JP6008491B2

JP6008491B2 - 高周波発生装置

Info

Publication number: JP6008491B2
Application number: JP2011256369A
Authority: JP
Inventors: 外村　徹; 徹外村; 泰広藤本
Original assignee: Tokuden Co Ltd Kyoto
Current assignee: Tokuden Co Ltd Kyoto
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2031-11-24
Also published as: JP2013063006A

Description

本発明は、３相交流電源に接続されて、商用電源周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）を３ｎ倍周波数の単相電圧を出力する高周波発生装置に関するものである。

従来、単相３ｎ倍周波数を発生させる手法としては、図９及び図１０に示すように、３ｎ台の単相変圧器の１次巻線に位相を順次３６０度／３ｎずつずらす位相変圧巻線を施してＹ結線するとともに、２次巻線を位相が３６０度／３ｎずれる順に直列結線してその両端から３ｎ倍周波数電圧と取り出す方法がある。

また、例えば３倍周波数発生装置には、非特許文献１、２に示すように、可飽和リアクトル型と、変圧器型とがある。可飽和リアクトル型は、３組の単相可飽和リアクトルをＹ結線し、その中性点と電源の中性点との間に発生する高調波出力を負荷に印加するものであり、コンデンサは進相コンデンサとして機能するとともに高調波電流の帰路として機能する。一方、変圧器型は、３組の単相変圧器の１次巻線をＹ結線するとともに、２次巻線をΔ結線して、そのΔ結線の一端を開放して、この開放部から高調波成分を取り出すように構成されている。

しかしながら、上記の両方式ともに、単相可飽和リアクトル又は単相変圧器（以下、単相機器とも言う。）を用いており、３脚鉄心から構成された三相機器を用いているものではない。このように３台の単相機器を組み合わせて構成すると、装置全体が大型化してしまう恐れがあり、また３台の単相機器の配置等も複雑になる可能性がある。特に３台の単相機器を用いて構成された単相３倍周波数発生装置を複数組用いて三相３倍周波数発生装置を構成する場合には、これらの問題が一層顕著となる。

ここで、上記問題点を解消するために３脚鉄心を用いることが考えられるが、３脚鉄心を用いた場合には、３脚鉄心の各脚に巻回された１次巻線によって各脚に生じる第３調波磁束は、同一位相且つ同一方向に流れ、その第３調波磁束は、一方のヨーク鉄心から非磁性通路を通過して他方のヨーク鉄心に戻るように流れる。このとき、非磁性通路は高い磁気抵抗を有することから、第３調波磁束は弱められて、結果として３脚鉄心により生じる合成磁束は第３調波成分の小さいものとなってしまう。したがって、商用電源周波数の入力容量に対する３倍周波数の出力容量の割合（出／入比）が小さくなり効率的ではない。

このことから従来の３倍周波数発生装置では、３台の単相機器を用いて構成することが出／入比を低下させないための当然の発想であり、３倍周波数発生装置に３脚鉄心を用いることは、出／入比を向上させるという目的に反する。

日本電熱工学委員会編、「工業電気加熱ハンドブック」、第１版、株式会社電気書院、昭和４３年１０月２５日、ｐ．２９３−２９６新谷、外２名、「磁気式３倍周波数逓倍器の動作モードと定常特性の解析」、電気学会論文誌Ｂ電力・エネルギー部門誌、社団法人電気学会、１９８１年９月、第１０１巻、第９号、ｐ．５１９−５２６

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、単相リアクトル又は単相変圧器といった単相機器を３台用いることなくコンパクトに構成可能であり、また、配線も簡単にすることができるとともに、三相変圧器を高周波発生装置に用いた場合の問題点を解決することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る高周波発生装置は、ｎ台（ｎは１以上の奇数とする。）の三相変圧器を用いて電源周波数に対して３ｎ倍周波数の単相電圧を発生させるものであり、前記三相変圧器が、シート状の電磁鋼板を連続巻回して形成されるノーカット形の５脚巻鉄心を用いたものであり、そのうちの３脚に１次巻線及び２次巻線が巻回され、残りの２脚が単相高周波磁束磁路となることを特徴とする。

このようなものであれば、三相変圧器が５脚巻鉄心であり、そのうちの３脚に巻線を施して、残りの２脚が単相高周波磁束磁路となるように構成しているので、巻線が施された各脚で生じる同一位相及び同一方向に流れる単相高周波磁束を、残りの２脚により循環させることができ、三相変圧器において生じる単相高周波磁束の損失を防止できる。これによって、商用電源周波数の入力容量に対する３ｎ倍周波数の出力容量の割合（出／入比）を大きくすることができる。また、５脚鉄心がシート状の電磁鋼板を連続巻回して形成したノーカット形としていることから、単相高周波磁束の磁路において磁気抵抗を可及的に小さくすることができ、単相高周波磁束が各脚を通過する際の磁束低下を防止して、可及的に出／入比を大きくすることができる。さらに、三相変圧器を用いることができるので、従来のように３台の単相変圧器を用いた場合に比べてコンパクトに構成可能であり、また配線も簡単にすることができる。

