JP5803711B2 - Induction heating inverter power supply and overvoltage protection method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、誘導加熱インバータ電源及びその過電圧保護方法に関するものである。 The present invention relates to an induction heating inverter power supply and an overvoltage protection method thereof.
鉄鋼プロセスにおいて、鋼板を加熱する工程は必須工程であり、例えば通板中の鋼板を加熱する際に、誘導加熱装置が用いられている。誘導加熱装置は、加熱コイルを有し、この加熱コイルにより誘起された渦電流により導体板を加熱する装置である。この誘導加熱装置では、加熱コイルから発生した交番磁界(交流磁界)により導体板に渦電流を誘起させ、この渦電流によって導体板中にジュール熱を発生させている。 In the steel process, a step of heating a steel plate is an essential step, and an induction heating device is used, for example, when heating a steel plate in a plate. The induction heating device is a device that has a heating coil and heats a conductor plate by an eddy current induced by the heating coil. In this induction heating apparatus, an eddy current is induced in a conductor plate by an alternating magnetic field (AC magnetic field) generated from a heating coil, and Joule heat is generated in the conductor plate by this eddy current.
このような誘導加熱装置の一つとして、例えば、加熱対象の導体板の板面に略垂直に交差するように交番磁界が導体板に与えられるいわゆるトランスバース方式の誘導加熱装置がある。トランスバース方式の誘導加熱装置を制御する方法として特許文献1に開示された技術がある。特許文献1では、誘導加熱装置を構成する加熱コイルと並列にコンデンサを設けて加熱コイルとコンデンサとの並列共振回路を構成し、並列共振型のインバータにより加熱コイルに給電している。
As one of such induction heating devices, for example, there is a so-called transverse type induction heating device in which an alternating magnetic field is applied to a conductor plate so as to intersect the plate surface of the conductor plate to be heated substantially perpendicularly. As a method for controlling a transverse induction heating apparatus, there is a technique disclosed in
一方、特許文献2には、P−MOSFETや、逆導通ダイオードを並列接続したトランジスタ等の逆阻止能力を持たないが順方向制御が可能なオン抵抗の低い4つの半導体素子を用いて、順逆両方向の電流をゲートの制御のみでオン・オフ可能なスイッチで、かつ遮断時の電流の持つ磁気エネルギーをスナバーコンデンサに蓄積し、次回オンするときに負荷側に放出することによってエネルギーのロスなく制御できる磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ(以下、「磁気エネルギー回生スイッチ」という。)が開示されており、効率的な誘導加熱に応用されることが期待されている。
On the other hand,
しかしながら、特許文献2に記載された磁気エネルギー回生スイッチを用いた誘導加熱装置は図3に示すように電流源タイプの電源装置であるから、加熱対象の鋼板が破断ないし溶断した場合にはコンデンサに電流が流れ続けることになり当該コンデンサの両端にかかる電圧が限界を超えてしまい電源装置内に装備された半導体素子が破壊するという問題が生じる。
However, since the induction heating device using the magnetic energy regenerative switch described in
一般的な過電圧保護回路は、閾値を設けてそれ以上の電圧を検出した時点で保護動作を開始するが、電圧の異常を検出してから保護完了までには相当の時間を要し30kHz〜数百kHzのスイッチング速度に応じて制御される装置の場合には短時間で破壊電圧以上に上昇し装置故障となりうる。また、一度、誘導加熱用電源が故障すると故障復旧には3〜8時間程度操業を停止する必要があり、操業コストを増大させる結果となる。 A general overvoltage protection circuit starts a protection operation when a threshold value is set and a voltage higher than that is detected, but it takes a considerable time from the detection of a voltage abnormality to the completion of protection. In the case of a device controlled in accordance with a switching speed of 100 kHz, the breakdown voltage can be increased to a breakdown voltage in a short time, resulting in device failure. In addition, once the induction heating power source fails, it is necessary to stop the operation for about 3 to 8 hours for the failure recovery, resulting in an increase in the operation cost.
本発明は、上記の課題を解決すべくなされたものであって、誘導加熱インバータ電源に装備されているコンデンサ及び半導体素子を保護しうる機能を装備した誘導加熱インバータ電源及びその過電圧保護方法を提案することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and proposes an induction heating inverter power supply equipped with a function capable of protecting a capacitor and a semiconductor element provided in the induction heating inverter power supply and an overvoltage protection method thereof. There is to do.
