JP6155568B2 - 誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導コイルにより被加熱体を加熱する誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法に関する。

従来より、被加熱体を加熱する方法として、誘導加熱を用いる方法が知られている。誘導加熱とは、被加熱体に誘導電流を発生させることにより被加熱体を加熱することをいう。被加熱体に発生した誘導電流は、被加熱体が有する電気抵抗により熱に変換され、被加熱体が加熱するものである。

誘導加熱を用いた加熱方法では、被加熱体に誘導電流を発生させるために、誘導コイルと呼ばれるコイルを用いるのが一般的である。誘導コイルを用いれば、誘導コイルを流れる交流電流が発生する磁力線を効率よく被加熱体に導くことができるからである。その際、誘導コイルを配置する方法として、誘導コイルを被加熱体の近傍に配置する方法、および、誘導コイルにより被加熱体を包むように配置する方法などがある。

ところで、誘導コイルにより被加熱体を加熱する誘導加熱装置では、複数の誘導コイルを備えるものがある。単数の誘導コイルしか備えていない誘導加熱装置では、被加熱体を短時間に効率よく均熱することが容易ではないからである。

誘導コイルにより被加熱体に誘導電流を発生させる場合、被加熱体の形状および特性などにより、一般に誘導電流の強度に偏りが発生してしまう。そして、誘導電流の強度の偏りは、被加熱体に発生する熱量の偏りとなってしまうので、被加熱体を均熱することの阻害要因となる。そこで、複数の誘導コイルを備えることにより、個々の誘導コイルの印加電圧を制御することができる誘導加熱装置が実用化されている。

実開平０６−６０９９７号公報

しかしながら、複数の誘導コイルを備える誘導加熱装置では、消費電力が増大するという問題があった。

複数の誘導コイルにより同一の被加熱体を加熱する場合、互いに隣接しあった誘導コイルが電磁気的に相互に干渉し、各誘導コイルに印加する電圧の比率を変化させた場合に、誘導コイルに流れる電流の電源電圧に対する位相ずれおよび最大電流値の変動が発生するという現象がある。すると、誘導コイルに給電するインバータにおける力率が悪化し、誘導加熱装置が装置内部で消費する電力が増大してしまう。

単数の誘導コイルしか備えていない誘導加熱装置では、例えば特許文献１に記載のように、ＬＣ共振となる静電容量のコンデンサを備えることにより力率を最適化することができるが、複数の誘導コイルを備える誘導加熱装置では、上述の誘導コイル間の相互干渉のために、力率を最適化するコンデンサの静電容量を事前に決定することができない。そこで、複数の誘導コイルを備える誘導加熱装置では、各誘導コイルに印加する電圧を変更した場合、その電圧の変更に適合した力率の調整が必要となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、誘導コイルに印加する電圧を変更した場合でも、その電圧の変更に適合した力率の調整をすることができる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の誘導加熱装置は、複数の誘導コイルにより同一の被加熱体を加熱する誘導加熱装置であって、前記複数の誘導コイルに交流電流を供給する交流電源と、前記交流電源と前記複数の誘導コイルとを並列に配線するフィーダと、前記フィーダの途中で前記複数の誘導コイルの夫々に異なる電圧を印加するために電圧を変換する電圧変換手段と、前記電圧変換手段と前記誘導コイルとの間に設けられ、前記誘導コイルと並列に流れる電流を制御する力率調整手段とを備えることを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の誘導加熱装置の制御方法は、複数の誘導コイルにより同一の被加熱体を加熱する誘導加熱装置の制御方法であって、前記複数の誘導コイルにより発生する無効電力を測定するステップと、前記測定した無効電力に基づいて、前記誘導コイルと並列に配列された可変コンデンサの静電容量の変更量を算出するステップと、前記変更量に対応する制御信号を前記可変コンデンサへ送信するステップとを含むことを特徴とする。

本発明にかかる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法は、誘導コイルに印加する電圧を変更した場合でも、その電圧の変更に適合した力率の調整をすることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置の概略構成図である。 図２は、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置の一つのフィーダのみを拡大して示す概略構成図である。 図３は、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置の制御方法を示すフローチャートである。 図４は、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法により力率が改善する様子を示した各電流のベクトル図である。

