JP5928788B2

JP5928788B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP5928788B2
Application number: JP2012036153A
Authority: JP
Inventors: 松永　和久; 和久松永
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2032-02-22
Also published as: JP2013171774A

Description

本発明は、複数台の誘導加熱ユニットを用いて被加熱物を加熱する場合に、各ユニットの加熱コイル相互の電磁干渉を防止する技術に関するものである。

長尺または大型の被加熱物を加熱する場合、複数の加熱コイルを互いに近接配置した状態で被加熱物を加熱すると、個々の加熱コイルを流れる高周波交流電流の周波数と位相の違いにより、加熱コイルが相互に電磁干渉することが知られている。
このような場合には、誘導加熱装置のインバータ回路を用いて加熱コイルに適切な高周波交流電力を供給することができず、所望の加熱効果を得ることができない。

上記の問題を解決する従来技術として、特許文献１に記載された誘導加熱装置が知られている。
図８は、特許文献１に記載された誘導加熱装置の概略的な構成を示した図である。図８において、１００ａ，１００ｂ，１００ｃは誘導加熱ユニット、１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃはインバータ回路、１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃは共振コンデンサ、１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃは交流電源、１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃは整流器、１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃは互いに近接して配置された加熱コイルである。また、２００は誘導加熱ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃを一括して制御するための自動追尾選択回路、２０１は位相比較回路、２０２は駆動回路、２０３は表示回路である。

この誘導加熱装置では、位相比較回路２０１が、インバータ回路１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃによる高周波交流電流の位相を検出し、各インバータ回路の共振周波数よりも高い周波数から周波数スイープを開始する。そして、各ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃの中で最初に共振点またはその近傍に到達するユニットをマスター機として自動選択し、駆動回路２０２にマスター機信号を送出する。
駆動回路２０２は、このマスター機信号に基づいて、当該マスター機に相当するインバータ回路の共振周波数と同一のスイッチング周波数で、すべてのインバータ回路１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃを駆動するための駆動信号を出力する。

これにより、マスター機として選択されたユニットのインバータ回路を除く他ユニットのインバータ回路がマスター機に追従してスレーブ動作し、マスター機の共振周波数である単一のスイッチング周波数によってすべてのインバータ回路１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃが駆動されることになる。
従って、近接して配置された加熱コイル１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃを流れる高周波交流電流の周波数や位相を一致させることができ、加熱コイル相互の電磁干渉を防止することができる。

特開２０１１-０１４３３１号公報（段落[００３３]〜[００６１]、図１等）

特許文献１に記載された従来技術では、制御回路としての自動追尾選択回路２００が複数台のインバータ回路１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃを一括して管理しているため、システムの構成を容易に変更することができない。
例えば、被加熱物の温度分布などの都合により加熱コイルを更に増設する場合には、システム全体の構成を見直す必要があり、このことは、一部の加熱コイルを除去（すなわち減設）する場合も同様である。

また、インバータ回路１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの出力の位相を検出する回路のうち１つでも故障が発生すると、当該インバータ回路に対応する位相信号が得られなくなり、位相比較回路２０１及び駆動回路２０２を介して駆動信号が与えられるすべてのインバータ回路１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃが運転不能になることが予想される。更に、インバータ回路１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの出力電流の周波数及び位相を同期させる前提として、まず、起動時に加熱コイルへ給電することが必要であるため、給電初期に加熱コイルの相互間で電磁干渉が発生し、給電できない恐れもある。