発明者らは、コンデンサと並列に接続された電気抵抗とスイッチング素子の回路を構成するとともに、誘導加熱供給電流と電源電流を計測し、これら両電流値からコンデンサの両端に生じる電圧の最大値を計算し、この電圧が限界電圧を超える場合には加熱対象の鋼板が破断ないし溶断したと推定して、直ちに当該スイッチング素子を導通させることで、コンデンサの両端の電圧が限界値をこえることを防止することでインバータ電源装置に装備された半導体素子の破壊を回避できることを見出した。 The inventors configured a circuit of an electric resistance and a switching element connected in parallel with the capacitor, measured the induction heating supply current and the power supply current, and determined the maximum value of the voltage generated at both ends of the capacitor from these both current values. If this voltage exceeds the limit voltage, it is assumed that the steel sheet to be heated is broken or blown, and the switching element is immediately turned on to prevent the voltage across the capacitor from exceeding the limit value. By doing so, it was found that the destruction of the semiconductor element equipped in the inverter power supply device can be avoided.
本発明の要旨とするところは以下の通りである。
(1)2つのレッグの端点同士を接合したブリッジ回路を有し、該ブリッジ回路の4つの各枝には、スイッチング素子Aとダイオードを逆並列に接続した逆阻止能力を持たない半導体デバイスを各1個接続し、1つのレッグにはその中点を挟んで前記半導体デバイス中のダイオードの順方向が向き合うように半導体デバイスが2個1組で接続され、他のレッグにはその中点を挟んで前記半導体デバイス中のダイオードの順方向が背き合うように半導体デバイスが2個1組で接続されており、
前記ブリッジ回路の2つのレッグの中点と中点との間に
コンデンサ、
電気抵抗とスイッチング素子Bを直列に接続した回路、
サイリスタコンバータとリアクトルを直列に接続した回路、
を並列に接続し、
前記サイリスタコンバータには3相交流電源が接続されて前記ブリッジの端子から電力を供給可能であり、
誘導加熱装置に供給する電流(以下、「誘導加熱供給電流」という。)を計測する手段と、
前記3相交流電流源並びに前記サイリスタコンバータとリアクトルを直列に接続した回路から供給される電流(以下、「電源電流」という。)を計測する手段と、
前記4つの半導体デバイスのいずれか2個1組がOFFした時の前記誘導加熱供給電流の計測値と前記電源電流の計測値とを入力として前記4つの半導体デバイスのいずれか2個1組がOFFした時から前記コンデンサの両端に生じる電圧の最大値(以下、「最大コンデンサ電圧」という。)を計算する手段と、
当該最大コンデンサ電圧が予め設定された前記半導体デバイスの限界電圧を超える場合には直ちにスイッチング素子BをONする手段と、
を有することを特徴とする誘導加熱インバータ電源。
(2)前記リアクトルは、6.6kV系統の場合10〜15mHであることを特徴とする(1)に記載の誘導加熱インバータ電源。
(3)スイッチング素子AにはMOSFET、IGBT、GTO、BJTのいずれか一つ、スイッチング素子BにはMOSFET、IGBT、GTO、BJTのいずれか一つを用い、ダイオードにはファーストリカバリーダイオードを使用することを特徴とする(1)に記載の誘導加熱インバータ電源。
(4)2つのレッグの端点同士を接合したブリッジ回路を有し、該ブリッジ回路の4つの各枝には、スイッチング素子Aとダイオードを逆並列に接続した逆阻止能力を持たない半導体デバイスを各1個接続し、1つのレッグにはその中点を挟んで前記半導体デバイス中のダイオードの順方向が向き合うように半導体デバイスが2個1組で接続され、他のレッグにはその中点を挟んで前記半導体デバイス中のダイオードの順方向が背き合うように半導体デバイスが2個1組で接続されており、
前記ブリッジ回路の2つのレッグの中点と中点との間に
コンデンサ、
電気抵抗とスイッチング素子Bを直列に接続した回路、
サイリスタコンバータとリアクトルを直列に接続した回路、
を並列に接続し、
前記サイリスタコンバータには3相交流電源が接続されて前記ブリッジの端子から電力を供給可能である誘導加熱インバータ電源の過電圧保護方法であって、
誘導加熱装置に供給する電流(以下、「誘導加熱供給電流」という。)を計測するステップと、
前記3相交流電流源並びに前記サイリスタコンバータとリアクトルを直列に接続した回路から供給される電流(以下、「電源電流」という。)を計測するステップと、
前記4つの半導体デバイスのいずれか2個1組がOFFした時の前記誘導加熱供給電流の計測値と前記電源電流の計測値とを入力として前記4つの半導体デバイスのいずれか2個1組がOFFした時から前記コンデンサの両端に生じる電圧の最大値(以下、「最大コンデンサ電圧」という。)を計算するステップと、
当該最大コンデンサ電圧が予め設定された前記半導体デバイスの限界電圧を超える場合には直ちにスイッチング素子BをONするステップと、
を有することを特徴とする誘導加熱インバータ電源の過電圧保護方法。
(4)前記リアクトルは、6.6kV系統の場合10〜15mHであることを特徴とする(4)に記載の誘導加熱インバータ電源の過電圧保護方法。
(5)スイッチング素子AにはMOSFET、IGBT、GTO、BJTのいずれか一つ、スイッチング素子BにはMOSFET、IGBT、GTO、BJTのいずれか一つを用い、ダイオードにはファーストリカバリーダイオードを使用することを特徴とする(4)に記載の誘導加熱インバータ電源の過電圧保護方法。
The gist of the present invention is as follows.
