハーフブリッジ式に構成した場合に、出力を小さくしても高力率を維持して電力損失が生じることを抑制することができる。

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（コントローラ）、１１…力率検出部、１２…ＰＬＬ制御部（制御信号生成部）、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、Ｘ…被加熱材。

Claims (1)

1. 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加熱材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、
   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ハーフブリッジ式の逆変換器とが直列共振型回路を構成する電力変換部と、
   前記電力変換部の出力力率を検出する力率検出部と、
   前記力率検出部を介して検出される出力力率が１となる周波数で且つ前記電力変換部の出力電圧が目標電圧となるパルス幅の、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、基準周波数生成部と、電圧制御発振器と、分周器とを有し、該基準周波数生成部により基準周波数を与え、該基準周波数に対して前記力率検出部により検出された出力力率に応じた値を加減させた制御周波数を生成し、該制御周波数を発振周波数とするパルス列を該電圧制御発振器により生成し、該パルス列を該分周器により分周し、分周した値を前記第１および第２スイッチング素子の出力基準信号に加減させることにより該第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ことを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。

Images