JP5612518B2 - Induction heating apparatus, induction heating apparatus control method, and control program - Google Patents
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Description
本発明は、誘導加熱コイルに高周波電力を供給する逆変換装置を備える誘導加熱装置、誘導加熱装置の制御方法、及び制御プログラムに関する。 The present invention relates to an induction heating device including an inverse conversion device that supplies high-frequency power to an induction heating coil, a method for controlling the induction heating device, and a control program.
ビレット(鋳塊)に鍛造や圧延、押出しを行って種々の製品に仕上げる前には、例えば整定温度1250℃までビレットを加熱して軟化させる必要がある。単一コイルで、棒状のビレットを整定温度に保とうとすると、温度分布が不均一になるので、スタンバイ時、スタンバイ時〜通常加熱に移行する場合など、過渡時に所定温度にならない無駄焼き材が発生することがある。また、両端部を整定温度に保とうとすると、中央部が高温になり、炉自体が溶解することもある。そこで、誘導加熱コイルを複数に分割して、分割された誘導加熱コイルごとに個別に高周波電源(例えば、インバータ)を接続して電力制御を行う誘導加熱装置が用いられる。
ところが、分割された各々の誘導加熱コイルは、誘導加熱コイル間の温度低下を防止するために、互いに近接させているので、相互インダクタンスMが存在し、相互誘導電圧が発生する状態となる。そのため、各インバータは、相互インダクタンスMを介して並列運転される状態となり、インバータ相互間で電流位相にズレがある場合はインバータ相互間で電力の授受が生じることがある。すなわち、各インバータの電流位相のズレによって、分割された誘導加熱コイル間で磁界に位相差が生じるため、隣接する誘導加熱コイルの境界付近で磁界が弱まり、誘導加熱電力による発熱密度が低下する。その結果、被加熱物(ビレットやウェハ)の表面に温度ムラが生じるおそれがある。
Before a billet (ingot) is forged, rolled, or extruded to be finished into various products, it is necessary to heat and soften the billet to a settling temperature of 1250 ° C., for example. If you try to keep the rod-shaped billet at the set temperature with a single coil, the temperature distribution will be non-uniform, so there will be wasted fired material that does not reach the specified temperature during transition, such as when shifting from standby to standby to normal heating. There are things to do. Moreover, if it is going to keep both ends to a set temperature, a center part will become high temperature, and the furnace itself may melt | dissolve. In view of this, an induction heating apparatus is used in which the induction heating coil is divided into a plurality of parts, and a high frequency power source (for example, an inverter) is individually connected to each of the divided induction heating coils to perform power control.
However, since the divided induction heating coils are close to each other in order to prevent a temperature drop between the induction heating coils, the mutual inductance M exists and a mutual induction voltage is generated. For this reason, the inverters are in a state of being operated in parallel via the mutual inductance M, and when there is a deviation in the current phase between the inverters, power may be transferred between the inverters. That is, a phase difference occurs in the magnetic field between the divided induction heating coils due to the deviation of the current phase of each inverter. Therefore, the magnetic field is weakened near the boundary between adjacent induction heating coils, and the heat generation density due to the induction heating power is reduced. As a result, temperature unevenness may occur on the surface of the object to be heated (billette or wafer).
そこで、隣接する誘導加熱コイル間に相互インダクタンスMが存在して相互誘導電圧が生じる状況下でも、インバータ相互間に循環電流が流れないようにすると共に、分割された誘導加熱コイルの境界付近で発熱密度が低下しないようにして、誘導加熱電力の適正な制御を行うことが可能な「ゾーンコントロール誘導加熱(Zone Controlled Induction Heating:ZCIH)」の技術が発明者等によって提案された(例えば、特許文献1参照)。このZCIHの技術によれば、各電源ユニットは、それぞれ、降圧チョッパと電圧形インバータ(以下、単にインバータという)とを備えて構成されている。そして、複数の電力供給ゾーンに分割された各電源ユニットは、分割されたそれぞれの誘導加熱コイルに個別に接続されて電力供給を行っている。 Therefore, even if a mutual inductance M exists between adjacent induction heating coils and a mutual induction voltage is generated, circulating current does not flow between the inverters and heat is generated near the boundary of the divided induction heating coils. The inventors have proposed a “Zone Control Induction Heating (ZCIH)” technique capable of appropriately controlling induction heating power without lowering the density (for example, Patent Documents). 1). According to the ZCIH technology, each power supply unit is configured to include a step-down chopper and a voltage source inverter (hereinafter simply referred to as an inverter). And each power supply unit divided | segmented into the some power supply zone is connected individually to each divided | segmented induction heating coil, and is supplying electric power.
このとき、各電源ユニットにおけるそれぞれのインバータは、電流同期制御(つまり、電流位相の同期制御)され、各インバータに流れる電流位相を一致させることにより、複数のインバータ相互間に循環電流が流れないようにしている。言い換えると、複数のインバータ相互間で電流の授受を起こさないようにして、インバータに流れ込む回生電力によって過電圧が発生することのないようにしている。また、インバータは、分割されたそれぞれの誘導加熱コイルに流れる電流位相を一致させることにより、各誘導加熱コイルの境界付近で誘導加熱電力による発熱密度が急激に低下しないようにしている。 At this time, each inverter in each power supply unit is subjected to current synchronization control (that is, current phase synchronization control) so that the circulating current does not flow between a plurality of inverters by matching the current phase flowing through each inverter. I have to. In other words, current is not exchanged between a plurality of inverters so that an overvoltage is not generated by regenerative power flowing into the inverters. Moreover, the inverter is configured so that the heat generation density due to the induction heating power does not rapidly decrease near the boundary between the induction heating coils by matching the phase of the current flowing through each of the divided induction heating coils.
さらに、各降圧チョッパは、それぞれのインバータの入力直流電圧を可変することにより、各インバータの電流振幅制御を行い、各誘導加熱コイルに供給する誘導加熱電力の制御を行っている。すなわち、特許文献1に開示されたZCIHの技術は、各降圧チョッパごとに電流振幅制御を行うことにより、各ゾーンごとに誘導加熱コイルの電力制御を行い、各インバータの電流同期制御によって、複数のインバータ相互間の循環電流の抑制と、各誘導加熱コイルの境界付近での誘導加熱電力による発熱密度の均一化とを図っている。このようなZCIHの技術を用いて、降圧チョッパの制御系とインバータの制御系とが個別の制御を行うことで、被加熱物上の発熱分布を任意に制御することが可能となる。すなわち、特許文献1に開示されたZCIHの技術によって、急速かつ精密な温度制御、及び温度分布制御を行うことが可能となる。
Furthermore, each step-down chopper controls the current amplitude of each inverter by varying the input DC voltage of each inverter, and controls the induction heating power supplied to each induction heating coil. In other words, the ZCIH technology disclosed in
また、特許文献2には、複数の誘導加熱コイルに個別に接続したインバータに同時に直流電力を供給し、複数の誘導加熱コイルを同時に稼働させる技術が開示されている。具体的にこの技術は、直列共振回路に接続された各インバータからの出力電流のゼロクロスを検出し、各インバータの出力電流が負から正に変化するゼロクロスタイミングと、基準パルスの立ち上がりタイミングとを比較するようになっている。この技術は、比較により個別に算出される基準パルスからの位相差が0となるように、あるいは0に近づくように出力電流の周波数を調整することで各インバータの出力電流を同期させるものである。また、この技術は、各インバータの出力電流が同期した後には、インバータの出力電圧を増減させることで各誘導加熱コイルに流す電流の制御を行い、加熱対象物の温度分布の均一化を図るというものである。
特許文献1,2に記載のインバータは、加熱コイルと直列にコンデンサを接続し、電流共振逆変換装置を構成すると共に、各インバータにチョッパを接続することにより、ZVS(Zero Voltage Switching)を実現し、転流ダイオードのリカバリ損失を低減していた。
The inverters described in
特許文献1,2の技術は、各インバータの前段にチョッパを備えているので、装置が大がかりになるという問題があった。
また、従来のZCIHは、半導体用途であり、小型であるので、誘導加熱コイルのインダクタンスが小さく、高周波向きである。このため、運転周波数が比較的低周波で、きわめて大容量の金属分野ZCIHには適用困難である。
The techniques of
Further, the conventional ZCIH is used for semiconductors and is small, so the inductance of the induction heating coil is small and suitable for high frequencies. For this reason, it is difficult to apply to the metal field ZCIH having a relatively low operating frequency and an extremely large capacity.