(1) A bridge circuit in which the end points of two legs are joined to each other, and each of the four branches of the bridge circuit includes a semiconductor device having no reverse blocking capability in which a switching element A and a diode are connected in antiparallel. One semiconductor device is connected in a pair so that the forward direction of the diodes in the semiconductor device faces each other with the midpoint sandwiched between one leg, and the midpoint is sandwiched between the other legs. The semiconductor devices are connected in pairs so that the forward directions of the diodes in the semiconductor devices are reversed.
A capacitor between the midpoint and midpoint of the two legs of the bridge circuit;
A circuit in which an electrical resistance and a switching element B are connected in series;
A circuit in which a thyristor converter and a reactor are connected in series,
Connected in parallel,
A three-phase AC power source is connected to the thyristor converter and power can be supplied from a terminal of the bridge.
Means for measuring a current supplied to the induction heating device (hereinafter referred to as “induction heating supply current”);
Means for measuring a current (hereinafter referred to as “power supply current”) supplied from a circuit in which the three-phase alternating current source and the thyristor converter and the reactor are connected in series;
When any two of the four semiconductor devices are turned off, the measured value of the induction heating supply current and the measured value of the power supply current are input, and any two of the four semiconductor devices are turned off. Means for calculating a maximum value of voltage generated between both ends of the capacitor (hereinafter referred to as “maximum capacitor voltage”);
Means for immediately turning on the switching element B when the maximum capacitor voltage exceeds a preset limit voltage of the semiconductor device;
An induction heating inverter power supply characterized by comprising:
(2) The induction heating inverter power source according to (1), wherein the reactor is 10 to 15 mH in the case of a 6.6 kV system.
(3) Any one of MOSFET, IGBT, GTO, and BJT is used for the switching element A, any one of MOSFET, IGBT, GTO, and BJT is used for the switching element B, and a fast recovery diode is used for the diode. The induction heating inverter power supply according to (1), wherein
(4) A bridge circuit in which the end points of two legs are joined to each other, and each of the four branches of the bridge circuit includes a semiconductor device having no reverse blocking capability in which a switching element A and a diode are connected in antiparallel. One semiconductor device is connected in a pair so that the forward direction of the diodes in the semiconductor device faces each other with the midpoint sandwiched between one leg, and the midpoint is sandwiched between the other legs. The semiconductor devices are connected in pairs so that the forward directions of the diodes in the semiconductor devices are reversed.
A capacitor between the midpoint and midpoint of the two legs of the bridge circuit;
A circuit in which an electrical resistance and a switching element B are connected in series;
A circuit in which a thyristor converter and a reactor are connected in series,
Connected in parallel,
The thyristor converter is a method for overvoltage protection of an induction heating inverter power supply, in which a three-phase AC power supply is connected and power can be supplied from the terminal of the bridge,
Measuring a current supplied to the induction heating device (hereinafter referred to as “induction heating supply current”);
Measuring a current (hereinafter referred to as “power supply current”) supplied from a circuit in which the three-phase alternating current source and the thyristor converter and a reactor are connected in series;
When any two of the four semiconductor devices are turned off, the measured value of the induction heating supply current and the measured value of the power supply current are input, and any two of the four semiconductor devices are turned off. Calculating a maximum value of voltage generated between both ends of the capacitor (hereinafter referred to as “maximum capacitor voltage”);
A step of immediately turning on the switching element B when the maximum capacitor voltage exceeds a preset limit voltage of the semiconductor device;
An overvoltage protection method for an induction heating inverter power supply, comprising:
(4) The overvoltage protection method for an induction heating inverter power source according to (4), wherein the reactor is 10 to 15 mH in the case of a 6.6 kV system.