以下に、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。

〔誘導加熱装置〕
図１は、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置の概略構成図である。また、図２は、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置の一つのフィーダのみを拡大して示す概略構成図である。

図１に示されるように、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置１は、インバータ２と、整合トランス３と、力率調整手段４と、誘導コイル５とを備える。

図１に示されるように、インバータ２は、並列に配線された各誘導コイル５にかかるフィーダに対し、周波数ｆの交流電圧Ｖを印加する交流電源である。なお、インバータ２は、不図示のコンバータから直流電流を受電して交流電流を発生し、さらに、コンバータは、不図示の定格交流電源から交流電流を受電して直流電流を発生する構成とする。この構成により、インバータ２は、所望の周波数ｆの交流電流を誘導コイル５に供給することができる。

整合トランス３は、インバータ２が発生した交流電圧Ｖを各誘導コイル５ごとに適した交流電圧Ｖ_ｉｎｖに変換する電圧変換手段である。本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置１は、同一の被加熱体６を複数の誘導コイル５にて誘導加熱する装置であるので、被加熱体６を効率よく均熱するために、誘導コイル５ごとに最適な印加電圧を調整する必要がある。したがって、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置１は、各誘導コイル５にかかるフィーダのそれぞれに整合トランス３を配置し、交流電圧Ｖを誘導コイル５ごとに調整された交流電圧Ｖ_ｉｎｖに変換する。整合トランス３は、タップ切り換えにより、巻き線の巻き数比を変更することができる変圧器によって実現される。

力率調整手段４は、整合トランス３と誘導コイル５との間に設けられ、誘導コイル５によって発生する無効電流を調整する調整手段である。具体的には、力率調整手段４は、誘導コイル５と並列に流れる電流を制御することによって、誘導コイル５によって発生する無効電流を調整する。本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置１は、複数の誘導コイル５において独立に印加電圧を調整し、同一の被加熱体６を誘導加熱するので、誘導コイル５の間の相互作用により異なる位相ずれが発生する。したがって、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置１は、各誘導コイル５にかかるフィーダのそれぞれに力率調整手段４を配置している。なお、力率調整手段４の詳細は、図２を参照しながら後述する。

誘導コイル５は、被加熱体６に誘導電流を発生させるためのものであり、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置１では、複数の誘導コイル５により同一の被加熱体６に誘導電流を発生させている。

図２に示されるように、本発明の実施形態にかかる力率調整手段４は、可変コンデンサ７と、制御部８と、無効電力測定器９と、変流器１０と、計器用変圧器１１とを備える。

可変コンデンサ７は、誘導コイル５と並列に配線された静電容量が可変であるコンデンサである。すなわち、可変コンデンサ７は、誘導コイル５により発生する遅れ位相を、可変コンデンサ７により発生させる進み位相により相殺させる作用を担う。可変コンデンサ７の静電容量の可変範囲は、誘導コイル５によって発生する遅れ位相の変動分をカバーできれば良い。したがって、誘導コイル５で恒常的に発生する遅れ位相の分を固定式コンデンサで構成し、誘導コイル５で発生する遅れ位相の変動分を可変式のコンデンサで構成するというように、可変コンデンサ７を複数のコンデンサにより構成することも可能である。

制御部８は、可変コンデンサ７の静電容量を変更する制御を行う制御装置である。具体的には、制御部８は、無効電力の測定値から可変コンデンサ７の静電容量の変更量ΔＣを算出し、変更量ΔＣに対応する制御信号を可変コンデンサ７へ送信する動作を行う。例えば、無効電力の測定値から可変コンデンサ７の静電容量の変更量ΔＣを算出する方法では、以下の計算式が用いられる。

ただし、Ｑは、誘導コイルで発生する無効電力であり、無効電力測定器９により測定される。また、｜Ｖ_ｉｎｖ｜は、整合トランス３により変圧された電圧の大きさであり、ｆは、インバータ２により発生された周波数であり、誘導加熱装置１の設定パラメータである。

