JP6150206B2 - 誘導加熱システム及び電力供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の誘導加熱機に電力を供給可能な誘導加熱システム及び電力供給方法に関する。

例えば、ワークを誘導加熱する際、加熱コイルから発生する磁束のワークの被処理表面から内部への浸透深度が周波数により異なるため、ワークの熱処理層の厚さに応じて周波数が選択される。熱処理層を厚くするためには低い周波数が用いられ、熱処理層を浅くするためには高い周波数が用いられる。そのため、異なった周波数によりワークを誘導加熱するよう、出力周波数の異なる電源が配置され、各誘導加熱装置に切替器を介在して各電源を接続することでシステム構成されたものがある（例えば、特許文献１）。

さらに、近年では、複数の電源を備え、異なる周波数を重畳してワークを誘導加熱するシステムがある。

特開昭６０−２４９２８８号公報

しかしながら、特許文献１のシステムでは、誘導加熱機１台に対して複数の周波数を同時に出力して、例えば低周波と高周波を重畳して熱処理することはできない。また、前述の異なる周波数を重畳してワークを誘導加熱するシステムでは、低周波と高周波とを重畳しないで一方の電源からしか出力していないときには電源の稼働率が悪い。

そこで、本発明は、高周波用電源及び低周波用電源から複数の誘導加熱機の任意の一台に異なる周波数電力を重畳して供給し、しかも電源の稼働率を高めることができる、誘導加熱システム及び電力供給方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の誘導加熱システムは、
加熱コイルと入力端として高周波用接続端及び低周波用接続端とを有する複数の誘導加熱機と、各誘導加熱機の高周波用接続端に接続された高周波用切替器と、各誘導加熱機の低周波用接続端に接続された低周波用切替器と、高周波電力を出力する高周波用電源と、低周波電力を出力する低周波用電源と、高周波用電源に接続された高周波用整合器と、低周波用電源に接続された低周波用整合器と、高周波用切替器及び低周波用切替器を制御する切替制御部と、を備え、
一の誘導加熱機に接続した高周波用切替器又は低周波用切替器により、一の誘導加熱機と高周波用整合器又は低周波用整合器との接続状態又は接続待機状態において、切替制御部にて他の一の誘導加熱機に接続した低周波用切替器又は高周波用切替器を閉に切り替えることで、一の誘導加熱機に接続した一方の整合器とは逆の他方の整合器と他の一の誘導加熱機とを接続する。

前記構成において、好ましくは、切替制御部は、任意の一の誘導加熱機に接続した高周波用切替器を制御することにより一の誘導加熱機と高周波用整合器とを接続し、かつ一の誘導加熱機に接続した低周波用切替器を制御することにより一の誘導加熱機と低周波用整合器とを接続する。

前記目的を達成するために、本発明の電力供給方法は、複数の誘導加熱機と、高周波用整合器を経由して高周波電力を供給する高周波用電源と、低周波用整合器を経由して低周波用電力を供給する低周波用電源と、切替制御部とを用い、複数の誘導加熱機のうち任意の一の誘導加熱機が、高周波用整合器及び低周波用整合器の何れか一方の整合器を経由して、高周波用電源及び低周波用電源の何れか一方の電源からの電力の供給状態又は供給待ち状態であるとき、切替制御部により、一の誘導加熱機に接続した一方の整合器とは逆の他方の整合器を介在して他の一の誘導加熱機を未使用の他方の電源と接続し、他の一の誘導加熱機が他方の整合器を経由して他方の電源から電力の供給を受ける。

本発明によれば、高周波用電源及び低周波用電源から一台の誘導加熱機に対して異なる周波数の電力を重畳して供給することも、二台の誘導加熱機に対して各電源から単周波の電力を供給することもでき、電源の稼働率を高めることができる。

本発明の実施形態に係る誘導加熱システムの構成図である。 図１の切替制御部の動作を示すフロー図である。 図１の切替制御部において記憶しているデータの一例を示すテーブルである。 図１の切替制御部の動作を示す別のフロー図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。