ところで、ビレットは、キュリー点を超えるような温度上昇による磁性体から非磁性体への変化や、被加熱物の形状変化(空隙変化)に起因する位相角変化(位相角低下)があり、固有共振周波数が高くなると共に、共振電流が約3倍になる特性を有する。
冷材 HOT材 空芯コイル
等価抵抗 R(比率) 1 0.3 0.15 (約7倍)
インダクタンス L(μH) 118 84 110
By the way, the billet has a change from a magnetic material to a non-magnetic material due to a temperature rise exceeding the Curie point, and a phase angle change (phase angle decrease) due to a shape change (gap change) of an object to be heated. The resonance frequency is increased and the resonance current is approximately tripled.
Cold material HOT material Air-core coil equivalent resistance R (ratio) 1 0.3 0.15 (about 7 times)
Inductance L (μH) 118 84 110
誘導加熱コイルを複数に分割しない、1ゾーンで構成された一般の誘導加熱装置は、固有共振周波数に運転周波数を追随させて運転することができ、逆変換装置の出力矩形波電圧の立ち上がりタイミングと共振電流のゼロクロスタイミングとの位相差を最小にすることにより、力率を向上させる最小位相角運転を行うことができた。 A general induction heating device configured by one zone that does not divide the induction heating coil into a plurality of zones can be operated by following the operation frequency to the natural resonance frequency, and the rising timing of the output rectangular wave voltage of the inverse conversion device By minimizing the phase difference between the resonance current and the zero cross timing, the minimum phase angle operation that improves the power factor could be performed.
しかしながら、誘導加熱コイルを複数に分割した特許文献1,2の技術の場合、相互誘導電圧により、位相角が増大するので、すべてのゾーンで最小位相角制御を行うことができなかった。すなわち、最大出力電力を出さなければならないゾーンで、必要以上に大きな位相差になり、所定の出力電力を出せなくなる問題点があった。
固有共振周波数が変化するため、位相が変化し、常に位相遅れモードになる最小位相角にすることができないという問題があった。
However, in the case of the techniques of
Since the natural resonance frequency changes, there is a problem in that the phase changes and the minimum phase angle that always becomes the phase lag mode cannot be obtained.
また、急速加熱を行うビレット1本焼きは、共振電流が約3倍になるという特性から、電力ピーク値が大きくなる。インバータに順変換装置を1対1に設ける構成では、順変換装置やリアクトル、コンデンサまで大容量になり、高コストになるという問題が生じる。 In addition, a single billet that performs rapid heating has a large power peak value because of the characteristic that the resonance current is about three times higher. In the configuration in which the inverters are provided on a one-to-one basis in the inverter, there is a problem that the capacity of the forward converter, the reactor, and the capacitor becomes large and the cost is increased.
そこで、本発明は、最大出力を出すべきゾーンで最大出力を出すことができる誘導加熱装置、誘導加熱装置の制御方法、及び制御プログラムを提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the induction heating apparatus which can output a maximum output in the zone which should output a maximum output, the control method of an induction heating apparatus, and a control program.
前記課題を解決するため、本発明は、最大出力ゾーン(例えば、2ゾーン)を対象として、逆変換装置の出力矩形波電圧(高周波電圧)の立ち上がりタイミングと共振電流のゼロクロスタイミングとの間の位相角が最小値になるよう制御する。
この最小位相角は、隣接ゾーン(例えば、1,3ゾーン)から相互誘導電圧(Vm12、Vm32)を受けたとき、最大出力ゾーンである中央ゾーン(2ゾーン)の逆変換装置の出力電圧が隣接ゾーンから到来する相互誘導電圧の和よりも大きな値(Vinv>(Vm12+Vm32))になるように設定する。
また、隣接ゾーン(1,3ゾーン)は、キュリー点以上での固有共振周波数が、(最大電力ゾーン(2ゾーン)の)冷材時の固有共振周波数以下になるようにコンデンサのキャパシタンスを設定する。すなわち、中央ゾーンから相互誘導電圧(それぞれ、Vm21,Vm31)を受けたとき、隣接ゾーンの逆変換装置の出力電圧(Vinv)が、最大出力ゾーンから到来する相互誘導電圧よりも高い値(Vinv>Vm21またはVinv>Vm31)になるように、コンデンサのキャパシタンスを設定する。このようにすることで、周波数同一かつ電流同期させつつ、共振電流位相遅れモードにすることができる。
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention targets the maximum output zone (for example, 2 zones) and the phase between the rising timing of the output rectangular wave voltage (high frequency voltage) of the inverse converter and the zero cross timing of the resonance current. Control the angle to be the minimum value.
This minimum phase angle is obtained when the output voltage of the inverse conversion device of the central zone (2 zones), which is the maximum output zone, is adjacent when the mutual induction voltages (Vm12, Vm32) are received from the adjacent zones (for example, 1 and 3 zones). It is set to be a value (Vinv> (Vm12 + Vm32)) larger than the sum of the mutual induction voltages coming from the zone.
In the adjacent zones (
本発明によれば、最大出力を出すべきゾーンで最大出力を出すことができる。このため、複数の誘導加熱コイル、及び複数の逆変換装置を用いた場合、固有共振周波数に追随させて、各誘導加熱コイルに流れる略共振電流を位相遅れモードにすることができる。なお、最大電力を供給する逆変換装置は、最小位相角制御を行うことにより変換器容量を低減することができる。 According to the present invention, the maximum output can be output in the zone where the maximum output should be output. For this reason, when a plurality of induction heating coils and a plurality of inverse conversion devices are used, the substantially resonant current flowing through each induction heating coil can be set to the phase delay mode by following the natural resonance frequency. Note that an inverse conversion device that supplies maximum power can reduce the converter capacity by performing minimum phase angle control.
以下、図面を参照して、本発明の本実施形態につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each figure is only schematically shown so that the present invention can be fully understood. Therefore, the present invention is not limited to the illustrated example. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected about the common component and the same component, and those overlapping description is abbreviate | omitted.