(5) Any one of MOSFET, IGBT, GTO, and BJT is used as the switching element A, any one of MOSFET, IGBT, GTO, and BJT is used as the switching element B, and a fast recovery diode is used as the diode. The overvoltage protection method for an induction heating inverter power supply according to (4),
スイッチング素子Aとダイオードを逆並列に接続した半導体デバイスを4つの各枝に有するブリッジ回路からなるインバータ装置と、インバータ装置の入力側にコンデンサを有する誘導加熱のためのインバータ電源装置において、電気抵抗とスイッチング素子Bを直列に接続した回路をコンデンサに並列に接続しているので、加熱対象である鋼板の破断ないし溶断が生じた場合に直ちにスイッチング素子BをONさせることにより、コンデンサの電圧上昇を阻止して当該装置に装備された半導体素子の破損を未然に防ぐことができるという顕著な効果を奏する。 In an inverter device comprising a bridge circuit having a semiconductor device in which a switching element A and a diode are connected in antiparallel in four branches, and an inverter power supply device for induction heating having a capacitor on the input side of the inverter device, Since the circuit in which the switching element B is connected in series is connected in parallel to the capacitor, the switching element B is immediately turned on when the steel sheet to be heated breaks or melts, thereby preventing the capacitor voltage from rising. As a result, the semiconductor device equipped in the apparatus can be prevented from being damaged.
本発明の実施形態は、図1に示す誘導加熱インバータ電源である。 The embodiment of the present invention is an induction heating inverter power supply shown in FIG.
図1に示すように、2つのレッグの端点同士を端子13、14で接合したブリッジ回路を有し、該ブリッジ回路の4つの各枝には、スイッチング素子Aとダイオードを逆並列に接続した逆阻止能力を持たない半導体デバイスを各1個接続したブリッジ回路を基調としている。スイッチング素子Aとダイオードとを逆並列に接続した逆阻止能力を持たない半導体デバイスU,V,X,Yは1、2、3、4であり、これらはブリッジ回路の4つの各枝に1個接続した回路を構成している。
As shown in FIG. 1, it has a bridge circuit in which the end points of two legs are joined by
当該ブリッジ回路の1つのレッグにはその中点11を挟んで前記半導体デバイス中のダイオードの順方向が向き合うように半導体デバイスU、Vが2個1組で接続され、他のレッグにはその中点12を挟んで前記半導体デバイス中のダイオードの順方向が背き合うように半導体デバイスX、Yが2個1組で接続されている。このブリッジ回路がインバータ装置を構成する。
A pair of semiconductor devices U and V are connected to one leg of the bridge circuit so that the forward direction of the diodes in the semiconductor device faces each other with the
一つのレッグの中点11と他のレッグの中点12との間には、1)コンデンサCMERS5を有する回路、2)電気抵抗Rb6とスイッチング素子B7を直列に接続した回路、3)サイリスタコンバータ8とリアクトルLdc9を直列に接続した回路の合計3つの回路が並列に接続されている。また、サイリスタコンバータ8には三相交流電源10が接続されている。本発明ではさらに、上記3)サイリスタコンバータ8とリアクトルLdc9を直列に接続した回路を流れる電流を計測する電流計測装置16が設置される。
Between the
本発明のインバータ電源を誘導加熱に用いるに際しては、ブリッジ回路の2つのレッグの端点同士を結合した2つの端点(端子13、14)に誘導加熱コイルを接続し、鋼板の誘導加熱を行う。これにより、誘導加熱装置20に対しては、端子13、14より電力が供給される。本発明ではさらに、端子13、14から供給される電流を計測する電流計測装置15が設置される。
When the inverter power supply of the present invention is used for induction heating, an induction heating coil is connected to two end points (
電流計測装置15により端子13、14から供給される電流が計測され、電流計測装置16により三相交流電源10、サイリスタコンバータ並びにとリアクトルLdc9から供給される電流が計測される。
The current supplied from the
電流計測装置15、16の計測値は、時々刻々、コンデンサ最大電圧計算機40に送られ、4つの半導体デバイスのいずれか2個1組がOFFした時の電流値を用いて最大コンデンサ電圧すなわちコンデンサCMERS5の両端に生じる電圧の最大値の推定計算を開始する。最大コンデンサ電圧の推定値が半導体素子の破壊電圧を超える場合にはコンデンサ最大電圧計算機40からON信号(スイッチング素子Bのゲート信号)が出力され、スイッチング素子BがON状態となる。
The measured values of the
ここで、リアクトルは、6.6kV系統の場合10〜15mHであることが望ましい。これは、リアクトルが10mH未満だとリアクトルとサイリスタコンバータとが直列に接続された回路を図3の左側のように電流源と見なせなくなるからである。一方、15mH超のリアクトルを製造するには必要以上にコストがかかることから、上限を15mHとしている。 Here, the reactor is preferably 10 to 15 mH in the case of the 6.6 kV system. This is because if the reactor is less than 10 mH, a circuit in which the reactor and the thyristor converter are connected in series cannot be regarded as a current source as shown on the left side of FIG. On the other hand, since it costs more than necessary to manufacture a reactor of more than 15 mH, the upper limit is set to 15 mH.