３台の単相変圧器を用いた場合と同等の１台の三相変圧器とするためには、単相高周波磁束磁路となる２脚の合計断面積は、前記巻線が巻回される３脚の合計断面積と同じにする必要がある。すなわち、前記単相高周波磁束磁路となる１脚の断面積は、前記巻線が巻回される１脚の断面積の１．５倍とする必要がある。しかし、電磁鋼板からなる変圧器に生じる第３調波は、基本波と同じ割合ほどは発生しないことから、単相高周波磁束磁路となる２脚の各断面積は、巻線が巻回される３脚の各断面積の１／２であっても機能を果たすことができる。また、前記単相高周波磁束磁路となる２脚の各断面積が、前記巻線が巻回される３脚の各断面積の１／１であれば、さらに高い出力電圧を得ることが可能となる。さらに、単相高周波磁束磁路となる２脚の各断面積が、巻線が巻回される３脚の各断面積の１．２／１であれば、さらに高い出力電圧を得ることが可能となる。

誘導負荷である誘導加熱装置に進相負荷を介して接続されるものであることが望ましい。具体的には、電源周波数に対して３倍周波数、９倍周波数、１５倍周波数又は２１倍周波数の発生磁束の位相が同一で互いに打ち消し合うことがない単相電圧を発生させるものが望ましい。一般的な５ｋＨｚ以上の高周波誘導加熱は、誘導コイルと対向する被加熱物との電気結合が良く電流浸透深さが浅いため、箔等の薄い被加熱物の加熱に適している。一方、中周波誘導加熱では、電流浸透深さが深いため、厚い被加熱物でも内部まで加熱が可能となる。このとき、前記誘導加熱装置による被加熱物が１ｍｍ以上の厚みを有する金属であることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、単相リアクトル又は単相変圧器を３台用いることなくコンパクトに構成可能であり、三相変圧器を用いた場合の問題点を解決した３ｎ倍周波数の単相電圧を発生する高周波発生装置を提供することができる。

本発明の変圧器方式の実施形態に係る単相３倍周波数発生装置の回路結線図。同実施形態に係る５脚巻鉄心の正面図。同実施形態の特性データを示す図。各種変圧器を用いた場合の磁束密度−出／入比特性を示す図。変形実施形態に係る単相３倍周波数発生装置の回路図。変形実施形態のコンデンサ容量／３倍周波数発生装置入力容量−出／入力比特性を示す図。変形実施形態に係るリアクトル方式の単相３倍周波数発生装置の回路結線図。変形実施形態に係る三相３倍周波数発生装置の回路図。単相９倍周波数発生用の単相変圧器の１次巻線ベクトル図。単相９倍周波数発生用の単相変圧器の結線図。単相９倍周波数発生用の三相変圧器の結線図。入出力電圧波形を示す図。単相磁束磁路断面積１／２の場合、単相磁束磁路断面積１／１の場合の無負荷特性を示す図。（無負荷出力電圧／出力電圧計算値）比−磁束密度（Ｇ）特性グラフ。単相磁束磁路断面積１／１の５脚巻鉄心の正面図及び側面図。単相磁束磁路断面積１．２／１の５脚巻鉄心の正面図及び側面図。９倍周波数の高周波発生装置に誘導加熱装置を接続した試験回路を示す図。単相磁束磁路断面積１／２の場合、単相磁束磁路断面積１／１の場合の誘導負荷特性を示す図。単相磁束磁路断面積１／１の場合の抵抗負荷特性を示す図。（負荷出力電圧／出力電圧計算値）比−磁束密度（Ｇ）特性グラフ。実験に用いた誘導加熱装置の構成を示す図。強磁性体である板厚９ｍｍの平板（ＳＳ４００）を誘導加熱した場合の周波数−力率特性を示すグラフ。非磁性体である板厚９ｍｍの平板（ＳＵＳ３０４）を誘導加熱した場合の周波数−力率特性を示すグラフ。強磁性体であるＳＳ４００を６０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚで誘導加熱した場合の板厚−力率特性を示すグラフ。非磁性体であるＳＵＳ３０４を６０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚで誘導加熱した場合の板厚−力率特性を示すグラフ。強磁性体であるＳＳ４００を３５０Ｈｚで誘導加熱した場合の板厚−力率特性を示すグラフ。非磁性体であるＳＵＳ３０４を８００Ｈｚで誘導加熱した場合の板厚−力率特性を示すグラフ。

＜第１実施形態＞
以下に本発明に係る単相３倍周波数発生装置の変圧器方式の実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る単相３倍周波数発生装置１００は、商用電源（三相交流電源）に接続されて、当該商用電源から受電される三相交流電圧（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）を、３倍周波数（１５０Ｈｚ又は１８０Ｈｚ）の単相交流電圧に変換して単相負荷２００に出力するものである。