(第1実施形態)
(全体構成)
図1(a)(b)は、本発明の一実施形態である誘導加熱装置に使用されるビレットヒータの構造図であり、図2は、ビレットヒータの等価回路図、及び動作を説明するためのベクトル図であり、図3は、誘導加熱装置の回路構成図である。
図1(a)(b)に示すように、ビレットヒータ10は、加熱対象の円柱状のビレット(鋳塊)1を中心として、同心円状の耐火材、及び断熱材を備え、断熱材の外周表面に誘導加熱コイルが巻回されて構成されている。この耐火材、及び断熱材は、高温に熱せられたビレットの放熱を回避すると共に、コイル素線を溶断させないようにしている。なお、ビレット1の径は直径55mmである。
図1(a)の軸方向断面図において、誘導加熱コイルは、1ゾーンから3ゾーンまで、空隙を介して3分割されており、分割された誘導加熱コイル11,12,13から構成されている。なお、誘導加熱コイル12を誘導加熱中央コイルとい、誘導加熱コイル11,13を誘導加熱隣接コイルということがある。
(First embodiment)
(overall structure)
FIGS. 1A and 1B are structural diagrams of a billet heater used in an induction heating apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an equivalent circuit diagram and operation of the billet heater. FIG. 3 is a circuit configuration diagram of the induction heating apparatus.
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), a
In the sectional view in the axial direction of FIG. 1A, the induction heating coil is divided into three zones from the first zone to the third zone through a gap, and is composed of the divided induction heating coils 11, 12, and 13. . The
ビレット1を誘導加熱する場合、渦電流損が発生するので、誘導加熱コイル11,12,13は、等価インダクタと等価抵抗器との直列回路で等価的に表現される(図2(a))。また、図3に示すように、誘導加熱コイル11,12,13は、それぞれ直列にコンデンサ21,22,23が接続されている。したがって、誘導加熱コイル11,12,13、及びコンデンサ21,22,23の直列回路は、RLC直列共振回路と等価的に表され、その一端に出力電圧Vinvのインバータ電源Einvが接続され、他端に相互誘導電圧Vmの交流電源Emが接続されて表現される(図2(a))。これにより、インバータ電流Iinv(実線矢印)が流れ、逆方向に相互誘導電流Im(破線矢印)が流れる。逆方向電流を流さないために、逆変換装置30,35,31(図3)の出力電圧Vinvは、相互誘導電圧Vmよりも高くなければならない。
When the
また、整定温度(1250°C)では、キュリー点(740°C〜770°C)を超えているので、ビレット1は、磁性体から非磁性体に変化する。このため、固有共振周波数が高くなると共に、共振電流が約3倍になる。相互誘導電圧Vmが周波数により位相が360°変化し、円形の軌跡を示すので(図2(b))、インバータ(逆変換装置35)の出力電圧(インバータ電圧Vinv)がどのような周波数でも遅れ位相(すなわち、共振電流が進み位相)にならないようにするためには、出力電圧(インバータ電圧Vinv)が隣接ゾーン(1,3ゾーン)から到来する相互誘導電圧Vm12,Vm32の和よりも大きな値(Vinv>(Vm12+Vm32))になるように設定する。1,3ゾーンから到来する相互誘導電圧Vm12,Vm32が等しいとき、Vinv>2|Vm|となり、Vinv=2|Vm|のときの位相角は、30°である(図2(c)のa点)。
Further, at the settling temperature (1250 ° C.), since the Curie point (740 ° C. to 770 ° C.) is exceeded, the
図3の回路構成図において、本発明の一実施形態である誘導加熱装置100は、2組のビレットヒータ10(10a、10b)と、2組のコンデンサユニット20(20a、20b)と、2組の逆変換装置30(30a,30b)、35(35a,35b)、31(31a,31b)と、順変換装置40と、制御ユニット50とを備えて構成される。
In the circuit configuration diagram of FIG. 3, an induction heating apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes two sets of billet heaters 10 (10 a and 10 b), two sets of capacitor units 20 (20 a and 20 b), and two sets. Inverse conversion devices 30 (30a, 30b), 35 (35a, 35b), 31 (31a, 31b), a
ビレットヒータ10は、図1を用いて説明したように、インダクタンスをL1,L2,L3の誘導加熱コイル11,12,13を備え、誘導加熱コイル11,12の相互インダクタンスをM12とし、誘導加熱コイル12,13の相互インダクタンスをM23とする。なお、誘導加熱コイルL1,L3との間の距離は長いので、その相互インダクタンスは無視する。
As described with reference to FIG. 1, the
コンデンサユニット20は、キャパシタンスC01、C02,C03の3つのコンデンサ21,22,23を内蔵している。コンデンサ21,22,23は、それぞれ誘導加熱コイル11,12,13と直列接続されており、LC共振回路を構成している。
The
図4は、ビレットの冷材とHOT材とで変化する周波数特性を示す各ゾーンの周波数−電流特性図である。図4(a)は1,3ゾーンの冷材の特性を示し、図4(b)は1,3ゾーンのHOT材の特性を示し、図4(c)は2ゾーンの冷材の特性を示し、図4(d)は2ゾーンのHOT材の特性を示している。図からわかるように、HOT材の方が冷材よりも電流が3倍に増加している。 FIG. 4 is a frequency-current characteristic diagram of each zone showing frequency characteristics that change between the billet cold material and the HOT material. FIG. 4 (a) shows the characteristics of the 1 and 3 zone cold material, FIG. 4 (b) shows the characteristics of the 1 and 3 zone HOT material, and FIG. 4 (c) shows the property of the 2 zone cold material. FIG. 4 (d) shows the characteristics of the two-zone HOT material. As can be seen from the figure, the current of the HOT material is three times that of the cold material.
図4(b)(c)に示すように、1,3ゾーンのHOT時固有共振周波数(350Hz)が、最大電力ゾーン(2ゾーン)の冷材時固有共振周波数(400Hz)よりも低くなるようにコンデンサ21,22,23(図3)のキャパシタンスC01,C02,C03を設定する。
言い換えれば、1ゾーンに2,3ゾーンから相互誘導電圧(それぞれ、Vm21、Vm31)を受けたとき、1ゾーンの逆変換装置30の出力電圧(インバータ電圧Vinv)が、2,3ゾーンから到来する相互誘導電圧よりも高い値(Vinv>Vm21またはVinv>Vm31)になるように、コンデンサ21,22のキャパシタンスを設定する。同様に、3ゾーンの逆変換装置31の出力電圧(インバータ電圧Vinv)が、2,1ゾーンから到来する相互誘導電圧よりも高い値(Vinv>Vm23またはVinv>Vm13)になるように、コンデンサ22,23のキャパシタンスを設定する。
As shown in FIGS. 4B and 4C, the HOT natural resonance frequency (350 Hz) in the first and third zones is lower than the cold natural resonance frequency (400 Hz) in the maximum power zone (two zones). Are set to capacitances C 01 , C 02 , C 03 of
In other words, when the mutual induction voltages (Vm21 and Vm31, respectively) are received from the second and third zones in one zone, the output voltage (inverter voltage Vinv) of the
また、HOT材の方が冷材よりも共振周波数が高くなるので、図4(c)(d)からわかるように、インバータ電圧Vinvを同一にしつつ、各々のゾーンで固有共振周波数の変化に追随させる制御を行うことにより、各ゾーンの共振電流を同等にすることができる。
すなわち、2ゾーンにおいて、固有共振点400Hzの冷材が、加熱され、HOT材になると、共振電流が3倍に増加すると共に、固有共振点が550Hzまで上昇する。550Hzの固有共振点に追随させることにより、共振電流が減少して、冷材の共振電流と同等に制御できる。このとき、1,3ゾーンは、固有共振周波数が350Hzに低く設定されているが、2ゾーンと同一周波数の550Hzで駆動することになるので、共振電流がさらに低減する。すなわち、2ゾーンから1,3ゾーンが受ける相互誘導電圧は変化しないので、逆変換装置30,31の出力電圧(インバータ電圧Vinv)は、低減する。
In addition, since the resonance frequency of the HOT material is higher than that of the cold material, as shown in FIGS. 4 (c) and 4 (d), the inverter voltage Vinv is kept the same and the change in the natural resonance frequency is followed in each zone. By performing the control, the resonance currents of the zones can be made equal.