また、スイッチング素子AにはMOSFET、IGBT、GTO、BJTのいずれか一つ、スイッチング素子BにはMOSFET、IGBT、GTO、BJTのいずれか一つを用いることが望ましい。これは、30kHz〜数百kHzのスイッチング速度が必要だからである。 Further, it is desirable to use any one of MOSFET, IGBT, GTO, and BJT as the switching element A, and any one of MOSFET, IGBT, GTO, and BJT as the switching element B. This is because a switching speed of 30 kHz to several hundred kHz is necessary.
電気抵抗Rb6は、コンデンサ電圧の推定値が半導体素子の破壊電圧を 超えた場合、瞬時にスイッチング素子B7をONして短絡回路を形成するために、コンデンサと同じ耐圧を有し、30(Ω)〜100(Ω)程度の低い値であることが望ましい。 When the estimated value of the capacitor voltage exceeds the breakdown voltage of the semiconductor element, the electric resistance R b 6 has the same breakdown voltage as the capacitor in order to instantaneously turn on the switching element B7 to form a short circuit, and 30 ( A low value of about Ω) to 100 (Ω) is desirable.
さらに、ダイオードにはファーストリカバリーダイオードを使用することが望ましい。これは、そのダイオードに数十kHz〜数百kHzの高周波電流が流れるため、ターンオフ・オンともに速い必要があるためで、ターンオン・オフともに高速で無いダイオードを使用すると常に導通状態となりダイオードとして機能しないからである。 Furthermore, it is desirable to use a fast recovery diode as the diode. This is because a high-frequency current of several tens of kHz to several hundreds of kHz flows through the diode, so it is necessary to be fast both in turn-off and on. If a diode that is not fast in both turn-on and off is used, it is always in a conductive state and does not function as a diode. Because.
(誘導加熱インバータ電源の動作)
図2を用いて誘導加熱インバータ電源の動作を説明する。
(Operation of induction heating inverter power supply)
The operation of the induction heating inverter power supply will be described with reference to FIG.
図2(b)には加熱対象である鋼板が破断・溶断しない場合の動作が記載されている。ここで、半導体デバイスU1、半導体デバイスY4のゲート信号が同時にONするとともに半導体デバイスV2、半導体デバイスX3のゲート信号が同時にOFFする。
また、導体デバイスU1、半導体デバイスY4のゲート信号が同時にOFFするとともに半導体デバイスV2、半導体デバイスX3のゲート信号が同時にONする。
FIG. 2B shows the operation when the steel plate to be heated does not break or blow. Here, the gate signals of the semiconductor device U1 and the semiconductor device Y4 are simultaneously turned ON, and the gate signals of the semiconductor device V2 and the semiconductor device X3 are simultaneously turned OFF.
Further, the gate signals of the conductor device U1 and the semiconductor device Y4 are simultaneously turned OFF, and the gate signals of the semiconductor device V2 and the semiconductor device X3 are simultaneously turned ON.
半導体デバイスのオン・オフは所定の周期で繰り返される。このとき、コンデンサCMERS5の電圧Vcには図示されるような脈流が得られる。鋼板が破断・溶断しない場合であるからコンデンサCMERS5の電圧Vcに異常な電圧は発生しない。また、結果として、スイッチング素子Bのゲート信号が立ち上がることはない。 The semiconductor device is repeatedly turned on and off at a predetermined cycle. At this time, a pulsating flow as shown in the figure is obtained in the voltage V c of the capacitor C MERS 5. Since the steel sheet does not break or melt, no abnormal voltage is generated in the voltage V c of the capacitor C MERS 5. As a result, the gate signal of the switching element B does not rise.
図2(a)には加熱対象である鋼板が破断・溶断した場合の動作が記載されている。すなわち、半導体デバイスU1、半導体デバイスY4のゲート信号が同時にONするとともに半導体デバイスV2、半導体デバイスX3のゲート信号が同時にOFFした直後の下向き矢印の時刻で板破断が発生した。従来装置の場合には、コンデンサCMERS5の電圧Vcは図2(a)の破線のような電圧となりピーク電圧が限界電圧を超えるので、コンデンサや半導体素子が破壊される電圧に至り、当該コンデンサや半導体素子が破壊される。 FIG. 2 (a) shows the operation when the steel sheet to be heated is broken or melted. That is, the plate breakage occurred at the time indicated by the downward arrow immediately after the gate signals of the semiconductor device U1 and the semiconductor device Y4 were simultaneously turned ON and the gate signals of the semiconductor device V2 and the semiconductor device X3 were simultaneously turned OFF. In the case of the conventional apparatus, the voltage V c of the capacitor C MERS 5 becomes a voltage as shown by the broken line in FIG. 2A, and the peak voltage exceeds the limit voltage. Capacitors and semiconductor elements are destroyed.