具体的にこのものは、図１に示すように、三相変圧器２を用いて商用電源周波数を３倍に逓倍して出力するものであり、三相変圧器２の１次巻線２１ｕ、２１ｖ、２１ｗがＹ結線され、２次巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗがΔ結線されるとともに、当該Δ結線された２次巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗの一端を開放して単相負荷２００に接続されるように構成されている。

そして、三相変圧器２は、図２に示すように、シート状の電磁鋼板を連続巻回して形成されるノーカット形の５脚巻鉄心２３を用いたものである。このノーカット形の５脚巻鉄心２３は、脚鉄心と継鉄心（ヨーク鉄心）とが一体であり分離されていない鉄心であり、そのうちの３本の脚２３ａ、２３ｂ、２３ｃそれぞれに１次巻線２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ及び２次巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗが巻回され、残りの２本２３ｄ、２３ｅが第３調波磁束の帰路となる。

三相変圧器２の５脚巻鉄心２３は、開口サイズの異なる環状の巻鉄心要素を組み合わせることにより構成される正面視において概略矩形状をなすものであり、開口サイズの最も大きい１つの外鉄心要素２３１と、外鉄心要素２３１の内側周面に接触するとともに、互いに接触して配置される２つの中鉄心要素２３２と、中鉄心要素２３２の内側周面に接触するとともに、互いに接触して配置される２つの小鉄心要素２３３ａ、２３３ｂとからなる。

２つの中鉄心要素２３２は、互いに同一形状をなすものであり、その厚みは、前記外鉄心要素２３１の厚みと同一である。また、２つの小鉄心要素のうち左右外側に配置される小鉄心要素２３３ａの厚みは、外鉄心要素２３１及び中鉄心要素２３２の厚みと同一である。一方、小鉄心要素のうち中央側に配置される小鉄心要素２３３ｂの厚みは、外側に配置される小鉄心要素２３３ａの厚みの１／２の厚みである。このように構成された５脚巻鉄心２３は、正面視において左右に５本の脚２３ａ〜２３ｅが配列され、その５本の脚２３ａ〜２３ｅのうち、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃの断面積が同一となり、中央の脚２３ａの両側に隣接する脚２３ｄ、２３ｅの断面積は、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃの断面積の１／２となる。

そして、このように構成された５脚巻鉄心２３において、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃが、１次巻線２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ及び２次巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗが巻回される巻回鉄心部となり、中央の脚２３ａの両側に隣接する脚２３ｄ、２３ｅが第３調波磁束の帰路となる帰路鉄心部となる。つまり、第３調波磁束の帰路となる帰路鉄心部の断面積が、１次巻線２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ及び２次巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗが巻回される巻回鉄心部の断面積の１／２となる。この５脚巻鉄心２３により、第３調波磁束の帰路が、巻線２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ、２２ｕ、２２ｖ、２２ｗが施された脚２３ａ〜２３ｃの間に配置される構成となり、各脚２３ａ〜２３ｃにより生じる第３調波磁束を循環させ易くすることができる。

次に本実施形態の単相３倍周波数発生装置１００の入力容量（ＶＡ）及び出力容量（ＶＡ）の出／入比について、ノーカット形３脚巻鉄心を用いたもの、ノーカット形単相鉄心を３台用いたもの、及びカット形の単相鉄心を３台用いたものと比較して、図３及び図４を参照して説明する。なお、図３は、本実施形態の単相３倍周波数発生装置１００の特性データであり、図４の横軸は磁束密度（Ｇ）を示し、縦軸は、入力容量（ＶＡ）に対する出力容量（ＶＡ）の比である。

図３及び図４から分かるように、本実施形態の単相３倍周波数発生装置１００は、従来のノーカット形単相鉄心を３台用いたものと同等の特性を示し、その出／入比もほぼ同じであることが分かる。一方で、ノーカット形３脚巻鉄心を用いたもの及びカット形の単相鉄心を３台用いたものは、出／入比が極めて低いことが分かる。ノーカット形３脚巻鉄心を用いたものでは、脚鉄心部で生じた同一位相で同一方向に流れる第３調波が一方のヨーク鉄心部から非磁性通路を通過して他方のヨーク鉄心部に流れることから第３調波成分が低下してしまうことにより出／入比が小さくなっている。また、カット形の単相鉄心を３台用いたものでは、カット部分での磁気抵抗が大きくなり、第３調波成分が低下して出／入比が小さくなっている。

