JP5705490B2 - インバータ制御装置およびこれを用いるインバータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ電源によって駆動される誘導加熱装置に対するインバータ出力電圧とインバータ出力電流との位相差を制御するインバータ制御装置およびこれを用いるインバータ制御方法の技術に関する。

誘導加熱装置は、電磁誘導の原理を利用して対象物を加熱する加熱装置として公知である。誘導加熱装置は、加熱効率が高い、自動化や省力化が可能、急速加熱が可能、温度制御が容易、作業環境が改善できる、といった利点を有し産業分野で広く利用されている。誘導加熱装置は、例えば、自動車工場においてギア等の金属部品の高周波焼き入れをするときに用いられている。なお、高周波焼入れとは、高周波の電磁波による電磁誘導を起こし、金属部品の表面を加熱させて焼入れを行う熱処理の手法である。

誘導加熱装置は、加熱対象物の形状や材質または加熱条件に応じてさまざまな周波数や電力が要求されるため、インバータ電源により駆動される。誘導加熱装置では、最大の出力電流を得るため、インバータ制御によって誘導加熱回路を共振させることが望ましい。ここで、インバータ制御とは、誘導加熱装置に出力されるインバータ出力電圧と誘導加熱装置に流れるインバータ出力電流との位相差を制御することをいう。

例えば、特許文献１は、インバータ出力電圧とインバータ出力電流との位相差に応じた信号を出力するフェーズロックドループ回路（ＰＬＬ回路）を設け、ＰＬＬ回路からの出力によりインバータ出力電圧とインバータ出力電流とを共振させるインバータ制御装置の構成を開示している。しかし、特許文献１に代表されるＰＬＬ回路を用いる構成のインバータ装置は、構成部品が多く、複雑な制御が必要とされる。

特開昭６３−２８２７５号公報

解決しようとする課題は、簡易な構成でインバータ制御を実現できるインバータ制御装置およびこれを用いるインバータ制御方法を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、インバータ電源によって駆動される誘導加熱装置に対するインバータ出力電圧とインバータ出力電流との位相差を制御するインバータ制御装置であって、前記誘導加熱装置に流れるインバータ出力電流を検出する電流センサと、前記インバータ出力電圧と前記インバータ出力電流との位相差を制御するコントローラと、を具備し、前記コントローラは、前記インバータ出力電圧の周期の中間点を認識し、前記電流センサによって前記中間点から任意の前記位相差分のタイミングだけずらした検出タイミングにおける前記インバータ出力電流を認識し、前記検出タイミングにおける前記インバータ出力電流が０となるまで、前記インバータ出力電圧の周波数を変更して、前記インバータ出力電圧と前記インバータ出力電流との位相差を制御するものである。

請求項２においては、インバータ電源によって駆動される誘導加熱装置に対するインバータの出力電圧と出力電流との位相差を制御するインバータ制御装置を用いるインバータ制御方法であって、前記インバータ出力電圧の周期の中間点を認識し、前記中間点から任意の前記位相差分のタイミングだけずらした検出タイミングにおける前記インバータ出力電流の電流値を認識し、前記検出タイミングにおける前記インバータ出力電流が０となるまで、前記インバータ出力電圧の周波数を変更して、前記インバータ出力電圧と前記インバータ出力電流との位相差を制御するものである。

本発明のインバータ制御装置およびこれを用いるインバータ制御方法によれば、簡易な構成でインバータ制御を実現できる。

本発明の実施形態に係る誘導加熱装置を示す構成図。 同じくインバータ制御装置を示す構成図。 インバータ出力電圧およびインバータ出力電流の関係を示すグラフ図。 インバータ出力電圧とインバータ出力電流とを共振させる場合のインバータ制御の流れを示すフロー図。 インバータ出力電圧とインバータ出力電流とを任意の位相差とする場合のインバータ制御の流れを示すフロー図。 （Ａ）本発明のインバータ制御装置を示す構成図（Ｂ）従来のインバータ制御装置を示す構成図。