一方、板破断が発生すると、図2(a)の「コイル電流iload(誘導加熱供給電流)」、「電源電流idc」にそれぞれ破線で記載したように各電流値が上昇する。そこで本発明においては、誘導加熱供給電流と電源電流を計測し、コンデンサ最大電圧計算機40においてこれら両電流値からコンデンサの両端に生じる電圧の最大値を計算する。そして、最大コンデンサ電圧の推定値が半導体素子の破壊電圧を超える場合にはコンデンサ最大電圧計算機40から直ちにスイッチング素子Bのゲート信号(ON信号)が出力され、スイッチング素子BがON状態となる。その結果、コンデンサCMERS5の両端が実質的に短絡され、電圧Vcは図2(a)の実線のような経過をたどり、電圧の上昇が阻止される。コンデンサCMERS5の電圧Vcはその両端が短絡されない場合には点線のような電圧となり半導体素子が破壊される電圧に至るのに対し、本発明では当該半導体素子が破壊されるのを防止する。
On the other hand, when the plate breaks, each current value increases as indicated by broken lines in “coil current i load (induction heating supply current)” and “power supply current i dc ” in FIG. Therefore, in the present invention, the induction heating supply current and the power supply current are measured, and the maximum value of the voltage generated at both ends of the capacitor is calculated from these both current values in the capacitor
なお、半導体素子の破壊電圧は予め設定されている。 The breakdown voltage of the semiconductor element is set in advance.
(鋼板が破断・溶断した際のCMERS5両端の電圧挙動)
図2(a)に説明されているように、最大コンデンサ電圧の推定値が半導体素子の破壊電圧を超えると推定される場合とは、鋼板が破断・溶断した場合と考えられることを発明者らは見出した。
(Voltage behavior at both ends of C MERS 5 when steel sheet breaks or melts)
As illustrated in FIG. 2 (a), the inventors believe that the case where the estimated value of the maximum capacitor voltage is estimated to exceed the breakdown voltage of the semiconductor element is considered to be a case where the steel sheet is broken or blown. Found.
このような場合において、例えば半導体デバイスU1、半導体デバイスY4のゲート信号が同時にOFFからONになり、半導体デバイスV2、半導体デバイスX3のゲート信号がONからOFFになった以降の時点を例にとり、当該時刻からコンデンサCMERS5の両端の電圧の挙動について説明する。 In such a case, for example, the time point after the gate signals of the semiconductor device U1 and the semiconductor device Y4 are simultaneously turned from OFF to ON and the gate signals of the semiconductor device V2 and the semiconductor device X3 are turned from ON to OFF is taken as an example. The behavior of the voltage across the capacitor C MERS 5 from the time will be described.
半導体デバイスU1、Y4についてゲート信号がONとなって両半導体デバイスが導通となり、半導体デバイスV2、X3についてゲート信号がOFFとなって両半導体デバイスが切断となった直後は図4のように電流が流れる。このとき、電流源30から流れる電流idcは、直流であるIdcである。
As shown in FIG. 4, immediately after the gate signals are turned on for the semiconductor devices U1 and Y4, both semiconductor devices are turned on, and the gate signals are turned off for the semiconductor devices V2 and X3. Flowing. At this time, the current i dc flowing from the
また、電源装置から誘導加熱装置ならびに加熱される鋼板20を見込んだときに、そのインダクタンスLhと電気抵抗Rhが既知で、かつ、電気抵抗Rhが無視できる程度に小さいとする。このとき、電流源からの電流idcと誘導加熱装置に流れる電流iloadは、次の微分方程式にしたがう。
即ち、CMERSの両端の電圧の最大値Vc_peakは、上記[数8]を用いて誘導加熱装置ならびに加熱される鋼板20に流れる電流Iloadoffと電流源からの電流Idcの計測値から算出できる。
That is, the maximum value V C_peak of the voltage across the C MERS is calculated from the measured value of the current I dc from the current I Loadoff a current source flows through the
今、誘導加熱途中において、加熱される鋼板が破断・溶断した場合には、鋼板の抵抗値は急激に減少し、鋼板のインダクタンス値は増加する。誘導加熱装置20のインピーダンスZloadは加熱コイルと鋼板の抵抗値、及びインダクタンス値から決定され、Zload=[Rh 2+(ωLC・Lh)2]1/2で表される。ここで、Rhは加熱コイルと鋼板の抵抗値であり、Lhは加熱コイルと鋼板のインダクタンス値である。
Now, when the steel sheet to be heated is broken or melted during induction heating, the resistance value of the steel sheet decreases rapidly and the inductance value of the steel sheet increases. The impedance Z load of the