〔誘導加熱システム〕
図１は本発明の実施形態に係る誘導加熱システムの構成図である。本発明の実施形態に係る誘導加熱システム１は、複数の誘導加熱機１０と、高周波用電源２１と、低周波用電源３１と、高周波用整合器２２と、低周波用整合器３２と、切替制御部４０とを備える。誘導加熱システム１では、単一の電源系を備えており、単一の電源系が高周波用電源２１と低周波用電源３１とからなる。高周波用電源２１及び低周波用電源３１は、交流を直流に変換する順変換部と、直流を平滑化する平滑部と、平滑化した直流を所定の周波数でＯＮ／ＯＦＦする逆変換部とを備えており、順変換部及び逆変換部を制御するための制御部２１ａ，３１ａを備える。高周波用電源２１は高周波電力を出力し、低周波用電源３１は低周波電力を出力する。ここで、高周波用電源２１，低周波用電源３１における「高周波」及び「低周波」の用語は、一方が他方よりも周波数が高く、他方が一方よりも周波数が低いという意味で用いている。

高周波用整合器２２が高周波用電源２１に接続されており、低周波用整合器３２が低周波用電源３１に接続されている。各整合器２２，３２内には、マッチングトランス２２ａ、３２ａを備え、マッチングトランス２２ａ，３２ａは何れも一次巻線及び二次巻線を備え、一次巻線には複数の切替用のタップが備えられており、タップを切り替えることにより一次巻線の巻数を変化させる。これにより、マッチングトランス２２ａ，３２ａの二次側電圧を変換することができ、各電源２１，３１の負荷インピーダンスを調整することができる。各電源２１，３１が電圧型のインバータである場合には、マッチングトランス２２ａ，３２ａの二次巻線と各整合器２２，３２の出力端との間にはそれぞれコンデンサ２２ｂ，３２ｂが設けられており、整合器２２，３２から負荷側で構成する回路で、各電源２１，３１の定格周波数に共振させることができる。

各誘導加熱機１０は、加熱コイル１１に対し高周波用切替器２３及び低周波用切替器３３が接続されて構成されている。各誘導加熱機１０は、加熱コイル１１と入力端として高周波用接続端１２ａ及び低周波用接続端１３ａとを有していればよい。図１に示す形態では、高周波用切替器２３と加熱コイル１１との間には高周波用電流変成器１２が設けられ、低周波用切替器３３と加熱コイル１１との間には低周波用電流変成器１３が設けられている。高周波用電流変成器１２、低周波用電流変成器１３はそれぞれトランスにより構成され、各電源２１，３１が電流型のインバータである場合にはマッチング用のコンデンサがトランスの一次側に並列に接続して構成されている。高周波用電流変成器１２の一次巻線は高周波用接続端１２ａに接続され、高周波用電流変成器１２の二次巻線は加熱コイル１１に接続されている。低周波用電流変成器１３の一次巻線は低周波用接続端１３ａに接続され、低周波用電流変成器１３の二次巻線は加熱コイル１１に接続されている。各誘導加熱機１０には、切替制御部４０に対して切替指令を通知する切替指令部１４と、高周波用電源２１及び低周波用電源３１の各電源制御部２１ａ，３１ａに対して出力指令を通知する出力指令部１５と、を備えている。

高周波用整合器２２は、ブスバー等の給電路を経由して各誘導加熱機１０の高周波用切替器２３に並列接続されている。同様に、低周波用整合器３２は、ブスバー等の給電路を経由して各誘導加熱機１０の低周波用切替器３３に並列接続されている。

切替制御部４０は、各誘導加熱機１０の切替指令部１４からの指令に従って各誘導加熱機１０の高周波用切替器２３及び低周波用切替器３３をＯＮ状態からＯＦＦ状態へ、又はＯＦＦ状態からＯＮ状態へ制御する。