このように構成した第１実施形態に係る３倍周波数発生装置１００によれば、三相変圧器２が５脚巻鉄心であり、そのうちの３脚２３ａ〜２３ｃに巻線２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ、２２ｕ、２２ｖ、２２ｗを施して、残りの２脚２３ｄ、２３ｅが第３調波磁束の帰路となるように構成しているので、巻線２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ、２２ｕ、２２ｖ、２２ｗが施された各脚２３ａ〜２３ｃで生じる同一位相及び同一方向に流れる第３調波磁束を、残りの２脚２３ｄ、２３ｅにより循環させることができ、三相変圧器２に生じる合成磁束の第３調波成分が低減してしまうことを防止できる。これによって、商用電源周波数の入力容量（入力電圧）に対する３倍周波数の出力容量（出力電圧）の割合を大きくすることができる。また、５脚巻鉄心２３がシート状の電磁鋼板を連続巻回して形成したノーカット形としていることから、第３調波磁束の磁路において磁気抵抗を可及的に小さくすることができ、第３調波磁束が各脚２３ａ〜２３ｅを通過する際の磁束低下を防止して、可及的に出／入比を大きくすることができる。さらに、三相変圧器２を用いることができるので、従来のように３台の単相変圧器を用いた場合に比べてコンパクトに構成可能であり、また配線も簡単にすることができる。

なお、本発明は前記第１実施形態に限られるものではない。例えば、図５に示すように、三相変圧器２の１次側に進相コンデンサ３を設けることによって、図６に示すように、出／入比を約５４％まで改善させることができる。

また、前記実施形態では、変圧器型の単相３倍周波数発生装置について説明したが、リアクトル型のものであっても良い。このときの単相３倍周波数発生装置は、図７に示すように、三相可飽和リアクトル４を用いて商用電源周波数を３倍に逓倍して出力するものであり、三相可飽和リアクトル４の巻線４ｕ、４ｖ、４ｗをＹ結線で接続してなる中性点と、三相電源の中性点との間に単相負荷２００が接続されるように構成されている。そして、三相可飽和リアクトル４が、前記実施形態で説明したシート状の電磁鋼板を連続巻回してなるノーカット形の５脚巻鉄心を用いたものであり、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃにリアクトルの巻線４ｕ、４ｖ、４ｗが巻回され、中央の脚２３ａの両側に隣接する脚２３ｄ、２３ｅが第３調波磁束の帰路となる。なお、図７においては、Ｙ結線で接続されたコンデンサ５ｕ、５ｖ、５ｗを三相電源側に接続して、人為的な中性点を形成し、当該中性点と前記中性点との間に単相負荷２００を接続している。このコンデンサ５ｕ、５ｖ、５ｗは、高調波電流の帰路の役割を果たすとともに、進相コンデンサとしての役割も果たす。

さらに、前記実施形態の単相３倍周波数発生装置１００を３組用いて三相３倍周波数発生装置Ｚとすることもできる。この場合、三相３倍周波数発生装置Ｚは、図８に示すように、１組の三相変圧器の１次巻線をＹ結線とし、もう１組の三相変圧器の１次巻線の出力を入力周波数座標において４０°位相遅れとなるように位相遅れ巻線を施したＹ結線とし、残りの１組の三相変圧器の１次巻線の出力を入力周波数座標において８０°位相遅れとなるように位相遅れ巻線を施したＹ結線とする。このように構成すれば、３組の単相３倍周波数発生装置１００からの出力は３倍周波数座標でそれぞれ１２０°位相差の三相３倍周波数となる。なお、位相遅れ巻線の他に、４０°位相進み又は８０°位相進みとなる位相進み巻線を施しても良い。図８においては、３組の出力側には、入力巻線がオープンデルタ結線、出力巻線が千鳥結線された出力変圧器を設置して、三相ベクトルを確定し安定させる機能を持たせている。

その上、リアクトル方式の単相３倍周波数発生装置を３組用いて三相３倍周波数発生装置とすることもできる。この場合、三相３倍周波数発生装置は、１組の可飽和リアクトルの巻線をＹ結線とし、もう１組の可飽和リアクトルの巻線の出力を入力周波数座標において４０°位相遅れ又は位相進みとなるように位相巻線を施したＹ結線とし、残りの１組の可飽和リアクトルの巻線の出力を入力周波数座標において８０°位相遅れ又は位相進みとなるように位相巻線を施したＹ結線とする。

加えて、前記実施形態の単相３倍周波数発生装置を多段にカスケード接続することによって単相の３^Ｎ倍周波数（Ｎは自然数）を得ることができる。また、三相３倍周波数発生装置を多段にカスケード接続することによって三相の３^Ｎ倍周波数（Ｎは自然数）を得ることができる。

＜第２実施形態＞
以下に本発明に係る高周波発生装置について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る高周波発生装置は、商用電源（三相交流電源）に接続されて、当該商用電源から受電される三相交流電圧（電源周波数５０［Ｈｚ］又は６０［Ｈｚ］）を、３ｎ倍周波数（５０×３ｎ［Ｈｚ］又は６０×３ｎ［Ｈｚ］）の単相交流電圧に変換して単相負荷に出力するものである。