周波数が数10(kHz)以上となる場合には、R2 ≪(ωLC・Lh)2となることから、Zload≒ωLC・Lhとなり、加熱される鋼板が破断・溶断した場合には、誘導加熱装置20の電圧Vloadは、Vload=Zload・Iloadより、鋼板のインダクタンス値Zloadの増加によって増加する。これにともない、電流Iloadも図2(a)に示したように増加する。その結果、半導体デバイスV,XのゲートをOFFした瞬間に流れる電流であるIloadoffも加熱される鋼板が破断・溶断した場合には増加することになる。
When the frequency is several tens (kHz) or more, R 2 << (ω LC · L h ) 2 , so Z load ≈ω LC · L h , and the heated steel sheet breaks or blows In this case, the voltage V load of the
また、電流源30から流れる電流idcは直流電流Idcであり、加熱される鋼板が破断・溶断した場合には、図2(a)に示したように鋼板の抵抗値が急激に減少することからIdcは増加する。
Further, the current i dc flowing from the
このように、加熱される鋼板が破断・溶断した場合には、Idcが跳ね上がり、Iloadoffは増加する。これを電流計測装置15ないし電流計測装置16で観測することができることを発明者らは見出した。
Thus, when the steel plate to be heated is broken or blown, I dc jumps up and I loadoff increases. The inventors have found that this can be observed with the
そこで、コンデンサ最大電圧計算機40は、供給電流を計測する電流計測装置15から得られる前記4つの半導体デバイスのうち2つがOFFした時の前記電流計の指示値Iloadoffと、電流計測装置16から得られるサイリスタコンバータにより供給される電流値Idcの両計測値を用いて、4つの半導体デバイスのうち2つががOFFしてから前記コンデンサの両端に生じる最大電圧を計算し、これが予め設定された破壊電圧を超えると判断した場合には、スイッチング素子B7を短絡させることで回路素子の破壊を回避することができる。
Therefore, the capacitor
本発明の例及び比較例を評価した結果を表1に記す。本発明例1〜7は板破断ないし溶断が生じても、回路破損が生じずに良好であった。しかし、比較例1〜2の場合は、板破断ないし溶断が生じた場合には回路破損が生じてしまい不良であった。 The results of evaluating the examples of the present invention and the comparative examples are shown in Table 1. Inventive Examples 1 to 7 were satisfactory with no circuit breakage even when the plate was broken or melted. However, in the case of Comparative Examples 1 and 2, when the plate breakage or fusing occurred, the circuit breakage occurred and was defective.
1〜4:半導体デバイス
5:コンデンサ
6:抵抗Rb
7:スイッチング素子B
8:サイリスタコンバータ
9:リアクトルLdc
10:三相交流電源
11:ブリッジ回路の一つのレッグの中点
12:ブリッジ回路の他のレッグの中点
13:出力端子1
14:出力端子2
15:電流計測装置
16:電流計測装置
20:誘導加熱装置ならびに加熱される鋼板の電気抵抗とインダクタンス
30:電流源
40:コンデンサ最大電圧計算機
1-4: Semiconductor device 5: Capacitor 6: Resistor Rb
7: Switching element B
8: Thyristor converter 9: Reactor L dc
10: Three-phase AC power supply 11: Midpoint of one leg of the bridge circuit 12: Midpoint of the other leg of the bridge circuit 13:
14:
15: Current measuring device 16: Current measuring device 20: Induction heating device and electric resistance and inductance of heated steel plate 30: Current source 40: Capacitor maximum voltage calculator
Claims (6)
前記ブリッジ回路の2つのレッグの中点と中点との間に
コンデンサ、
電気抵抗とスイッチング素子Bを直列に接続した回路、
サイリスタコンバータとリアクトルを直列に接続した回路、
を並列に接続し、
前記サイリスタコンバータには3相交流電源が接続されて前記ブリッジの端子から電力を供給可能であり、
誘導加熱装置に供給する電流(以下、「誘導加熱供給電流」という。)を計測する手段と、
前記3相交流電流源並びに前記サイリスタコンバータとリアクトルを直列に接続した回路から供給される電流(以下、「電源電流」という。)を計測する手段と、
前記4つの半導体デバイスのいずれか2個1組がOFFした時の前記誘導加熱供給電流の計測値と前記電源電流の計測値とを入力として前記4つの半導体デバイスのいずれか2個1組がOFFした時から前記コンデンサの両端に生じる電圧の最大値(以下、「最大コンデンサ電圧」という。)を計算する手段と、
当該最大コンデンサ電圧が予め設定された前記半導体デバイスの限界電圧を超える場合には直ちにスイッチング素子BをONする手段と、
を有することを特徴とする誘導加熱インバータ電源。 A bridge circuit in which the end points of two legs are joined to each other, and each of the four branches of the bridge circuit is connected to a semiconductor device having no reverse blocking ability, in which switching elements A and diodes are connected in antiparallel. The semiconductor device is connected in pairs so that the forward direction of the diodes in the semiconductor device faces each other with the midpoint sandwiched between one leg and the semiconductor with the midpoint sandwiched between the other legs. Two semiconductor devices are connected in pairs so that the forward directions of the diodes in the device are reversed.