That is, in the two zones, when a cold material having a natural resonance point of 400 Hz is heated to become a HOT material, the resonance current increases three times and the natural resonance point rises to 550 Hz. By following the natural resonance point of 550 Hz, the resonance current is reduced, and the resonance current can be controlled to be equal to the resonance current of the cold material. At this time, although the natural resonance frequency is set low at 350 Hz in the first and third zones, the resonance current is further reduced because it is driven at 550 Hz, which is the same frequency as the second zone. That is, since the mutual induction voltage received from the 2nd zone to the 1st and 3rd zones does not change, the output voltage (inverter voltage Vinv) of the
図3に示す逆変換装置30(31)は、直列接続された電解コンデンサCF1,CF2と、2個のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)Q11,Q12(Q31,Q32)とを備え、ハーフブリッジ回路を構成し、コンデンサ21,23を介して、誘導加熱コイル11,13に電力を供給している。
The inverse conversion device 30 (31) shown in FIG. 3 includes electrolytic capacitors C F1 and C F2 connected in series, and two IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) Q11 and Q12 (Q31 and Q32), and is a half bridge. A circuit is configured and power is supplied to the induction heating coils 11 and 13 via the
逆変換装置30(31)は、トランジスタQ11のエミッタ端とトランジスタQ12のコレクタ端とが接続され、トランジスタQ11のコレクタ端とトランジスタQ12のエミッタ端との間に直流電圧Vdcが印加され、直列接続された電解コンデンサCF1,CF2に直流電圧Vdcが印加される。
誘導加熱装置100は、トランジスタQ11のエミッタ端、及びトランジスタQ12のコレクタ端の接続点と、コンデンサ21の一端とが接続され、コンデンサ21の他端と誘導加熱コイル11の一端とが接続され、誘導加熱コイル11の他端と電解コンデンサCF1,CF2の接続点Pとが接続されている。
In the inverse conversion device 30 (31), the emitter end of the transistor Q11 and the collector end of the transistor Q12 are connected, and a DC voltage Vdc is applied between the collector end of the transistor Q11 and the emitter end of the transistor Q12, so that they are connected in series. The DC voltage Vdc is applied to the electrolytic capacitors C F1 and C F2 .
In the induction heating device 100, a connection point between the emitter end of the transistor Q11 and the collector end of the transistor Q12 and one end of the
逆変換装置35は、単一の電解コンデンサCF3と、4個のトランジスタQ21,Q22,Q23,Q24とを備え、フルブリッジ回路を構成し、コンデンサ22を介して誘導加熱コイル12に、逆変換装置30,31よりも大きな電力を供給している。
逆変換装置35は、トランジスタQ21のエミッタ端とトランジスタQ22のコレクタ端とが接続され、トランジスタQ23のエミッタ端とトランジスタQ24のコレクタ端とが接続され、トランジスタQ21,Q23のコレクタ端とトランジスタQ22,Q24のエミッタ端とに直流電圧Vdcが印加され、電解コンデンサCF3に直流電圧Vdcが印加される。トランジスタQ23のエミッタ端とトランジスタQ24のコレクタ端との接続点とコンデンサ22の一端とが接続され、コンデンサ22の他端と誘導加熱コイル12の一端とが接続されている。
また、トランジスタQ21のエミッタ端とトランジスタQ22のコレクタ端との接続点と、誘導加熱コイル12の他端とが接続されている。
The
In the
The connection point between the emitter end of the transistor Q21 and the collector end of the transistor Q22 and the other end of the
逆変換装置31は逆変換装置30と同様の構成であり、逆変換装置30b,35b,31bは逆変換装置30a,35a,31aと同一構成である。
順変換装置40は、ダイオードブリッジにより構成され、商用電源ACを用いて直流電圧Vdcを発生させて、第1の逆変換装置集合体(逆変換装置30a,35a,31a)及び第2の逆変換装置集合体(逆変換装置30b,35b,31b)に電力供給を行っている。なお、順変換装置40は、チョッパを用いておらず、逆変換装置30a,35a,31aには、同一の固定直流電圧Vdcが印加される。
The
The
なお、コンデンサ21,22,23は、図4を用いて前記したように、1,3ゾーンのHOT時固有共振周波数が、最大電力ゾーン(2ゾーン)の冷材時固有共振周波数よりも低くなるようにキャパシタンスC01,C02,C03を設定する。
As described above with reference to FIG. 4, the
(制御ユニットの機能)
制御ユニット50は、逆変換装置30,31,35内部のトランジスタ(IGBT)のゲートを制御するゲート信号を生成するものであり、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、CPU(Central Processing Unit)により構成され、CPUが所定のプログラムを実行することにより、下記の機能を実現する。
(Function of control unit)
The
1)全ゾーンを同一周波数、電流同期で運転する。
分割された誘導加熱コイル11,12,13は互いに近接しているので、相互誘導インダクタンスM12,M23が存在し、相互誘導電圧Vmが発生する状態となる。逆変換装置相互間で生じる電力の授受に伴って発生する誘導加熱コイル間での磁界の位相差を回避するために、1,2,3ゾーンを同一周波数で、かつ同期された正弦波電流で運転する。これにより、局所的に発熱量が低下して発熱ムラが発生する現象が回避される。
1) All zones are operated with the same frequency and current synchronization.
Since the divided induction heating coils 11, 12, and 13 are close to each other, the mutual induction inductances M12 and M23 exist, and the mutual induction voltage Vm is generated. In order to avoid the phase difference of the magnetic field between the induction heating coils generated by the exchange of power generated between the inverters, the 1, 2 and 3 zones are the same frequency and are synchronized with a sine wave current. drive. As a result, a phenomenon in which the amount of heat generation locally decreases and uneven heat generation occurs can be avoided.
2)制御ユニット50は、逆変換装置30,35,31をPWM共振インバータとして機能させている。具体的には、逆変換装置30,35,31は、ZVSを実現する必要があるので、所定のキャリア周波数の矩形波電圧を所定の運転周波数の正弦波信号(Sinωt)でPWM変調した矩形波状の等価正弦波電圧(フルブリッジ回路である逆変換装置35では図5(a))を発生する。この等価正弦波電圧は、L−R時定数((L1−C01)R時定数)により平均化され、誘導加熱コイル11,12,13には略正弦波形のコイル電流が流れる。そして、制御ユニット50は、同期制御時定数を共振時定数(T=2L/R)より長くさせる平均値制御を行い(図5(b)参照)、コイル電流の周波数が目標運転周波数、及び目標位相になるように、逆変換装置30,35,31の等価正弦波電圧を帰還制御する。なお、この目標位相は、等価正弦波を生成する正弦波信号が負から正に遷移するゼロクロス点と、略正弦波形のコイル電流が負から正に遷移するゼロクロス点との間の位相をいう。このように、制御ユニット50は、PWM制御により、キャリヤ周波数8kHzの三角波信号を用いて、運転周波数1kHzの等価正弦波信号を生成して、逆変換装置30,35,31内部のIGBTのゲートを制御している。
2) The
3)最小位相角制御
最大電力を出力する2ゾーンの逆変換装置35は、固有共振周波数に追随させつつ最小位相角制御を行っている。以下、最小位相角制御について説明する。
最大出力ゾーン(2ゾーン)の最小位相角(例えば、30°)となるように制御する。
具体的には、前記したように、最小位相角は、出力電圧(インバータ電圧Vinv)が隣接ゾーン(1,3ゾーン)から到来する相互誘導電圧Vm12,Vm32の和よりも大きな値(Vinv>(Vm12+Vm32))になるように設定する。1,3ゾーンから到来する相互誘導電圧Vm12,Vm32が等しいとき、Vinv>2|Vm|となり(図2(c))、このときの最小位相角は、30°である。
3) Minimum Phase Angle Control The two-
Control is performed so that the minimum phase angle (for example, 30 °) of the maximum output zone (2 zones) is obtained.