無効電力測定器９は、制御部８が可変コンデンサ７の静電容量の変更量ΔＣを算出するために用いる無効電力Ｑを測定する測定器である。具体的には、変流器１０を介して可変コンデンサ７および誘導コイル５に供給される電流Ｉ_ｉｎｖを測定し、計器用変圧器１１を介して可変コンデンサ７および誘導コイル５に供給される電圧Ｖ_ｉｎｖを測定し、無効電力測定器９は、測定された電流Ｉ_ｉｎｖおよび電圧Ｖ_ｉｎｖから無効電力を測定する。すなわち、電流Ｉ_ｉｎｖと電圧Ｖ_ｉｎｖとの間の位相差をθとすると、無効電力はＱ＝Ｉ_ｉｎｖ＊ｓｉｎθとして算出されることを用いて、無効電力測定器９は、測定された電流Ｉ_ｉｎｖおよび電圧Ｖ_ｉｎｖから無効電力を測定する。

〔制御方法〕
次に、図３を参照しながら本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置の制御方法を説明する。なお、図１および図２に示された誘導加熱装置１を参照しながら、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置の制御方法を説明するが、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置の制御方法の実施は、これら図面に表された構成により限定されるものではない。例えば、制御部８が行う制御をオペレータが行うことによっても、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置の制御方法は適切に実施され得る。

図３は、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置の制御方法を示すフローチャートである。図３に示されるように、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置の制御方法は、無効電力測定器９が誘導コイル５により発生する無効電力を測定することにより始まる（ステップＳ１）。

そして、制御部８は、無効電力測定器９が測定した無効電力に基づいて、可変コンデンサ７の静電容量の変更量ΔＣを算出する（ステップＳ２）。さらに、制御部８は、変更量ΔＣに対応する制御信号を可変コンデンサ７へ送信することにより、可変コンデンサ７の静電容量を変更する（ステップＳ３）。

本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置の制御方法は、上記ステップＳ１〜Ｓ３を誘導加熱装置の操業中に継続的に繰り返す態様で実施することも、整合トランス３による変圧の設定を変更した場合または被加熱体６の種類を変更した場合などのタイミングで適宜実施することも可能である。

〔効果〕
最後に、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法の効果について説明する。

図４は、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法により力率が改善する様子を示した各電流のベクトル図である。図４に示されるベクトル図には、インバータ２により供給される電圧を位相を基準とし、整合トランス３を流れる電流Ｉ_ｉｎｖと、誘導コイル５を流れる電流Ｉ_ｃｏｉｌと、可変コンデンサ７を流れる電流Ｉ_ｓ／ｃとが記載されている。また、図４（ａ）は、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法を実施する前の各電流のベクトル図であり、図４（ｂ）は、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法を実施した後の各電流のベクトル図である。

図４（ａ）に示されるように、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法を実施する前では、誘導コイル５を流れる電流Ｉ_ｃｏｉｌと可変コンデンサ７を流れる電流Ｉ_ｓ／ｃとの和となる誘導コイル５を流れる電流Ｉ_ｃｏｉｌの位相が、インバータ２により供給される電圧の位相とずれていることが解る。すなわち、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法を実施する前では、無効電力が発生しており、この無効電力により発生する電力欠損が消費電力を増大させている。

一方、図４（ｂ）に示されるように、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法を実施した後では、可変コンデンサ７を流れる電流Ｉ_ｓ／ｃがΔＩだけ減少している。なお、図中では可変コンデンサ７を流れる電流Ｉ_ｓ／ｃが減少しているが、上昇する場合もあり得る。この可変コンデンサ７を流れる電流Ｉ_ｓ／ｃの変更は、上述（式１）により可変コンデンサ７の静電容量を変更することにより可変コンデンサ７を流れる電流Ｉ_ｓ／ｃが調整された結果である。

その結果、図４（ｂ）に示されるように、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法を実施した後では、誘導コイル５を流れる電流Ｉ_ｃｏｉｌと可変コンデンサ７を流れる電流Ｉ_ｓ／ｃとの和となる誘導コイル５を流れる電流Ｉ_ｃｏｉｌの位相が、インバータ２により供給される電圧の位相と一致する。すなわち、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置および誘導加熱装置の制御方法の実施によれば、無効電力に起因する電力欠損が抑制され消費電力を低減させることができる。