具体的にこのものは、ｎ台（ｎは１以上の奇数とする。）の三相変圧器２を用いて構成されるものである。このｎ台の三相変圧器は、基準となる１次巻線Ｒ相／Ｓ相／Ｔ相を巻回した第１の三相変圧器に対し、対応する各相の位相差が３６０度／３ｎとなる１次巻線を施した第２の三相変圧器、さらに第２の三相変圧器に対して対応する各相の位相差が３６０度／３ｎとなる１次巻き線を施した第３の三相変圧器といったように、各三相変圧器に巻回される１次巻線（Ｒ相／Ｓ相／Ｔ相）に３６０度／３ｎの位相差を順次つけるとともに、ｎ台の三相変圧器の１次巻線を直列接続して全体としてＹ結線（スター結線）する。また、ｎ台の三相変圧器の各相２次巻線を位相が３６０度／３ｎずつずれる順に直列結線する。このように結線することで、直列結線された２次巻線の両端から電源周波数の単相３ｎ倍周波数電圧を出力することができる。なお、３台の三相変圧器２を用いた場合については図１１を参照して後述する。

各三相変圧器は、図２に示すように、シート状の電磁鋼板を連続巻回して形成されるノーカット形の５脚巻鉄心２３を用いたものである。このノーカット形の５脚巻鉄心２３は、脚鉄心と継鉄心（ヨーク鉄心）とが一体であり分離されていない鉄心であり、そのうちの３本の脚２３ａ、２３ｂ、２３ｃそれぞれに１次巻線２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ及び２次巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗが巻回され、残りの２本２３ｄ、２３ｅが単相高周波磁束の帰路（以下、単相高周波磁束磁路という。）となる。

２つの中鉄心要素２３２は、互いに同一形状をなすものであり、その厚みは、前記外鉄心要素２３１の厚みと同一である。また、２つの小鉄心要素のうち左右外側に配置される小鉄心要素２３３ａの厚みは、外鉄心要素２３１及び中鉄心要素２３２の厚みと同一である。一方、小鉄心要素のうち中央側に配置される小鉄心要素２３３ｂの厚みは、外側に配置される小鉄心要素２３３ａの厚みの１／２の厚みである。このように構成された５脚鉄心２３は、正面視において左右に５本の脚２３ａ〜２３ｅが配列され、その５本の脚２３ａ〜２３ｅのうち、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃの断面積が同一となり、中央の脚２３ａの両側に隣接する脚２３ｄ、２３ｅの断面積は、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃの断面積の１／２となる。

そして、このように構成された５脚鉄心２３において、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃが、１次巻線２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ及び２次巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗが巻回される巻回鉄心部となり、中央の脚２３ａの両側に隣接する脚２３ｄ、２３ｅが単相高周波磁束磁路となる帰路鉄心部となる。つまり、単相高周波磁束磁路となる帰路鉄心部の断面積が、１次巻線２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ及び２次巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗが巻回される巻回鉄心部の断面積の１／２となる。この５脚鉄心２３により、単相高周波磁束磁路が、巻線２１、２２が施された脚２３ａ〜２３ｃの間に配置される構成となり、各脚２３ａ〜２３ｃにより生じる単相高周波磁束を循環させ易くすることができる。

ここで、従来の単相９倍周波数発生用の単相変圧器の１次巻線ベクトル図を図９に示し、従来の単相９倍周波数発生用の単相変圧器の結線図を図１０に示す。このように従来は、単相９倍周波数（ｎが３の場合）を発生させる装置として、９台の単相変圧器の１次巻線に位相を順次４０度ずつずらす位相変換巻線を施してＹ結線するとともに、２次巻線を位相が４０度ずつずれる順に直列結線して、その両端から９倍周波数の単相電圧を取り出している。なお、本実施形態の高周波発生装置においても図９に示す１次巻線ベクトル図は同様である。

一方で、本実施形態に係る高周波発生装置を用いて単相９倍周波数を発生させる場合の結線図を図１１に示す。この高周波発生装置は、基準となる１次巻線Ｒ相／Ｓ相／Ｔ相を巻回した第１の三相変圧器２Ａと、この第１の三相変圧器２Ａに対して位相差４０度の１次巻線を施した第２の三相変圧器２Ｂと、この第２の三相変圧器２Ｂに対して位相差４０度の１次巻線を施した第３の三相変圧器２Ｃとを有する。そして、第１〜第３の三相変圧器２Ａ〜２Ｃの１次巻線は直列接続されて全体としてＹ結線する。また、第１〜第３の三相変圧器２Ａ〜２Ｃの各相の２次巻線は、位相が４０度ずつずれる順に直列接続される。このようにして直列接続された２次巻線の両端から単相９倍周波数の単相電圧が出力される（図１２参照）。