Specifically, as described above, the minimum phase angle is larger than the sum of the mutual induction voltages Vm12 and Vm32 in which the output voltage (inverter voltage Vinv) comes from the adjacent zones (1, 3 zones) (Vinv> ( Vm12 + Vm32)). When the mutual induction voltages Vm12 and Vm32 coming from the first and third zones are equal, Vinv> 2 | Vm | (FIG. 2 (c)), and the minimum phase angle at this time is 30 °.
なお、固有共振周波数の変化があっても、常に他ゾーンから到来する相互誘導電圧Vmに勝るインバータ電圧Vinvを出すために、十分大きな位相角となる固定周波数で運転することも考えられる。しかしながら、以下の問題点が生じる。
a)十分に大きな位相角を付けていたので、高力率運転することができない。
b)相互誘導電圧Vmを超えるインバータ電圧Vinvを発生していたので、電圧電流定格(実効電力Vdc×Idc)に余裕が必要である。
Even if there is a change in the natural resonance frequency, it is also conceivable to operate at a fixed frequency with a sufficiently large phase angle in order to always output the inverter voltage Vinv that exceeds the mutual induction voltage Vm coming from another zone. However, the following problems arise.
a) Since the phase angle is sufficiently large, high power factor operation cannot be performed.
b) Since the inverter voltage Vinv exceeding the mutual induction voltage Vm is generated, a margin is required for the voltage / current rating (effective power Vdc × Idc).
また、ZCIHでは、定格電力に対し最大比率で出力するゾーンが最小位相角となるので、1,3ゾーンのHOT材の固有共振点(350Hz)が2ゾーンの冷材の固有共振点(400Hz)よりも低くなるようにキャパシタンスを設定する(図2(a))。なお、1,3ゾーンは、コイル電圧が低いので、コンデンサが無くてもよい。 In ZCIH, the zone that outputs at the maximum ratio with respect to the rated power has the minimum phase angle, so that the natural resonance point (350 Hz) of the HOT material in the first and third zones is the natural resonance point (400 Hz) of the cold material in the two zones. The capacitance is set so as to be lower than that (FIG. 2A). In the first and third zones, the coil voltage is low, so there is no need for a capacitor.
(制御ユニットの構成)
次に、逆変換装置30,31,35の制御を行うための制御ユニット50の構成を具体的に説明する。
図6は、逆変換装置30,31,35を制御する制御ユニット50aのブロック構成図であり、1,3ゾーンを制御する制御ユニットの構成図を示すが、2ゾーンの制御ユニットの構成図も同様である。制御ユニット50aは、外部にA/D変換器を備え、コイル電流iLを検出する。
(Configuration of control unit)
Next, the configuration of the
FIG. 6 is a block configuration diagram of the control unit 50a that controls the
制御ユニット50aは、振幅演算器201と、目標電流生成器202と、加算器203と、PI制御器204,208と、ゼロクロス検出器205と、電流同期用基準位相信号生成器206と、同期ズレ検出器207と、電圧指令値演算器209と、三角波比較器210と、周波数設定器211、位相角比較器215と、30°基準値生成器216と、比較器217,219と、PI制御器218とを備える。
The control unit 50a includes an
振幅演算器201は、コイル電流iLをA/D変換した変換値ILの振幅を演算する。目標電流生成器202は、コイル電流iLの目標値を生成する。加算器203は、目標電流生成器202の出力波形から、振幅演算器201の出力値を減算して誤差信号を出力する。PI制御器204は、加算器203が出力する誤差信号を比例積分演算する。
ゼロクロス検出器205は、コイル電流iLをA/D変換した変換値ILを用いて、コイル電流iLが負から正に変化する時のゼロクロス点を演算する。電流同期用基準位相信号生成器206は、誘導加熱コイル11,12,13に流れるコイル電流を同期させるために、目標電流生成器202との位相差の基準値を出力する。この基準値は、2ゾーンの場合は、30°の最小位相角に設定され、1,3ゾーンの場合は、消費電力が小さいので最小位相角よりも大きな値でもよい。
同期ズレ検出器207は、電流同期用基準位相信号生成器206の出力値と、ゼロクロス検出器205の出力値との間の差分(同期ズレ)を検出する。PI制御器208は、同期ズレ検出器207の出力偏差を比例積分演算する。
Zero-
The
電圧指令値演算器209は、PI制御器204,208の出力信号、及び周波数指令値f*に基づいて、運転周波数1kHzの正弦波形を示す電圧指令値Vinv*を生成する。周波数設定器211は、キャリア周波数8kHzの値を出力する。三角波比較器210は、電圧指令値Vinv*と周波数設定器211が設定したキャリア周波数の三角波信号とを比較して、PWM制御信号を生成する。PWM制御信号が、逆変換装置30,35,31に入力され、誘導加熱コイル11,12,13に流れるコイル電流iLがILとして帰還されることにより、コイル電流iLの振幅は運転周波数の正弦波信号の波形に収束し、コイル電流iLが負から正に変化する時の位相が各ゾーンで一致する。また、正弦波形を示す電圧指令値Vinv*のゼロクロス点と三角波信号の反転タイミングとは一致している。これにより、逆変換装置30,35,31の出力電圧Vinvは、電圧指令値Vinv*がゼロクロスする時に、矩形波状電圧が正負反転するとともに、原点0で正負反転する前後の遷移タイミングとゼロクロス点との間の時間T1,T2(図5(a))が一致する。
The voltage
位相角比較器215は、ゼロクロス検出器205の出力位相と、電圧指令値演算器209が出力する電圧指令値Vinv*の位相とを比較する。すなわち、位相角比較器215は、電圧指令値Vinv*の正弦波信号とコイル電流iLとの位相差を演算し、電圧−電流位相差θv*を出力する。30°生成器216は、最小位相角である30°の値を出力する。
The
比較器217は、位相角比較器215が出力する電圧−電流位相差θv*と、30°の値とを比較し、電圧−電流位相差θv*の値が30°よりも大きいときに、負の一定値を出力し、電圧−電流位相差θv*の値が30°よりも小さいときに、正の一定値を出力する。このとき、比較器217は、他ゾーン(2,3ゾーン)からの電圧−電流位相差と、30°の値とも比較する。PI制御器218は、比較器217の出力信号を比例積分演算し、運転周波数約1kHzの周波数指令値f*を電圧指令値演算器209に出力する。これにより、電圧−電流位相差θv*の値が30°よりも大きいときに、周波数指令値f*が低下するように帰還制御され、電圧−電流位相差θv*の値が30°よりも小さいときに、周波数指令値f*が上昇するように帰還制御される。
The
比較器219は、電圧指令値Vinv*と、他ゾーンからの相互誘導電圧Vmの2倍(2Vm)とを比較して、比較結果を電圧指令値演算器209に出力する。ここで、電圧指令値演算器209は、他ゾーンからの2Vmよりも電圧指令値Vinv*が小さいとき、電圧指令値Vinv*の値を上昇させるようにマイナーループで制御する。なお、1ゾーン2,3ゾーンからが受ける相互誘導電圧Vmは、Vm=(M12i2+M13i3)により演算される。
The
(効果)