図２は切替制御部の動作を示すフロー図である。
ステップ１：切替制御部４０は、各誘導加熱機１０の切替指令部１４から切替要求があるかを判断する。
ステップ２：ステップ１において切替要求があると判断されると、切替要求を受け付け、切替制御部４０は要求に係る切替の順序を記憶しておく。図３は切替制御部４０において記憶しているデータの一例を示すテーブルである。切替要求の受付順に、高周波用切替器２３，低周波用切替器３３の何れか一方又は双方に、切替要求があったかを記憶する。
ステップ３：切替制御部４０は、ステップ２において記憶した切替の順序に従って進むことになると、先ず、低周波用切替器３３のみの切替要求かを判断する。
ステップ４：ステップ３において、低周波用切替器３３のみの切替要求でないと判断すると、高周波用切替器２３のみの切替要求かを判断する。
ステップ５：ステップ４において、高周波用切替器２３のみの切替要求でないと判断すると、つまり、高周波用切替器２３及び低周波用切替器３３の切替要求であると判断すると、対象電源である高周波用電源２１及び低周波用電源３１の何れもが使用可能かを判断する。その際、切替制御部４０は、高周波用電源２１及び低周波用電源３１が使用中かについて、他の誘導加熱機１０からの高周波用切替器２３及び低周波用切替器３３の切替要求の有無に基づいて判断する。
ステップ６：ステップ５において、対象電源の何れもが使用可能であると判断すると、要求元の誘導加熱機１０の高周波用切替器２３及び低周波用切替器３３の何れもＯＮにする。これにより、高周波用電源２１及び低周波用電源３１の何れも要求元の誘導加熱機１０に接続される。
ステップ７：ステップ３において、低周波用切替器３３のみの切替要求であると判断すると、対象電源である低周波用電源３１が使用可能かを判断する。その際、切替制御部４０は、低周波用電源３１が使用中か否かについて、他の誘導加熱機１０からの低周波用切替器３３の切替要求の有無に基づいて判断する。
ステップ８：ステップ７において、対象電源が使用可能であると判断すると、要求元の誘導加熱機１０の低周波用切替器３３をＯＮにする。これにより、低周波用電源３１を要求元の誘導加熱機１０に接続する。
ステップ９：ステップ４において、高周波用切替器２３のみの切替要求であると判断すると、対象電源である高周波用電源２１が使用可能かを判断する。その際、切替制御部４０は、高周波用電源２１が使用中か否かについて、他の誘導加熱機１０から高周波用切替器２３の切替要求の有無に基づいて判断する。
ステップ１０：ステップ９において、対象電源が使用可能であると判断すると、要求元の誘導加熱機１０の高周波用切替器２３をＯＮにする。これにより、高周波用電源２１を要求元の誘導加熱機１０に接続する。
ステップ６，ステップ８，ステップ１０は、誘導加熱機１０から切替要求が出ている間はその状態を保持し、切替要求が切れた後は、次の切替要求に基づき、切替要求が切れた切替器をＯＦＦにし、切替要求が出された切替器をＯＮにする。次の切替要求がない場合は、現在の状態を保持する。

以上の説明では、切替要求が低周波用切替器３３のみの切替要求かをステップ３で判断し、次に切替要求が高周波用切替器２３のみの切替要求かをステップ４で判断している。しかしながら、切替要求が高周波用切替器２３のみの切替要求かをステップ３で判断し、次に切替要求が低周波用切替器３３のみの切替要求かをステップ４で判断してもよい。

図４は切替制御部の動作を示す別のフロー図である。図４のフロー図は図２のステップ１を省略したものであり、切替制御部４０に切替順序を予め記憶している点で異なっている。ステップ２以降の一連のステップは図２と同じなので説明を省略する。

これらの一連のステップによれば、切替制御部４０が、切替手順に従って当該切替要求に係る対象電源が使用されているか否かを判断し、切替要求に係る対象電源が使用されていなければ、切替要求を出力した誘導加熱機１０における高周波用切替器２３、低周波用切替器３３の何れか一方又は双方をＯＮにする。

誘導加熱システム１では、各誘導加熱機１０に出力指令部１５を備えており、要求元の誘導加熱機１０に高周波用電源２１、低周波用電源３１の何れか一方又は双方が接続されていることを切替制御部４０が判断した後、出力指令部１５から高周波用電源２１及び低周波用電源３１の各電源制御部２１ａ，３１ａの何れか一方又は双方に、加熱入信号及び出力指令値が出力される。すると、各電源制御部２１ａ，３１ａは、当該誘導加熱機１０の出力指令に従って電源の出力を制御し、電力を出力する。