図１３に無負荷（三相入力電圧／単相９倍周波数出力電圧）特性を示し、図１４に無負荷（（出力電圧／出力電圧計算値）比−磁束密度（Ｇ））特性グラフを示す。ここで出力電圧計算値は巻線巻数比から算出した電圧である。なお、図１３及び図１４において、単相磁束磁路断面積（断面）１／２とは、図２にように単相高周波磁束磁路の断面積が、巻線が巻回される脚の断面積の１／２である場合を示し、単相磁束磁路断面積（断面）１／１とは、図１５のように単相高周波磁束磁路の断面積が、巻線が巻回される脚の断面積の１／１である場合を示している。なお、図１５に示す５脚巻鉄心は、５本の脚２３ａ〜２３ｅのうち、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃの断面積が同一となり、中央の脚２３ａの両側に隣接する脚２３ｄ、２３ｅの断面積は、中央の脚２３ａ及び左右両端の脚２３ｂ、２３ｃの断面積と等しくなるように構成されている。

磁束密度が１．６５Ｔ程度の変圧器において、励磁電流に対する第３調波磁束成分の割合は５０％程度であるが、本実施形態の変圧器の実用範囲である２．８Ｔ程度になれば第３調波磁束成分の割合はおよそ６５％になると予想される。第３調波が単相成分であることから３相合計量は３倍となるので、単相高周波磁束磁路の断面積の合計は、巻線が巻回される脚の断面積の３倍の６５％が必要である。つまり、５脚巻鉄心において、１脚の単相高周波磁束磁路の断面積は、３００％×０．６５／２＝９７．５％となる。したがって、３ｎ倍周波数磁束磁路の１脚あたりの断面積は巻線を巻回される脚の１００％が妥当である。

さらに、本実施形態の変圧器の実用範囲を図１４及び図２０に示す測定値３．５Ｔまで広げると第３調波磁束成分の割合は７５％程度が予想され、３ｎ倍周波数磁束磁路の１脚あたりの断面積は、巻線を巻回する脚の断面積の３００％×０．７５／２＝１１２．５％となる。ここで、１１２．５％以上の断面積を確保でき、且つ、外鉄心要素２３１、中鉄心要素２３２及び小鉄心要素２３３の比率を簡単な比として製作を容易にするためには、３ｎ倍周波数磁束磁路の１脚あたりの断面積は、１２０％とすることが望ましい（図１６参照）。また、図１４及び図２０に示すように、単相高周波磁束磁路の断面積が５０％の場合に、（出力電圧／出力電圧計算値）比が２．３Ｔ及び２．５Ｔから低下するのは、３ｎ倍周波数磁束磁路鉄心が飽和してくることが原因である。しかし２．３Ｔ〜２．５Ｔまでは十分に実用になる出力が得られており有効であることは明らかである。

このように構成した本実施形態に係る高周波発生装置によれば、三相変圧器２が５脚巻鉄心であり、そのうちの３脚２３ａ〜２３ｃに巻線２１、２２を施して、残りの２脚２３ｄ、２３ｅが単相高周波磁束磁路となるように構成しているので、巻線２１、２２が施された各脚２３ａ〜２３ｃで生じる同一位相及び同一方向に流れる高周波磁束を、残りの２脚２３ｄ、２３ｅにより循環させることができ、三相変圧器２に生じる高周波磁束が低減してしまうことを防止できる。これによって、商用電源周波数の入力容量（入力電圧）に対する３ｎ倍周波数の出力容量（出力電圧）の割合を大きくすることができる。また、５脚鉄心２３がシート状の電磁鋼板を連続巻回して形成したノーカット形としていることから、高周波磁束の磁路において磁気抵抗を可及的に小さくすることができ、高周波磁束が各脚２３ａ〜２３ｅを通過する際の磁束低下を防止して、可及的に出／入比（出力容量／入力容量）を大きくすることができる。さらに、三相変圧器２を用いることができるので、従来のように３台の単相変圧器を用いた場合に比べてコンパクトに構成可能であり、また配線も簡単にすることができる。

次に本実施形態の高周波発生装置に誘導負荷である誘導加熱装置に用いた場合について説明する。この高周波発生装置には、図１７に示すように、進相負荷であるコンデンサを介して誘導加熱装置が接続される。なお、図１７において変圧器として示した部分が高周波発生装置である。また、進相負荷は、誘導加熱装置に並列に接続しても良いし、直列に接続しても良い。なお、図１７においては、並列に接続した場合を示している。

そして、この図１７における高周波発生装置は、３相６０Ｈｚの入力電圧Ｅに対して９倍周波数の単相電圧を出力するものであり、その変圧比は１．７０５倍である。この高周波発生装置において、周波数５４０Ｈｚ、出力電圧１．７０５Ｅが、高周波発生装置の内部インピーダンスＺと出力側インピーダンスＺ（Ｕ−Ｖ）の比で分担されて、出力電圧Ｅ（Ｕ−Ｖ）は、１．７０５Ｅ×Ｚ（Ｕ−Ｖ）／｛Ｚ＋Ｚ（Ｕ−Ｖ）｝となる。但し、これらの記号は全てベクトルである。