A capacitor between the midpoint and midpoint of the two legs of the bridge circuit;
A circuit in which an electrical resistance and a switching element B are connected in series;
A circuit in which a thyristor converter and a reactor are connected in series,
Connected in parallel,
A three-phase AC power source is connected to the thyristor converter and power can be supplied from a terminal of the bridge.
Means for measuring a current supplied to the induction heating device (hereinafter referred to as “induction heating supply current”);
Means for measuring a current (hereinafter referred to as “power supply current”) supplied from a circuit in which the three-phase alternating current source and the thyristor converter and the reactor are connected in series;
When any two of the four semiconductor devices are turned off, the measured value of the induction heating supply current and the measured value of the power supply current are input, and any two of the four semiconductor devices are turned off. Means for calculating a maximum value of voltage generated between both ends of the capacitor (hereinafter referred to as “maximum capacitor voltage”);
Means for immediately turning on the switching element B when the maximum capacitor voltage exceeds a preset limit voltage of the semiconductor device;
An induction heating inverter power supply characterized by comprising:
前記ブリッジ回路の2つのレッグの中点と中点との間に
コンデンサ、
電気抵抗とスイッチング素子Bを直列に接続した回路、
サイリスタコンバータとリアクトルを直列に接続した回路、
を並列に接続し、
前記サイリスタコンバータには3相交流電源が接続されて前記ブリッジの端子から電力を供給可能である誘導加熱インバータ電源の過電圧保護方法であって、
誘導加熱装置に供給する電流(以下、「誘導加熱供給電流」という。)を計測するステップと、
前記3相交流電流源並びに前記サイリスタコンバータとリアクトルを直列に接続した回路から供給される電流(以下、「電源電流」という。)を計測するステップと、
前記4つの半導体デバイスのいずれか2個1組がOFFした時の前記誘導加熱供給電流の計測値と前記電源電流の計測値とを入力として前記4つの半導体デバイスのいずれか2個1組がOFFした時から前記コンデンサの両端に生じる電圧の最大値(以下、「最大コンデンサ電圧」という。)を計算するステップと、
当該最大コンデンサ電圧が予め設定された前記半導体デバイスの限界電圧を超える場合には直ちにスイッチング素子BをONするステップと、
を有することを特徴とする誘導加熱インバータ電源の過電圧保護方法。 A bridge circuit in which the end points of two legs are joined to each other, and each of the four branches of the bridge circuit is connected to a semiconductor device having no reverse blocking ability, in which switching elements A and diodes are connected in antiparallel. The semiconductor device is connected in pairs so that the forward direction of the diodes in the semiconductor device faces each other with the midpoint sandwiched between one leg and the semiconductor with the midpoint sandwiched between the other legs. Two semiconductor devices are connected in pairs so that the forward directions of the diodes in the device are reversed.
A capacitor between the midpoint and midpoint of the two legs of the bridge circuit;
A circuit in which an electrical resistance and a switching element B are connected in series;
A circuit in which a thyristor converter and a reactor are connected in series,
Connected in parallel,
The thyristor converter is a method for overvoltage protection of an induction heating inverter power supply, in which a three-phase AC power supply is connected and power can be supplied from the terminal of the bridge,
Measuring a current supplied to the induction heating device (hereinafter referred to as “induction heating supply current”);
Measuring a current (hereinafter referred to as “power supply current”) supplied from a circuit in which the three-phase alternating current source and the thyristor converter and a reactor are connected in series;
When any two of the four semiconductor devices are turned off, the measured value of the induction heating supply current and the measured value of the power supply current are input, and any two of the four semiconductor devices are turned off. Calculating a maximum value of voltage generated between both ends of the capacitor (hereinafter referred to as “maximum capacitor voltage”);
A step of immediately turning on the switching element B when the maximum capacitor voltage exceeds a preset limit voltage of the semiconductor device;
An overvoltage protection method for an induction heating inverter power supply, comprising:
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