図１を用いて、誘導加熱装置１００について説明する。
本発明の実施形態である誘導加熱装置１００は、自動車工場においてギア部品の高周波焼き入れを行う加熱装置である。高周波焼入れとは、高周波の電磁波による電磁誘導を起こし、ギア部品の表面を加熱させて焼入れを行う熱処理の手法である。なお、本発明の誘導加熱装置は高周波焼き入れを行う誘導加熱装置１００に限定されるものではない。

誘導加熱装置１００は、インバータ制御装置１０と、インバータ電源２０と、誘導加熱回路３０と、を具備している。誘導加熱装置１００は、インバータ電源２０によって駆動されるものである。インバータ制御装置１０は、誘導加熱装置１００に出力されるインバータ出力電圧Ｖと誘導加熱装置１００に流れるインバータ出力電流Ｉとの位相差φを制御するものである。

インバータ電源２０は、三相交流電源２１と、整流器２２と、インバータ回路２３と、を具備している。三相交流電源２１は、自動車工場に供給される商用電源であって、２００Ｖまたは４００Ｖの三相交流電源を供給するものである。整流器２２は、２００Ｖまたは４００Ｖの三相交流電源を整流して直流を作り出すものである。インバータ回路２３は、４つの絶縁ゲート型両極性トランジスタ（ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ）からなるブリッジ回路を用いて、電流のОＮ／ОＦＦを繰り返し擬似的に単相交流を作り出すものである。なお、本発明の誘導加熱装置は、三相交流のインバータによって駆動される構成であっても良く、単相交流のインバータによって駆動される誘導加熱装置１００に限定されるものではない。

誘導加熱回路３０は、抵抗３１と、コイル３２と、コンデンサ３３と、を具備している。誘導加熱回路３０では、抵抗３１、コイル３２およびコンデンサ３３が直列に接続されている。このように構成される誘導加熱回路３０では、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとを共振させることで誘導加熱回路３０の出力電流が最大となる。

インバータ制御装置１０は、インバータ制御回路１１と、電流センサ１２と、を具備している。電流センサ１２は、誘導加熱装置３０に流れるインバータ出力電流Ｉの電流値を検出するものである。電流センサ１２は、誘導加熱装置３０に設けられ、インバータ制御回路１１に接続されている。

図２を用いて、インバータ制御回路１１について説明する。
インバータ制御回路１１は、コントローラ１５と、インバータ駆動ユニット１６と、Ａ／Ｄ変換器１７と、バス１８と、を具備している。コントローラ１５は、誘導加熱装置１００に出力されるインバータ出力電圧Ｖと誘導加熱装置１００に流れるインバータ出力電流Ｉとの位相差φを制御するものである。インバータ駆動ユニット１６は、インバータ回路２３の絶縁ゲート型両極性トランジスタへの電圧のОＮ／ОＦＦを繰り返し、擬似的に交流波形を生成するものである。Ａ／Ｄ変換器１７は、電流センサ１２より検出したアナログ電気信号としての電流値をデジタル電気信号に変換するものである。バス１８は、インバータ制御回路１１内部において、コントローラ１５、インバータ駆動ユニット１６およびＡ／Ｄ変換器１７を含めた各回路がデータをやり取りするための伝送路である。

図３を用いて、インバータ制御の対象となるインバータ出力電圧Ｖについて説明する。
図３は、上段から下段に向かって、インバータ回路２３の絶縁ゲート型両極性トランジスタに対するゲート出力信号ｗ（出力ｗ）、同じくゲート出力信号ｖ（出力ｖ）、インバータ電源２０のインバータ出力電圧Ｖ、コントローラ１５のカウント値、電流センサ１２によって検出される誘導加熱回路３０のインバータ出力電流Ｉを示している。なお、Ｖｏはインバータ出力電圧Ｖの波高値を、Ｉｏはインバータ出力電流Ｉの波高値を示している。