以上より、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置１は、複数の誘導コイル５により同一の被加熱体６を加熱する誘導加熱装置１であって、複数の誘導コイル５に交流電流を供給するインバータ２と、インバータ２と複数の誘導コイル５とを並列に配線するフィーダと、フィーダの途中で複数の誘導コイル５の夫々に異なる電圧を印加するために電圧を変換する整合トランス３と、整合トランス３と誘導コイル５との間に設けられ、誘導コイル５と並列に流れる電流を制御する力率調整手段４とを備えるので、誘導コイル５に印加する電圧を変更した場合でも、その電圧の変更に適合した力率の調整をすることができる。

１ 誘導加熱装置
２ インバータ
３ 整合トランス
４ 力率調整手段
５ 誘導コイル
６ 被加熱体
７ 可変コンデンサ
８ 制御部
９ 無効電力測定器
１０ 変流器
１１ 計器用変圧器

Claims (2)

1. 複数の誘導コイルにより同一の被加熱体を加熱する誘導加熱装置であって、
   前記複数の誘導コイルに交流電流を供給する交流電源と、
   前記交流電源と前記複数の誘導コイルとを並列に配線するフィーダと、
   前記フィーダの途中で前記複数の誘導コイルの夫々に異なる電圧を印加するために電圧を変換する電圧変換手段と、
   前記電圧変換手段と前記誘導コイルとの間に設けられ、前記誘導コイルと並列に流れる電流を制御する力率調整手段と、を備え、
   前記力率調整手段は、
   前記誘導コイルにより発生する無効電力を測定する無効電力測定器と、
   前記誘導コイルに並列に配線された可変コンデンサと、
   前記無効電力測定器により測定された無効電力に基づいて、前記可変コンデンサの静電容量の変更量を算出し、該変更量に対応する制御信号を前記可変コンデンサへ送信する制御部と、を備え、
   前記可変コンデンサは、
   前記誘導コイルによる発生する遅れ位相のうち、恒常的に発生する遅れ位相の分を相殺するための固定式のコンデンサと、
   前記誘導コイルによる発生する遅れ位相のうちの変動分を相殺するための可変式のコンデンサと、から構成され、
   前記制御部は、以下の計算式を用いて、前記無効電力の測定値から前記可変コンデンサの静電容量の変更量を算出することを特徴とする誘導加熱装置。
   

   

   ただし、Ｑは、前記誘導コイルで発生する無効電力であり、｜Ｖ _ｉｎｖ ｜は、前記電圧変換手段により変圧された電圧の大きさであり、ｆは、前記交流電源により供給される交流電流の周波数である。
2. 複数の誘導コイルにより同一の被加熱体を加熱する誘導加熱装置の制御方法であって、
   前記複数の誘導コイルにより発生する無効電力を測定するステップと、
   前記測定した無効電力に基づいて、前記誘導コイルと並列に配列された可変コンデンサの静電容量の変更量を算出するステップと、
   前記変更量に対応する制御信号を前記可変コンデンサへ送信するステップと、を含み、
   前記可変コンデンサは、
   前記誘導コイルによる発生する遅れ位相のうち、恒常的に発生する遅れ位相の分を相殺するための固定式のコンデンサと、
   前記誘導コイルによる発生する遅れ位相のうちの変動分を相殺するための可変式のコンデンサと、から構成され、
   前記可変コンデンサの静電容量の変更量を算出するステップは、以下の計算式を用いて、前記無効電力の測定値から前記可変コンデンサの静電容量の変更量を算出することを特徴とする誘導加熱装置の制御方法。
   

   

   ただし、Ｑは、前記誘導コイルで発生する無効電力であり、｜Ｖ _ｉｎｖ ｜は、前記複数の誘導コイルの夫々に異なる電圧を印加するために電圧を変換する電圧変換手段により変圧された電圧の大きさであり、ｆは、前記複数の誘導コイルに交流電流を供給する交流電源により供給される交流電流の周波数である。

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