そこで、本発明の解決課題は、複数のインバータ回路に対する一括した制御回路を必要とせず、システム構成の変更や位相検出回路等の故障への対応を容易にすると共に、給電初期における加熱コイル相互間の電磁干渉を防止することができる誘導加熱装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、複数台の誘導加熱ユニット内のインバータ回路により、各誘導加熱ユニットに接続されて互いに近接配置された加熱コイルに高周波交流電流をそれぞれ通流させて被加熱物を加熱する誘導加熱装置であって、
前記誘導加熱ユニットは、前記インバータ回路の半導体スイッチング素子をオンオフ制御するための制御回路を個別に備え、前記制御回路は、他の誘導加熱ユニット内の制御回路との間で相互に通信を行う通信手段を備えると共に、前記通信手段を介して各誘導加熱ユニットの前記インバータ回路の出力電流の周波数及び位相を同期させた後に、前記インバータ回路によりそれぞれの加熱コイルに給電する誘導加熱装置において、
複数台の誘導加熱ユニットのうち任意の１台の誘導加熱ユニットの前記制御回路に、当該誘導加熱ユニットをマスター装置として選択するマスター装置選択指令が外部から入力されたときに、前記インバータ回路を運転するためのキャリアに基づき当該制御回路により生成した同期パルスを、スレーブ装置としての他の誘導加熱ユニット内の制御回路に送信し、
前記同期パルスを受信した他の誘導加熱ユニット内の制御回路は、前記マスター装置から送信された前記同期パルスと自己のインバータ回路を運転するためのキャリアとの時間差及び前記キャリアの振幅に基づいて自己の判定レベルの大きさを調整し、自己のキャリアと前記判定レベルとを比較して生成される自己の同期パルスの位相を、前記マスター装置から送信された同期パルスと同期させることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した誘導加熱装置において、前記通信手段は、前記同期パルスを送受信するためのＲＳ−４８５トランシーバを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数台の誘導加熱ユニットが個別に制御回路を備えているため、加熱コイルを増減させる必要が生じた場合でもシステム構成を容易に変更することができる。
また、従来技術のように１台の誘導加熱ユニットの位相検出信号に基づいてすべての誘導加熱ユニットのインバータ回路の駆動信号を得るものではないから、位相検出回路等の故障によってすべての誘導加熱ユニットが運転不能に陥る恐れがなく、仮にマスター装置としての誘導加熱ユニットが故障で停止した場合でも、外部からの指令によりマスター装置を他の誘導加熱ユニットに切り替えることで容易に復旧させることができる。
更に、マスター装置としての誘導加熱ユニットから送信された同期パルスに基づいてスレーブ装置としての他の誘導加熱ユニットが同期処理を行い、加熱コイルに流す高周波交流電流の周波数及び位相の同期が確保されてから加熱コイルに給電することにより、近接配置された加熱コイルの相互間で給電当初に電磁干渉を起こす心配もない。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。実施形態におけるマスター装置とスレーブ装置との間のデータ通信方法の概略的な説明図である。実施形態におけるマスター装置の同期パルスの生成方法の説明図である。実施形態におけるスレーブ装置のキャリアと受信パルスとの関係を示す図である。実施形態におけるスレーブ装置のキャリアと受信パルスとの関係を示す図であり、（ａ）はスレーブ装置のキャリア周波数がマスター装置のキャリア周波数より低い場合、（ｂ）は同じく高い場合である。スレーブ装置がマスター装置に対して進み位相である場合の動作を示す波形図である。スレーブ装置がマスター装置に対して遅れ位相である場合の動作を示す波形図である。特許文献１に記載された従来技術の構成を示すブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態に係る誘導加熱装置の構成を示すブロック図である。この誘導加熱装置は、複数台の誘導加熱ユニット１ａ〜１ｎ（ｎは任意の複数とする）を並列に配置し、互いに近接配置された各ユニットの加熱コイル６ａ〜６ｎによって被加熱物２０を加熱するシステムとして構成されている。

ここで、各誘導加熱ユニットの構成は同一であるため、１台の誘導加熱ユニット、例えば１ａについてその構成を説明する。
誘導加熱ユニット１ａにおいて、２ａは交流電力を直流電力に変換する整流回路であり、整流回路２ａから出力された直流電力はインバータ回路３ａにより交流電力に変換され、共振コンデンサ４ａを介して加熱コイル６ａに高周波交流電流が流れることにより、周知の原理によって被加熱物２０が誘導加熱される。

インバータ回路３ａの出力側には位相検出手段５ａが設けられており、その出力信号は、インバータ回路３ａの半導体スイッチング素子をオンオフ制御するための制御回路１０ａに入力されている。
制御回路１０ａには、外部から送られるマスター装置選択指令がマスター装置選択手段（スイッチ）１５を介して入力可能となっている。また、すべての誘導加熱ユニット１ａ〜１ｎの制御回路１０ａ〜１０ｎ相互間では、有線または無線の通信路１６を介してデータ通信が可能である。
ここで、制御回路１０ａ〜１０ｎは、ＣＰＵ等を含むマイコンや通信回路を備えている。

以下、本実施形態の動作を説明する。
ここでは、外部から送られるマスター装置選択指令及びマスター装置選択手段１５により誘導加熱ユニット１ａをマスター装置として選択し、その他の誘導加熱ユニット１ｂ〜１ｎをスレーブ装置として選択したものとする。