コントローラ１５は、インバータ駆動ユニット１６を介して、インバータ回路２３のＩＧＢＴに対して、ゲート出力信号ｗ（出力ｗ）と、ゲート出力信号ｖ（出力ｖ）と、を出力し、誘導加熱回路１３にインバータ出力電圧Ｖを供給している。このとき、カウント値は、インバータ出力電圧Ｖの周期Ｔに対応させ、周期Ｔが０の地点でカウント０として表されている。また、図３では、後述するインバータ制御を行う前提の状態として、インバータ出力電流Ｉは、インバータ出力電圧Ｖに対して、位相差φ１だけ進角している状態として表されている。

インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとの位相差φ（インバータ出力電圧Ｖに対するインバータ出力電流Ｉの位相差）は、以下の数式（Ｓ―１）で表される。なお、Ｒは抵抗３１の抵抗値を、Ｌはコイル３２のインダクタンスを、Ｃはコンデンサ３３の容量を表している。

ここで、数式（Ｓ―１）は、周波数ｆを大きくした場合には、位相差φが大きくなり（インバータ出力電圧Ｖに対してインバータ出力電流Ｉが遅角する）、周波数ｆを小さくした場合には、位相差φが小さくなる（インバータ出力電圧Ｖに対してインバータ出力電流Ｉが進角する）ことを示している。

図４を用いて、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとを共振させる場合のインバータ制御の流れについて説明する。なお、インバータ制御を行う前提として、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとは、図３に表されている状態、すなわちインバータ出力電流Ｉはインバータ出力電圧Ｖに対して位相差φ１だけ進角しているものとする。

コントローラ１５は、ステップＳ１１０において、インバータ出力電圧Ｖの周期Ｔにおける中間点ｔｍを認識する。具体的には、コントローラ１５は、出力ｖから出力ｗまでに中間点ｔｍとして認識する（図３参照）。次に、コントローラ１５は、ステップＳ１２０において、電流センサ１２によって中間点ｔｍにおける誘導加熱回路３０のインバータ出力電流Ｉとして電流値Ｉｍを認識する（図３参照）。

コントローラ１５は、ステップＳ１３０において、中間点ｔｍの電流値Ｉｍが０であるかどうかを判定する。コントローラ１５は、中間点ｔｍの電流値Ｉｍが０の場合は、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとが共振していると判断してインバータ制御を終了する。一方、コントローラ１５は、中間点ｔｍの電流値Ｉｍが０ではない場合は、インバータ出力電圧Ｖに対してインバータ出力電流Ｉが遅角または進角していると判断する。

コントローラ１５は、ステップＳ１４０において、中間点ｔｍの電流値Ｉｍが０より大きいかどうかを判定する。コントローラ１５は、中間点ｔｍの電流値Ｉｍが０より大きいと判定した場合は、インバータ出力電圧Ｖに対してインバータ出力電流Ｉが進角していると判断し、ステップＳ１５０において、数式Ｓ−１より、インバータ出力電圧Ｖの周波数ｆを大きくすることで、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとの位相差φを大きくして、インバータ出力電圧Ｖに対してインバータ出力電流Ｉを遅角させる。コントローラ１５は、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとが共振する、すなわち中間点ｔｍの電流値Ｉｍが０となるまで、ステップＳ１４０およびステップＳ１５０を繰り返す。

一方、コントローラ１５は、ステップＳ１４０において、中間点ｔｍの電流値Ｉｍが０より小さいと判定した場合は、インバータ出力電圧Ｖに対してインバータ出力電流Ｉが遅角していると判断し、ステップＳ１６０において、数式Ｓ１より、インバータ出力電圧Ｖの周波数ｆを小さくすることで、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとの位相差φを小さくして、インバータ出力電圧Ｖに対してインバータ出力電流Ｉを進角させる。コントローラ１５は、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとが共振する、すなわち中間点ｔｍの電流値Ｉｍが０となるまで、ステップＳ１４０およびステップＳ１６０を繰り返す。