本実施形態によれば、最大出力ゾーン(2ゾーン)を対象とする逆変換装置35は、逆変換装置出力の矩形波電圧の立ち上がりタイミングとコイル電流が負から正に遷移するときのゼロクロスタイミングとの間の位相角が最小値になるよう制御される。
この最小位相角は、隣接ゾーン(1,3ゾーン)から相互誘導電圧(Vm12,Vm32)を受けたとき、最大出力ゾーンである中央ゾーン(2ゾーン)の逆変換装置35の出力電圧(インバータ電圧Vinv)が1,3ゾーンから到来する相互誘導電圧(Vm12、Vm32)の和よりも大きな値(Vinv>(Vm12+Vm32))になるように設定する。
また、隣接ゾーン(1,3ゾーン)は、キュリー点以上でのHOT時固有共振周波数が、(最大電力ゾーン(2ゾーン)の)冷材時固有共振周波数以下になるようにコンデンサ21,22,23のキャパシタンスを設定する。
すなわち、2ゾーンや3ゾーンから相互誘導電圧(Vm21,Vm31)を受けたとき、1ゾーンの逆変換装置30の出力電圧Vinvが相互誘導電圧Vm21,Vm31よりも高い値(Vinv>Vm21またはVinv>Vm31)になるように、コンデンサ21,22,23のキャパシタンスC01、C02,C03を設定する。
(effect)
According to the present embodiment, the
This minimum phase angle is obtained when the mutual induction voltages (Vm12, Vm32) are received from the adjacent zones (1, 3 zones), and the output voltage (inverter voltage) of the
Further, in the adjacent zones (1, 3 zones), the
That is, when a mutual induction voltage (Vm21, Vm31) is received from two or three zones, the output voltage Vinv of the
逆変換装置30,35,31は、所定のキャリア周波数でPWM変調された等価正弦波電圧を発生し、この等価正弦波電圧がL−R時定数により平均化され、誘導加熱コイル11,12,13には略正弦波形のコイル電流が流れる。これにより、逆変換装置30,35,31は、ZVSにすることができるので、転流ダイオードがオン状態からオフ状態になることはなくリカバリ電流が発生しない。そして、逆変換装置30,35,31は、同期制御時定数を共振時定数(T=2L/R)より長くさせて、コイル電流の周波数が目標運転周波数、及び目標位相になるように、発生する等価正弦波電圧をPWM制御させる。すなわち、逆変換装置30,35,31は、PWM共振型インバータとして機能する。これにより、高力率運転が可能になり、これによる効率向上や、逆変換装置の低容量化を図ることができる。
The
(第2実施形態)
前記第1実施形態は、逆変換装置30,31にハーフブリッジ回路を用い、逆変換装置35にフルブリッジ回路を用いて、独立した回路を構成していたが、3ゾーン構成では、3相IPM(Intelligent Power Module)モジュールを使用して並列接続することができる。
図7は、IPMモジュールを用いた逆変換装置、及びビレットヒータの回路図である。
IPMモジュールは、3相モータを駆動することを目的として、6個のIGBTと、6個の転流ダイオードとをモジュール化して、汎用化したものである。IPMモジュール60は、電源端子V+,V−と、出力端子U,V,Wと、ゲート端子とを備えている。
(Second embodiment)
In the first embodiment, a half bridge circuit is used for the
FIG. 7 is a circuit diagram of an inverse conversion device using an IPM module and a billet heater.
The IPM module is a generalized module in which six IGBTs and six commutation diodes are modularized for the purpose of driving a three-phase motor. The
誘導加熱装置101は、3個の誘導加熱コイル11,12,13の各々に対して、1個のIPMモジュール60を用いて、ハーフブリッジ回路を3回路構成にしたものであり、電源端子V+,V−の両端に直列接続された電解コンデンサCF1,CF2が接続され、直流電圧Vdcが印加される。出力端子U,V,Wは、それぞれ、コンデンサ24,25,26の一端が接続され、コンデンサ24,25,26の他端が誘導加熱コイル11,12,13の一端に接続され、誘導加熱コイル11,12,13の他端がコンデンサ27,28,29の一端に接続され、コンデンサ27,28,29の他端が一括して、電解コンデンサCF1,CF2の接続点Pに接続されている。なお、コンデンサ24,25,26,27,28,29のキャパシタンスは、コンデンサ21,22,23(図2)のキャパシタンスの2倍である。
The
IPMモジュール60を用いることにより、簡易、小型のZCIHを実現することができるので、半導体の基板加熱の用途に用いて好適である。
By using the
(第3実施形態)
第2実施形態は、IPMモジュールを1個用いたが、2個以上のIPMモジュールを並列接続して、大容量化を図ることができる。
図8は、第3実施形態のIPMモジュールを用いた逆変換装置、及びビレットヒータ周辺の回路図である。
誘導加熱装置102は、2個のIPMモジュール60a、60bと、電解コンデンサCF1,CF2と、コンデンサ24a,25a,26aと、コンデンサ27,28,29と、コンデンサ24b,25b,26bと誘導加熱コイル11,12,13とを備える。
(Third embodiment)
Although the second embodiment uses one IPM module, it is possible to increase the capacity by connecting two or more IPM modules in parallel.
FIG. 8 is a circuit diagram around the inverse converter using the IPM module of the third embodiment and the billet heater.
The
IPMモジュール60a,60bの電源端子V+,V−の両端に直列接続された電解コンデンサCF1,CF2が接続され、直流電圧Vdcが印加される。IPMモジュール60aの出力端子U1、V1,W1は、コンデンサ24a,25a,26aの一端に接続され、コンデンサ24a,25a,26aの他端は、誘導加熱コイル11,12,13の一端、及びコンデンサ24b,25b,26bの一端に接続され、誘導加熱コイル11,12,13の他端は、コンデンサ29,28,27の一端に接続され、コンデンサ29,28,27の他端は、一括して電解コンデンサCF1,CF2の接続点Pに接続される。また、コンデンサ24b,25b,26bの他端は、IPMモジュール60bの出力端子U2、V2,W2に接続される。
Electrolytic capacitors C F1 and C F2 connected in series are connected to both ends of power supply terminals V + and V− of the
本実施形態の誘導加熱装置102によれば、IPMモジュール60a,60bを用いたそれぞれの逆変換装置の出力電力が加算されるので、出力増大を図ることができる。
According to the
(第4実施形態)
前記第1実施形態は逆変換装置の電源側に電解コンデンサCF1のみを接続していたが、高次の電流成分が電源側に環流することを防止するために、逆変換装置毎に低域通過フィルタを設けることができる。
図9は、高次共振防止リアクトルを用いた第4実施形態の回路図である。
誘導加熱装置103は、第1実施形態と同様に、逆変換装置30,35,31とコンデンサ21,22,23と、誘導加熱コイル11,12,13とを備え、さらに、逆変換装置30,35,31の各々の電源側にLCローパスフィルタを構成する高次共振リアクトル73、及びコンデンサ74を備え、3個の高次共振リアクトル73の一端が接続されて、電解コンデンサ72の一端、及びチョークコイル71の一端に接続される。チョークコイル71の他端は、直流電圧Vdcが印加され、電解コンデンサ72の他端、及びコンデンサ74の他端は接地される。
(Fourth embodiment)
In the first embodiment, only the electrolytic capacitor C F1 is connected to the power source side of the inverter, but in order to prevent a high-order current component from flowing back to the power source, a low frequency is provided for each inverter. A pass filter can be provided.