ここで出力側のＵ−Ｖ間インピーダンスが最大となるようなコンデンサＣを接続すれば、出力電圧Ｅ（Ｕ−Ｖ）は最大となる。

図１７の回路では、Ｃ＝Ｌ／｛Ｒ^２＋（２πｆＬ）^２｝のとき最大インピーダンスとなり、その値はＺ（Ｕ−Ｖ）＝｛Ｒ^２＋（２πｆＬ）^２｝／Ｒとなる。ここでＣはコンデンサ（Ｆ）、Ｒは負荷抵抗（Ω）、Ｌは負荷リアクタンス（Ｈ）、ｆは周波数（Ｈｚ）を示す。

図１８の（１）に、６５．５μＦのコンデンサと誘導負荷（Ｒ＝２．７Ω、２πｆＬ＝４．０Ω）を接続した単相磁束磁路（単相高周波磁束磁路）の断面積が、巻線が巻回される脚の断面積の１／２である場合、図１８の（２）に前記コンデンサと前記誘導負荷を接続した単相磁束磁路（単相高周波磁束磁路）の断面積が、巻線が巻回される脚の断面積の１／１の場合、及び図１９の（３）に前記コンデンサと４Ωの抵抗負荷を接続した単相磁束磁路（単相高周波磁束磁路）の断面積が、巻線が巻回される脚の断面積の１／１の場合の実測値を示す。また、図２０に上記（１）〜（３）における、（負荷出力電圧／出力電圧計算値）比−磁束密度（Ｇ）特性グラフを示す。

（３）の抵抗負荷の場合には入力電圧２１６．３Ｖのときの出力電圧はＥ（Ｕ−Ｖ）＝１０９．５Ｖであるが、同装置の（２）の誘導負荷の場合には入力電圧２１６．０Ｖのときの出力電圧はＥ（Ｕ−Ｖ）＝１９８．０Ｖとなっている。なお、前記誘導負荷における場合にＺ（Ｕ−Ｖ）が最大となるＣの計算値は５０．６μＦであるが、設備の都合上、実験は６５．５μＦで実施した。

（１）、（２）における負荷側合成インピーダンスＺを算出すると７．８Ωである。一方で、（３）における負荷側合成インピーダンスＺは３．０Ωである。抵抗負荷においては、合成インピーダンスＺが最大となるＣはゼロのときであり合成インピーダンスはＺ＝Ｒとなる。

そして、（１）、（２）の負荷インピーダンスが（３）の負荷インピーダンスと同じ場合、Ｚ＝Ｒ＝４．８Ωとなり、電流が同じときに同一発熱量となる負荷インピーダンスはＺ＝Ｒ＝２．７Ωとなる。このようにいずれの場合も、誘導負荷に比べて抵抗負荷の合成インピーダンスは低く、すなわち出力電圧Ｅ（Ｕ−Ｖ）は低くなる。

また、（１）、（２）と同じ出力電圧となる負荷抵抗は７．８Ωであるが、この場合は負荷量の選択ができない。所望の負荷を接続して且つ装置の最高出力電圧が得られるようにコンデンサ量によって調整が可能であるのは、誘導負荷の場合である。

したがって、本発明の高周波発生装置は、誘導負荷となる誘導加熱装置に用いた場合に、高い出力電圧Ｅ（Ｕ−Ｖ）が得られ、高周波発生装置の装置効率が高くなる。

次に、図２１に示す誘導加熱装置を用いた実験結果に基づいて３倍周波数の単相電圧を供給する場合が、１ミリ以上の板厚を有する金属の誘導加熱に適していることを示す。

この実験に用いた誘導加熱装置は、磁気回路保持枠内に鉄心及び当該鉄心に巻回される誘導コイルを収容して構成されるものであり、この磁気回路保持枠の開口部に被加熱物を配置して、当該被加熱物を誘導加熱するものである。鉄心に渦巻状に巻回された誘導コイルの両端には図示しないリード線が接続される。なお、図２１では、磁気回路保持枠に被加熱物が接触して設けられた場合を示しているが、その他、磁気回路保持枠と被加熱部とが離間して配置され、非接触により被加熱物を誘導加熱するものであっても良いし、磁気回路保持枠に対して被加熱物が搬送されて移動するものであっても良い。

図２２に示すグラフは、強磁性体である板厚９ｍｍの平板（ＳＳ４００）を誘導加熱した場合の周波数−力率特性である。図２３に示すグラフは、非磁性体である板厚９ｍｍの平板（ＳＵＳ３０４）を誘導加熱した場合の周波数−力率特性である。これらの図２２及び図２３から分かるように、明らかに６０Ｈｚよりも１００Ｈｚ〜２００Ｈｚは力率が高く、３倍周波数は磁性体、非磁性体ともに金属誘導加熱に効果がある。