このような構成とすることで、インバータ出力電圧Ｖの周期Ｔの中間点ｔｍにおける電流値Ｉｍが０となるように、インバータ出力電圧Ｖの周波数ｆを変化させることで、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとを共振させることができる。

図５を用いて、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとの位相差φ１を任意の位相差φｓとして制御する場合のインバータ制御の流れについて説明する。なお、インバータ制御を行う前提として、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとは、図３に表されている状態、すなわちインバータ出力電流Ｉはインバータ出力電圧Ｖに対して、位相差φ１だけ進角しているものとする。

ここで、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとの位相差φ１を任意の位相差φｓとして制御する場合のインバータ制御は、電流センサ１２が位相差φｓ分の検出タイミング（以下検出タイミングｔｓとする）だけずらして上述した中間点ｔｍの電流値Ｉｍを検出し、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとを共振させる制御を行うものとする。

コントローラ１５は、ステップＳ２１０において、インバータ出力電圧Ｖの周期Ｔにおける中間点ｔｍを認識する。具体的には、コントローラ１５は、出力ｗと出力ｖとを出力する中間のタイミングをインバータ出力電圧Ｖの周期Ｔにおける中間点ｔｍとして認識する。次に、コントローラ１５は、ステップＳ２２０において、検出タイミングｔｓだけずらして、電流センサ１２によって中間点ｔｍにおける誘導加熱回路３０のインバータ出力電流Ｉとして電流値Ｉｍを認識する。
なお、ステップＳ２３０〜ステップＳ２６０までは、ステップＳ１３０〜ステップＳ１６０までと同様であるため、説明を省略する。すなわち中間点ｔｍの電流値Ｉｍが０となるまで、ステップＳ２３０およびステップＳ２６０を繰り返す。

このような構成とすることで、電流センサ１２による電流値Ｉｍの検出タイミングをｔｓだけずらして、インバータ出力電圧Ｖの周期Ｔの中間点ｔｍにおける電流値Ｉｍが０となるように、インバータ出力電圧Ｖの周波数ｆを変化させることで、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとの位相差φ１を任意の位相差φｓとして制御することができる。

図６を用いて、インバータ制御装置１０によるインバータ制御の効果について説明する。
図６では、（Ａ）は本発明の実施形態の誘導加熱装置１００を示し、（Ｂ）は従来の誘導加熱装置２００を示している。
従来の誘導加熱装置２００のインバータ制御装置２１０では、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとを共振させる場合には、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとの位相差φ１に応じた信号を出力するＰＬＬ回路（図示略）を設け、ＰＬＬ回路からの出力によりインバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとを共振させる構成であって、電圧センサ２１３が必要とされていた（図６（Ｂ）参照）。

しかし、本実施形態のインバータ制御装置１０では、インバータ出力電圧Ｖの周期Ｔの中間点ｔｍにおける誘導加熱回路３０のインバータ出力電流Ｉの電流値Ｉｍのみに基づいて、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとを共振させるため、インバータ制御装置１０において電圧センサ２１３を省略することできる。すなわち、インバータ回路１１と電流センサ１２のみでインバータ制御装置１０を構成できる。

また、従来の誘導加熱装置２００のインバータ制御装置２１０では、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとを共振させるのみであって、例えばインバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとの位相差φを任意の位相差φｓとして制御することができなかった。

しかし、本実施形態のインバータ制御装置１０では、インバータ出力電圧Ｖの周期Ｔの中間点ｔｍにおける電流値Ｉｍを検出するタイミングをずらすことで、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとの位相差φを任意の位相差φｓとして制御することができる。

ここで、インバータ出力電圧Ｖに対してインバータ出力電流Ｉが若干遅角している場合には、絶縁ゲート型両極性トランジスタへの電流のОＮ／ОＦＦ時にサージ電圧が発生しないことが分かっている。サージ電圧とは、電気回路などに瞬間的に定常状態を超えて発生する大波電圧のことをいう。従来、誘導加熱装置２００のインバータ制御装置２１０では、サージ電圧を吸収するために各インバータ回路２２３にスナバ回路２２３Ａを設ける必要があった（図６（Ｂ）参照）。