〔誘導加熱システムによる電力供給方法〕
誘導加熱システム１においては、高周波用電源２１に接続された高周波用切替器２３と低周波用電源３１に接続された低周波用切替器３３が、各誘導加熱機１０の加熱コイル１１に対して並列に接続されている。よって、単一の電源系から一の誘導加熱機に複数の周波数の電力を供給することができる。すなわち、何れか一の誘導加熱機１０の切替指令部１４から切替制御部４０に対して高周波用切替器２３及び低周波用切替器３３をＯＮにするように指令を出し、切替制御部４０がその指令に従って高周波用切替器２３及び低周波用切替器３３をＯＮにする。その後、その一の誘導加熱機１０の出力指令部１５から高周波用電源２１及び低周波用電源３１の各電源制御部２１ａ，３１ａに対してそれぞれ出力指令を通知する。すると、高周波用電源２１から出力された高周波電力が、高周波用整合器２２を経由してその一の誘導加熱機１０に流れ、低周波用電源３１から出力された低周波が、低周波用整合器３２を経由してその一の誘導加熱機１０に流れる。よって、一の誘導加熱機１０において、高周波電力と低周波電力が重畳して加熱コイル１１に流れる。高周波電力と低周波電力の出力比を調整することにより、高周波と低周波との間の周波数による誘導加熱効果が得られ、単一の電源系が多周波の電源機能を有する。

また、誘導加熱システム１では、単一の電源系から単周波の電力だけを一の誘導加熱機１０に流すこともできる。すなわち、何れか一の誘導加熱機１０の高周波用切替器２３及び低周波用切替器３３を連動してＯＮ制御する一方、その一の誘導加熱機１０から高周波用電源２１、低周波用電源３１の何れか一方のみに対して出力指令を通知する。すると、出力指令を受けた何れかの電源から、その電源に接続された整合器２２又は３２を経由してその一の誘導加熱機１０に電力が供給される。しかしながら、高周波用切替器２３及び低周波用切替器３３を連動してＯＮすると、その一の誘導加熱機１０から高周波用電源２１、低周波用電源３１の何れか一方のみに対して出力指令が通知された場合には、出力指令が通知されない他方の電源は未使用となり、その結果、稼働率が低下する。

そこで、誘導加熱システム１では、単一の電源系から誘導加熱機１０に単周波の電力を供給する形態であっても、或る誘導加熱機１０に高周波又は低周波の電力を供給する一方、別の誘導加熱機１０に低周波又は高周波の電力を供給することが好ましい。ここで、単一の電源系から或る誘導加熱機１０に対する電力の供給開始時間が、別の誘導加熱機１０に対する電力の供給開始時間よりも前後してもよいし、単一の電源系から或る誘導加熱機１０に対する電力の供給終了時間が、別の誘導加熱機１０に対する電力の供給終了時間よりも前後してもよい。

すなわち、任意の一の誘導加熱機１０が、高周波用整合器２２及び低周波用整合器３２の何れか一方の整合器を経由して、高周波用電源２１及び低周波用電源３１の何れか一方の電源から電力の供給状態又は供給待ちの状態において、一の誘導加熱機に接続した一方の整合器と逆の他方の整合器を介在して他の一の誘導加熱機１０を未使用の他方の電源と接続し、他の一の誘導加熱機１０が他方の整合器を経由して他方の電源から電力を受けることができる。