FIG. 9 is a circuit diagram of a fourth embodiment using a high-order resonance preventing reactor.
Similarly to the first embodiment, the
高次共振防止リアクトル73は、配線のインダクタンス(数μH)に追加することにより、コンデンサ74(例えば、1000μF)とで決まる共振周波数f0を高次共振周波数2f0よりも下げるように、そのインダクタンスを設定する。
これにより、相互誘導起電力Vmの高次共振周波数2f0の成分が、逆変換装置30,35,31の電源側に環流することを防止することができる。
The high-order
Thereby, it is possible to prevent the component of the high-order resonance frequency 2f0 of the mutual induced electromotive force Vm from circulating to the power source side of the
(第5実施形態)
前記各実施形態は、すべてのゾーン(1,2,3ゾーン)で、制御ユニット50は、逆変換装置30,35,31をPWM共振インバータとして機能させ、キャリア周波数の矩形波電圧(高周波電圧)を運転周波数の正弦波でPWM変調させ、等価正弦波を出力していた。加熱中心の2ゾーンは供給電力が多くなるので、制御ユニット50は、逆変換装置35を運転周波数の矩形波電圧を出力する電流共振型インバータとして機能させて、損失低減させることができる(特開2010−287447号公報参照)。
すなわち、制御ユニット50は、逆変換装置35に対して、正弦波電流が負から正にゼロクロスするゼロクロスタイミングが矩形波駆動電圧の立ち上がりタイミングよりも遅れる共振電流位相遅れモードになるようにパルス幅を制御している。これにより、逆変換装置35内部の転流ダイオードの逆回復損失が発生しないようにしている。なお、この場合も、制御ユニット50は、逆変換装置30,31に対してはPWM共振インバータとして機能させている。
(Fifth embodiment)
In each of the above embodiments, in all zones (1, 2, 3 zones), the
That is, the
図10は、矩形波電圧を用いたときの動作を説明するための波形図である。この波形図は、逆変換装置35の出力電圧Vinv(矩形波電圧波形)とその基本波電圧波形とコイル電流波形を示しており、縦軸は電圧・電流であり、横軸は位相(ωt)である。逆変換装置35の出力電圧Vinvは、実線で示される正負対称の奇関数波形(矩形波電圧波形)であり、その基本波が、破線の基本波電圧波形として示されている。出力電圧Vinvは、最大振幅が±Vdcであり、基本波電圧波形のゼロクロス点に対して制御角δの位相角が設定されている。すなわち、逆変換装置35の出力電圧Vinvの立ち上がりタイミング及び立ち下がりタイミングの双方と、基本波電圧波形のゼロクロスタイミングとが制御角δの位相差を有している。このとき、基本波電圧波形の振幅は、(4Vdc/π)・cosδであり、周波数は運転周波数(1kHz)である。
また、実線で示されるコイル電流波形iLは、基本波電圧波形のゼロクロスタイミングよりも位相差θだけ遅れている正弦波である。
FIG. 10 is a waveform diagram for explaining the operation when a rectangular wave voltage is used. This waveform diagram shows the output voltage Vinv (rectangular wave voltage waveform) of the
The coil current waveform i L shown by a solid line is a sine wave that has been delayed by the phase difference θ than zero-cross timing of the fundamental wave voltage waveform.
(変形例)
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
(1)前記第1実施形態は、誘導加熱コイル11,12,13に直列にコンデンサ21,22,23を接続していたが、1,3ゾーンの誘導加熱コイル11,13にはコンデンサ21,23を接続せずに直結することができる。
すなわち、1,3ゾーンは、供給電力が少ないので、コンデンサを追加することによりPWM非共振インバータとして機能させることができる。1,3ゾーンは、出力電圧Vinvを下げて、力率を下げたり、逆変換装置の容量を下げたりする必要が無いからである。
(2)前記第1実施形態は、逆変換装置30,35,31と、コンデンサ21,22,23、及び誘導加熱コイル11,12,13の直列回路とを直接接続していたが、整合変圧器を介して接続することができる。
例えば、電源電圧400Vdcのときに出力電圧Vinv=200Vacで足りる場合は、整合変圧器によりインバータの出力電流を小さくすることができるという点で有効である。
(Modification)
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications such as the following are possible.
(1) In the first embodiment, the
That is, since the supplied power is small in the first and third zones, it can function as a PWM non-resonant inverter by adding a capacitor. This is because in the first and third zones, it is not necessary to lower the output voltage Vinv to lower the power factor or the capacity of the inverse conversion device.
(2) In the first embodiment, the
For example, when the output voltage Vinv = 200 Vac is sufficient when the power supply voltage is 400 Vdc, it is effective in that the output current of the inverter can be reduced by the matching transformer.
(3)前記各実施形態は、ビレット1本焼きのビレットヒータ(図1)に電力供給する回路について説明していたが、縦型炉や、パンケーキ型の渦巻きコイルでも使用することができる。
縦型炉では、温度低下しやすい最下段ゾーンが最大出力に設定されるので、最小位相角制御の対象は、最下段ゾーンである。上のゾーンは、固有共振点が最下段ゾーンの固有共振点よりも低くなるようにコンデンサのキャパシタンスを設定する。
パンケーキ型の渦巻きコイルでは、最外周ゾーンが最大出力となるので、最外周ゾーンを位相角一定制御の対象にする。他のゾーンは、固有共振点が最外周ゾーンの固有共振点よりも下になるようにキャパシタンスを設定する。なお、中心コイル(特異点)の運転周波数は200kHz、その他は40kHzとする。
(3) Although each of the above embodiments has described a circuit for supplying power to a billet heater (FIG. 1) that burns a single billet, it can also be used in a vertical furnace or a pancake spiral coil.
In the vertical furnace, the lowest zone where the temperature is likely to drop is set to the maximum output, so the target of the minimum phase angle control is the lowest zone. In the upper zone, the capacitance of the capacitor is set so that the natural resonance point is lower than the natural resonance point of the lowest zone.
In the pancake-type spiral coil, the outermost peripheral zone has the maximum output, and therefore, the outermost peripheral zone is the target of the phase angle constant control. In other zones, the capacitance is set such that the natural resonance point is lower than the natural resonance point of the outermost peripheral zone. The operating frequency of the center coil (singular point) is 200 kHz, and the others are 40 kHz.
(4)前記各実施形態は、金属ビレットの直接、誘導加熱していたが、非磁性体としてのグラファイトを誘導加熱して、半導体ウエハ等を間接加熱することができる。
最大出力を出すゾーンを最小位相角制御を行い、他ゾーンのコンデンサも固有共振点が最下段ゾーンの固有共振点よりも下になるようにキャパシタンスを設定する。
ソレノイドコイルによる縦形グラファイトチューブ加熱や、パンケーキコイルによる円板状グラファイト加熱に使用される。
なお、この場合は、加熱周波数=約20kHz〜50kHzでチョッパ+共振型インバータを用いる、ことが好ましい。
(4) In each of the above embodiments, the metal billet is directly induction-heated. However, the semiconductor wafer or the like can be indirectly heated by induction-heating graphite as a nonmagnetic material.
The zone that outputs the maximum output is subjected to the minimum phase angle control, and the capacitances of the capacitors in other zones are set so that the natural resonance point is lower than the natural resonance point of the lowest zone.