しかし、本実施形態のインバータ制御装置１０では、インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉとの位相差φを任意の位相差φｓとして制御することができるため、インバータ出力電圧Ｖに対してインバータ出力電流Ｉが若干遅角するように制御することで、サージ電圧の発生を防止できる。そのため、インバータ電源２０においてサージ電圧を吸収するスナバ回路２２３Ａをそれぞれのインバータ回路２２３から省略することができる。すなわち、スナバ回路２２３Ａのないインバータ回路２２３によってインバータ電源２０を構成できる。

このようにして、インバータ制御装置１０およびこれを用いるインバータ制御によれば、簡易な構成でインバータ制御装置１０およびインバータ電源２０を構成でき、インバータ制御を実現できる。

さらに、インバータ出力電流Ｉの実効値Ｉｏ（誘導加熱装置１００の出力電流Ｉｏ、図３参照）とインバータ出力電圧Ｖの実効値Ｖｏとの関係は下記の数式（Ｓ−２）で表されることが分かっている。

ここで、数式（Ｓ―２）は、共振点で電流Ｉｏが最大となり、共振周波数から周波数をずらすことにより、電流Ｉｏを小さくコントロールできることを示している。そのため、インバータ制御装置１０は、インバータ出力電圧Ｖの周波数ｆを制御することで、誘導加熱装置１００の出力電流Ｉｏを制御することができる。

１０ インバータ制御装置
１１ コントローラ
１２ 電流センサ
２０ インバータ電源
３０ 誘導加熱回路
１００ 誘導加熱装置
Ｖ インバータ出力電圧
Ｉ インバータ出力電流
φ インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉの位相差
φ１ インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉの位相差（インバータ制御前）
φｓ インバータ出力電圧Ｖとインバータ出力電流Ｉの任意の位相差（インバータ制御による任意の目標）
Ｔ インバータ出力電圧Ｖの周期
ｔｍ インバータ出力電圧Ｖの周期Ｔの中間点
ｔｓ 検出タイミング（位相差φｓ分のタイミング）
Ｉｍ インバータ出力電圧Ｖの周期Ｔの中間点ｔｍのインバータ出力電流
ｆ インバータ出力電圧Ｖの周波数

Claims (2)

1. インバータ電源によって駆動される誘導加熱装置に対するインバータ出力電圧とインバータ出力電流との位相差を制御するインバータ制御装置であって、
   前記誘導加熱装置に流れるインバータ出力電流を検出する電流センサと、
   前記インバータ出力電圧と前記インバータ出力電流との位相差を制御するコントローラと、
   を具備し、
   前記コントローラは、
   前記インバータ出力電圧の周期の中間点を認識し、
   前記電流センサによって前記中間点から任意の前記位相差分のタイミングだけずらした検出タイミングにおける前記インバータ出力電流を認識し、
   前記検出タイミングにおける前記インバータ出力電流が０となるまで、前記インバータ出力電圧の周波数を変更して、
   前記インバータ出力電圧と前記インバータ出力電流との位相差を制御する、
   インバータ制御装置。
2. インバータ電源によって駆動される誘導加熱装置に対するインバータの出力電圧と出力電流との位相差を制御するインバータ制御装置を用いるインバータ制御方法であって、
   前記インバータ出力電圧の周期の中間点を認識し、
   前記中間点から任意の前記位相差分のタイミングだけずらした検出タイミングにおける前記インバータ出力電流の電流値を認識し、
   前記検出タイミングにおける前記インバータ出力電流が０となるまで、前記インバータ出力電圧の周波数を変更して、
   前記インバータ出力電圧と前記インバータ出力電流との位相差を制御する、
   インバータ制御方法。

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