具体的に説明すると、誘導加熱システム１では、任意の一の誘導加熱機１０の切替指令部１４からの指令に基づいて、切替制御部４０が何れか一の誘導加熱機１０の高周波用切替器２３をＯＮにすると共に、その一の誘導加熱機１０の出力指令部１５から高周波用電源２１に対してのみ出力指令を通知する。すると、一の誘導加熱機１０の高周波用切替器２３だけがＯＮとなり、高周波用電源２１から高周波用整合器２２を経由してその一の誘導加熱機１０に電力が供給される。その途中において、別の誘導加熱機１０の切替指令部１４からの指令に基づいて切替制御部４０が別の誘導加熱機１０の低周波用切替器３３をＯＮにすると共に、その別の誘導加熱機１０の出力指令部１５から低周波用電源３１に対してのみ出力指令を通知する。すると、別の要求元の誘導加熱機１０と低周波用整合器３２とが接続され、低周波用電源３１から低周波電力が供給される。なお、誘導加熱システム１において或る誘導加熱機１０に低周波電力を供給しているとき又は供給待ち状態であるとき、別の誘導加熱機１０に高周波電力を供給する場合についても同様である。

このように、誘導加熱システム１は、任意の誘導加熱機１０に対して二周波を重畳して電力を供給することも、任意の誘導加熱機１０に対して高周波又は低周波の何れかの単周波の電力の供給状態又は供給待ち状態において別の誘導加熱機１０に対しての未使用の電源から単周波の電力を供給することできる。よって、単一の電源系の稼働率を高めることができ、生産性の向上を図ることができる。なお、図１に示す誘導加熱システム１には、誘導加熱機１０を４台示しているが、２台、３台又は５台以上であってもよい。

１：誘導加熱システム
１０：誘導加熱機
１１：加熱コイル
１２：高周波用電流変成器
１２ａ：高周波用入力端
１３：低周波用電流変成器
１３ａ：低周波用入力端
１４：切替指令部
１５：出力指令部
２１：高周波用電源
２１ａ：電源制御部
２２：高周波用整合器
２２ａ，３２ａ：マッチングトランス
２２ｂ，３２ｂ：コンデンサ
２３：高周波用切替器
３１：低周波用電源
３１ａ：電源制御部
３２：低周波用整合器
３３：低周波用切替器
４０：切替制御部

Claims (3)

1. 加熱コイルと入力端として高周波用接続端及び低周波用接続端とを有する複数の誘導加熱機と、
   前記各誘導加熱機の前記高周波用接続端に接続された高周波用切替器と、
   前記各誘導加熱機の前記低周波用接続端に接続された低周波用切替器と、
   高周波電力を出力する高周波用電源と、
   低周波電力を出力する低周波用電源と、
   前記高周波用電源に接続された高周波用整合器と、
   前記低周波用電源に接続された低周波用整合器と、
   前記高周波用切替器及び前記低周波用切替器を制御する切替制御部と、
   を備え、
   一の誘導加熱機に接続した前記高周波用切替器又は前記低周波用切替器により、前記一の誘導加熱機と前記高周波用整合器又は前記低周波用整合器との接続状態又は接続待機状態において、前記切替制御部にて他の一の誘導加熱機に接続した前記低周波用切替器又は前記高周波用切替器を閉に切り替えることで、前記一の誘導加熱機に接続した一方の整合器とは逆の他方の整合器と前記他の一の誘導加熱機とを接続する、誘導加熱システム。
2. 前記切替制御部は、任意の一の誘導加熱機に接続した高周波用切替器を制御することにより前記一の誘導加熱機と前記高周波用整合器とを接続し、かつ、前記一の誘導加熱機に接続した低周波用切替器を制御することにより前記一の誘導加熱機と前記低周波用整合器とを接続する、請求項１に記載の誘導加熱システム。
3. 複数の誘導加熱機と、高周波用整合器を経由して高周波電力を供給する高周波用電源と、低周波用整合器を経由して低周波用電力を供給する低周波用電源と、切替制御部とを用い、
   前記複数の誘導加熱機のうち任意の一の誘導加熱機が、前記高周波用整合器及び前記低周波用整合器の何れか一方の整合器を経由して、前記高周波用電源及び前記低周波用電源の何れか一方の電源からの電力の供給状態又は供給待ち状態であるとき、
   前記切替制御部により、前記一の誘導加熱機に接続した一方の整合器とは逆の他方の整合器を介在して他の一の誘導加熱機を未使用の他方の電源と接続し、前記他の一の誘導加熱機が前記他方の整合器を経由して前記他方の電源から電力の供給を受ける、電力供給方法。

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