Used for heating vertical graphite tube by solenoid coil and disk-shaped graphite heating by pancake coil.
In this case, it is preferable to use a chopper + resonance type inverter at a heating frequency of about 20 kHz to 50 kHz.
10 ビレットヒータ
11,12,13 誘導加熱コイル
20 コンデンサユニット
21,22,23,24a,24b,25a,25b,26a,26b コンデンサ
30,30a,30b,31,31a,31b,35,35a,35b, 逆変換装置
40 順変換装置
41 ダイオードブリッジ
42 電解コンデンサ
45 チョッパ
50,50a,50b 制御ユニット
55,56,57 A/D変換器
60,60a,60b IPMモジュール
71,73 リアクトル
72,74 コンデンサ
100,101,102,103 誘導加熱装置
201 振幅演算ユニット
202 目標電流生成器
203 加算器
204,208,218 PI制御器
205 ゼロクロス検出ユニット
206 電流同期用基準位相信号生成器
207 同期ズレ検出ユニット
209 電圧指令値演算器
210 三角波比較器
211 周波数設定器
215 位相角比較器
216 30°設定器
217、219 比較器
10
Claims (11)
前記コンデンサは、被加熱材のキュリー点以上での固有共振周波数が、最大電力ゾーンの冷材時の固有共振周波数以下になるように、隣接ゾーンのキャパシタンスを設定したものであり、
前記制御回路は、前記複数の逆変換装置を周波数同一かつ、電流同期させるとともに、前記複数の誘導加熱コイルに最大電力を供給する特定の逆変換装置が発生する前記高周波電圧と前記直列共振回路に流れるコイル電流との位相差が最小になるように制御する
ことを特徴とする誘導加熱装置。 A plurality of induction heating coils arranged close to each other, a capacitor connected in series to each of the induction heating coils, and a high frequency voltage converted from a DC voltage to each of the induction heating coil and a series resonance circuit of the capacitor An induction device comprising: a plurality of inverse conversion devices applied to the control circuit; and a control circuit for controlling the plurality of inverse conversion devices so as to align the phases of coil currents flowing through the plurality of induction heating coils while performing voltage width control on the high-frequency voltage. A heating device,
The capacitor is one in which the capacitance of the adjacent zone is set so that the natural resonance frequency above the Curie point of the material to be heated is equal to or lower than the natural resonance frequency at the time of the cold material in the maximum power zone,
The control circuit synchronizes the plurality of inverters with the same frequency and current-synchronizes the high-frequency voltage generated by a specific inverter that supplies maximum power to the plurality of induction heating coils and the series resonance circuit. An induction heating apparatus, wherein control is performed such that a phase difference with a flowing coil current is minimized.
前記位相差は、前記正弦波信号のゼロクロスタイミングと前記コイル電流のゼロクロスタイミングとの間の位相差であることを特徴とする請求項1に記載の誘導加熱装置。 The high-frequency voltage exhibits a rectangular wave voltage obtained by comparing a sine wave signal and a triangular wave signal,
The induction heating apparatus according to claim 1, wherein the phase difference is a phase difference between a zero cross timing of the sine wave signal and a zero cross timing of the coil current.
前記位相差は、前記正弦波のゼロクロスタイミングと前記コイル電流のゼロクロスタイミングとの間の位相差であることを特徴とする請求項1に記載の誘導加熱装置。 The high-frequency voltage exhibits a rectangular wave voltage whose time integration value changes to a sine wave shape,
The induction heating apparatus according to claim 1, wherein the phase difference is a phase difference between a zero cross timing of the sine wave and a zero cross timing of the coil current.
前記逆変換装置の各々は、前記電源との間にLCローパスフィルタが挿入されている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の誘導加熱装置。 The plurality of inverse conversion devices are connected to a power source that supplies DC power,
6. The induction heating device according to claim 1 , wherein each of the inverse conversion devices has an LC low-pass filter inserted between the reverse power device and the power source .
前記特定の逆変換装置は、中央に配置される誘導加熱中央コイルに高周波電力を供給する逆変換装置であり、
前記特定の逆変換装置が発生する高周波電圧は、前記誘導加熱中央コイルに隣接して配置される2つの誘導加熱隣接コイルが発生する相互誘導電圧の和よりも大きな値であることを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の誘導加熱装置。 The induction heating coil, the capacitor, and the inverse conversion device are provided in three sets,
The specific reverse conversion device is an reverse conversion device that supplies high-frequency power to an induction heating central coil disposed in the center,
The high-frequency voltage generated by the specific inverse converter is larger than the sum of mutual induction voltages generated by two induction heating adjacent coils arranged adjacent to the induction heating central coil. The induction heating apparatus according to any one of claims 1 to 6.
前記コンデンサは、被加熱材のキュリー点以上での固有共振周波数が、最大電力ゾーンの冷材時の固有共振周波数以下になるように、隣接ゾーンのキャパシタンスを設定したものであり、
前記複数の逆変換装置を周波数同一かつ、電流同期させるとともに、前記複数の誘導加熱コイルに最大電力を供給する特定の逆変換装置が発生する前記高周波電圧と前記直列共振回路に流れるコイル電流との位相差が最小になるように制御する
ことを特徴とする誘導加熱装置の制御方法。 A plurality of induction heating coils arranged close to each other, a capacitor connected in series to each of the induction heating coils, and a high frequency voltage converted from a DC voltage to each of the induction heating coil and a series resonance circuit of the capacitor A plurality of inverse conversion devices applied to the induction heating device, and a method for controlling the plurality of inverse conversion devices to control the voltage width of the high-frequency voltage and to align the phases of coil currents flowing through the plurality of induction heating coils Because
The capacitor is one in which the capacitance of the adjacent zone is set so that the natural resonance frequency above the Curie point of the material to be heated is equal to or lower than the natural resonance frequency at the time of the cold material in the maximum power zone,
The plurality of inverters have the same frequency and current synchronization, and the high-frequency voltage generated by a specific inverter that supplies maximum power to the plurality of induction heating coils and the coil current flowing through the series resonance circuit A control method for an induction heating device, wherein the control is performed so that the phase difference is minimized.
前記コンデンサは、被加熱材のキュリー点以上での固有共振周波数が、最大電力ゾーンの冷材時の固有共振周波数以下になるように、隣接ゾーンのキャパシタンスを設定したものであり、
前記複数の逆変換装置を周波数同一かつ、電流同期させるとともに、前記複数の誘導加熱コイルに最大電力を供給する特定の逆変換装置が発生する前記高周波電圧と前記直列共振回路に流れるコイル電流との位相差が最小になるように、コンピュータに実行させる制御回路の制御プログラム。 A plurality of induction heating coils arranged close to each other, a capacitor connected in series to each of the induction heating coils, and a high frequency voltage converted from a DC voltage to each of the induction heating coil and a series resonance circuit of the capacitor And a control program for controlling the plurality of inverse converters so that the phases of the coil currents flowing through the plurality of induction heating coils are aligned while controlling the voltage width of the high-frequency voltage. There,
The capacitor is one in which the capacitance of the adjacent zone is set so that the natural resonance frequency above the Curie point of the material to be heated is equal to or lower than the natural resonance frequency at the time of the cold material in the maximum power zone,
The plurality of inverters have the same frequency and current synchronization, and the high-frequency voltage generated by a specific inverter that supplies maximum power to the plurality of induction heating coils and the coil current flowing through the series resonance circuit A control program for a control circuit that is executed by a computer so that the phase difference is minimized.
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