図２は、マスター装置（誘導加熱ユニット１ａ）とスレーブ装置（誘導加熱ユニット１ｂ〜１ｎ）との間のデータ通信方法の概略的な説明図である。
誘導加熱ユニット１ａ〜１ｎの制御回路１０ａ〜１０ｎは、相互にデータ通信を行うためにＲＳ-４８５トランシーバ１１ａ〜１１ｎを備え、ノイズによるデータエラーの発生を防止するようになっている。なお、本発明における通信プロトコルは、上記ＲＳ-４８５に限定されないことは言うまでもない。

誘導加熱ユニット１ａの制御回路１０ａは、図３上段に示すキャリア（インバータ回路３ａの半導体スイッチング素子を駆動するためのキャリア）と判定レベルとの比較によって生成した図３下段の同期パルスを、トランシーバ１１ａから通信路１６を介して誘導加熱ユニット１ｂ〜１ｎに送信する。これらの誘導加熱ユニット１ｂ〜１ｎの制御回路１０ｂ〜１０ｎでは、トランシーバ１１ａから送信された同期パルスをトランシーバ１１ｂ〜１１ｎがそれぞれ受信する。

図４は、スレーブ装置のキャリアと受信パルスとの関係を示す図であり、例えば誘導加熱ユニット１ｂの制御回路１０ｂにおけるキャリア（インバータ回路３ｂの半導体スイッチング素子を駆動するためのキャリア）と、マスター装置側の制御回路１０ａから送信されて受信した同期パルスとの関係を示している。
制御回路１０ｂでは、図４に示すように、自己のキャリアと受信パルスとの時間差ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４，……を求める。なお、ここでは、時間差ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４，……をキャリアの大きさに相当する縦軸方向の値として表している。

いま、マスター装置側の制御回路１０ａのキャリア周波数とスレーブ装置側の制御回路１０ｂのキャリア周波数とが一致せず、両者の間に時間差がある場合には、図５に示すような現象が起きる。
すなわち、図５(ａ)に示すように、スレーブ装置のキャリア周波数がマスター装置のキャリア周波数より低い場合には、一定期間にわたって時間差が次第に小さくなる動作を繰り返す。一方、図５(ｂ)に示すように、スレーブ装置のキャリア周波数がマスター装置のキャリア周波数より高い場合には、一定期間にわたって時間差が次第に大きくなる動作を繰り返す。

従って、スレーブ装置側の制御回路、例えば制御回路１０ｂは、上記時間差ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４，……の変化状態（減少または増加）を監視することにより、マスター装置側の制御回路１０ａのキャリアと自己の制御回路１０ｂのキャリアとの周波数の相違を検出することができる。そして、スレーブ装置側では、時間差ｔ_１＝ｔ_２＝ｔ_３＝ｔ_４＝……となるように制御回路１０ｂのキャリア周波数を調整すれば、そのキャリア周波数をマスター装置側の制御回路１０ａのキャリア周波数と一致させることができる。

こうして制御回路１０ｂのキャリア周波数を制御回路１０ａのキャリア周波数と一致させた後に、両制御回路１０ａ，１０ｂ間で位相を同期させる処理を行う。
マスター装置とスレーブ装置との間で、インバータ回路の出力電流の位相が同期していない場合があり、その場合に加熱コイル同士が近接して配置されていると、電磁干渉によってそれぞれの誘導加熱ユニットからの給電が不安定となり、高周波交流電流のハンチングによる保護動作や、場合によってはインバータ回路を破損させる恐れがある。これらを防止するため、各加熱コイルに給電する前に、インバータ回路の出力電流の位相を一致させることが望ましい。

図６は、スレーブ装置がマスター装置に対して進み位相である場合の動作を示している。スレーブ装置側では、例えば制御回路１０ｂにおいて自己のキャリアと判定レベル２との比較により生成される同期パルスを受信パルス（制御回路１０ａから送信されたマスター装置側の同期パルス）と比較することにより、自己の同期パルスがマスター装置側の同期パルスよりも一定時間（ｔ_１＝ｔ_２＝ｔ_３＝ｔ_４＝……）だけ進み位相であることが検出される。
この一定時間をシフト量とし、このシフト量に相当する量だけ、スレーブ装置の同期パルスを生成している判定レベル１，判定レベル２を図の上方向にシフトする。なお、判定レベル１と判定レベル２との差は、キャリアの振幅をＴとするとＴ／２である。

この結果、判定レベル１は、上記シフト量（ｔ_１＝ｔ_２＝ｔ_３＝ｔ_４＝……）に相当する量だけ上方向にシフトされ、判定レベル２は、Ｔ／２＋シフト量（ｔ_１＝ｔ_２＝ｔ_３＝ｔ_４＝……）に相当する量だけ上方向にシフトされる。
これにより、スレーブ装置のキャリアとシフト後の判定レベル１，判定レベル２とから生成される同期パルスは図６の最下段に示す通りとなり、マスター装置側の同期パルスと位相が一致することになる。