図２４に示すグラフは、強磁性体であるＳＳ４００を６０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚで誘導加熱した場合の板厚−力率特性である。図２５に示すグラフは、非磁性体であるＳＵＳ３０４を６０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚで誘導加熱した場合の板厚−力率特性である。これらの図２４及び図２５から分かるように、強磁性体における板厚と力率との関係は見られないものの、非磁性体においては、板厚が厚くなるにしたがって力率は高くなっている。このことは、３倍周波数は薄い箔には向かず、ミリ単位の板厚を有する金属の誘導加熱に適していることを示している。

次に、図２１に示す誘導加熱装置を用いた実験結果に基づいて３倍、９倍、１５倍及び２１倍周波数の単相電圧を供給する場合が、１ミリ以上の板厚を有する金属の誘導加熱に適していることを示す。

図２２に示すグラフは、強磁性体である板厚９ｍｍの平板（ＳＳ４００）を誘導加熱した場合の周波数−力率特性である。この図２２から分かるように、力率は３５０Ｈｚで最も高くなり、強磁性体であるＳＳ４００の誘導加熱には、３倍周波数から９倍周波数が適している。

図２３に示すグラフは、非磁性体である板厚９ｍｍの平板（ＳＵＳ３０４）を誘導加熱した場合の周波数−力率特性である。この図２３から分かるように、力率は４００Ｈｚ程度までは高周波になるにつれて高くなる傾向にあるが、それ以上の周波数ではその形状が小さくなる。したがって、非磁性体であるＳＵＳ３０４の誘導加熱には、装置の簡易性から考えて９倍周波数から２１倍周波数が適している。

図２６に示すグラフは、強磁性体であるＳＳ４００を３５０Ｈｚで誘導加熱した場合の板厚−力率特性である。図２７に示すグラフは、非磁性体であるＳＵＳ３０４を８００Ｈｚで誘導加熱した場合の板厚−力率特性である。これらの図２６及び図２７から分かるように、強磁性体における板厚と力率の関係は見られないものの、非磁性体においては板厚が厚くなるにしたがって力率が高くなる傾向となる。特に１ｍｍ以下ではその傾向が大きく力率が低くなるが、１ｍｍ以上ではその傾向が小さくなり比較的高い力率が得られる。このことは、３倍、９倍、１５倍及び２１倍周波数は薄い箔には向かず、ミリ単位の板厚を有する金属の誘導加熱に適していることを示している。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。例えば前記実施形態では、具体例として、３台の三相変圧器を用いて９倍周波数の単相電圧を出力するものを説明したが、その他、５台の三相変圧器を用いて１５倍周波数の単相電圧を出力するものであっても良いし、７台の三相変圧器を用いて２１倍周波数の単相電圧を出力するものであっても良いし、それ以上の奇数台の三相変圧器を用いて３ｎ倍周波数の単相電圧を出力するものであっても良い。

１００・・・高周波発生装置
２・・・三相変圧器
２１・・・１次巻線
２２・・・２次巻線

Claims

ｎ台（ｎは３以上の奇数とする。）の三相変圧器を用いて電源周波数に対して３ｎ倍周波数の単相電圧を発生させるものであり、
前記ｎ台の三相変圧器の各相１次巻線に３６０度／３ｎの位相差を順次つけるとともに、前記ｎ台の三相変圧器の各相１次巻線をそれぞれ直列接続してそれら三相をＹ結線し、前記ｎ台の三相変圧器の各相２次巻線を位相が３６０度／３ｎずつずれる順に直列結線して、その直列結線された２次巻線の両端から前記３ｎ倍周波数の単相電圧を出力するように構成されており、
前記各三相変圧器が、シート状の電磁鋼板を連続巻回して形成されるノーカット形の５脚巻鉄心を用いたものであり、そのうちの３脚に１次巻線及び２次巻線が巻回され、残りの２脚が単相高周波磁束の帰路である帰路鉄心部となるものであり、
前記５脚巻鉄心が正面視において左右に５本の脚が配列されるものであり、
中央の脚及び左右両端の脚に前記１次巻線及び前記２次巻線が巻回されており、
前記中央の脚の両側に位置する脚が前記帰路鉄心部となるものである高周波発生装置。
前記帰路鉄心部となる２本の脚の各断面積が、前記巻線が巻回される３本の脚の各断面積の１／２である請求項１記載の高周波発生装置。
前記帰路鉄心部となる２本の脚の各断面積が、前記巻線が巻回される３本の脚の各断面積の１／１である請求項１記載の高周波発生装置。
前記帰路鉄心部となる２本の脚の各断面積が、前記巻線が巻回される３本の脚の各断面積の１．２／１である請求項１記載の高周波発生装置。
誘導負荷である誘導加熱装置に進相負荷を介して接続されるものである請求項１乃至４の何れかに記載の高周波発生装置。