次に、図７は、スレーブ装置がマスター装置に対して遅れ位相である場合の動作を示している。
スレーブ装置側の制御回路１０ｂでは、図６の進み位相の場合と同様にして、スレーブ装置側の同期パルスがマスター装置側の同期パルスよりも一定時間（ｔ_１＝ｔ_２＝ｔ_３＝ｔ_４＝……）だけ遅れ位相であることが検出される。この場合、一定時間（ｔ_１＝ｔ_２＝ｔ_３＝ｔ_４＝……）をシフト量とし、当初の判定レベル２を前記シフト量に相当する量だけ図７の下方向にシフトすると共に、当初の判定レベル１をＴ／２＋シフト量（ｔ_１＝ｔ_２＝ｔ_３＝ｔ_４）に相当する量だけ上方向にシフトする。
これにより、スレーブ装置のキャリアとシフト後の判定レベル１，判定レベル２とから生成される同期パルスは図７の最下段に示す通りとなり、図６と同様にマスター装置側の同期パルスと位相が一致することになる。

なお、重複を避けるために説明を省略するが、他のスレーブ装置としての誘導加熱ユニット１ｃ，１ｄ，……，１ｎにおいても、誘導加熱ユニット１ｂと同様に、マスター装置としての誘導加熱ユニット１ａからの同期パルス及び各自のキャリアに基づいて周波数及び位相の同期処理が実行される。
上記のようにして、すべての誘導加熱ユニット１ａ，１ｂ，……，１ｎにおけるインバータ回路３ａ，３ｂ，……，３ｎの出力の周波数及び位相を同期させてから加熱コイル６ａ，６ｂ，……，６ｎに給電することにより、加熱コイル６ａ，６ｂ，……，６ｎが互いに近接して配置されている場合でも電磁干渉を起こす心配はない。

本発明に係る誘導加熱装置は、例えば長尺の棒状材や板状材を均一に加熱するために複数の加熱コイルを並設して使用するような用途に最適である。

１ａ，１ｂ，１ｃ，……，１ｎ：誘導加熱ユニット
２ａ，２ｂ，２ｃ，……，２ｎ：整流回路
３ａ，３ｂ，３ｃ，……，３ｎ：インバータ回路
４ａ，４ｂ，４ｃ，……，４ｎ：共振コンデンサ
５ａ，５ｂ，５ｃ，……，５ｎ：位相検出手段
６ａ，６ｂ，６ｃ，……，６ｎ：加熱コイル
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，……，１０ｎ：制御回路
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，……，１１ｎ：トランシーバ
１５：マスター装置選択手段
１６：通信路
２０：被加熱物

Claims

複数台の誘導加熱ユニット内のインバータ回路により、各誘導加熱ユニットに接続されて互いに近接配置された加熱コイルに高周波交流電流をそれぞれ通流させて被加熱物を加熱する誘導加熱装置であって、
前記誘導加熱ユニットは、前記インバータ回路の半導体スイッチング素子をオンオフ制御するための制御回路を個別に備え、前記制御回路は、他の誘導加熱ユニット内の制御回路との間で相互に通信を行う通信手段を備えると共に、前記通信手段を介して各誘導加熱ユニットの前記インバータ回路の出力電流の周波数及び位相を同期させた後に、前記インバータ回路によりそれぞれの加熱コイルに給電する誘導加熱装置において、
複数台の誘導加熱ユニットのうち任意の１台の誘導加熱ユニットの前記制御回路に、当該誘導加熱ユニットをマスター装置として選択するマスター装置選択指令が外部から入力されたときに、前記インバータ回路を運転するためのキャリアに基づき当該制御回路により生成した同期パルスを、スレーブ装置としての他の誘導加熱ユニット内の制御回路に送信し、
前記同期パルスを受信した他の誘導加熱ユニット内の制御回路は、前記マスター装置から送信された前記同期パルスと自己のインバータ回路を運転するためのキャリアとの時間差及び前記キャリアの振幅に基づいて自己の判定レベルの大きさを調整し、自己のキャリアと前記判定レベルとを比較して生成される自己の同期パルスの位相を、前記マスター装置から送信された同期パルスと同期させることを特徴とする誘導加熱装置。
請求項１に記載した誘導加熱装置において、
前記通信手段は、前記同期パルスを送受信するためのＲＳ−４８５トランシーバを備えたことを特徴とする誘導加熱装置。