JP6391175B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、誘導加熱装置に関する。

一般に鉄鋼の製造ラインでは、所望の温度に加熱された鋼板を圧延機にかけることで、所望する板厚の製品を得ている。このような鉄鋼製造ラインにおいて、鋼材の両側のエッジ部の温度降下に対する均熱や圧延機の負荷軽減のために、鋼板の両エッジ部を加熱するＣ型エッジヒータを設置することが一般的となっている。鋼板製造ラインにおいては、鋼板の両側エッジ部を鋼板の全長に渡って加熱することが求められる。そのために加熱開始時には、鋼板がエッジヒータのインダクタに到達する前に通電を開始して、鋼板がインダクタを抜けた後に通電を停止させる必要がある。

上述のようなＣ形エッジヒータの運転パターンにおいて、鋼板の先端がインダクタに進入している状態、もしくは鋼板の尾端がインダクタから抜けていく過程では、負荷インピーダンスは変化している状態にある。この負荷インピーダンスの変化率は、鋼板の搬送速度により変化する。鋼板の搬送速度が速いほど、負荷インピーダンスの変化率も大きくなる。

一方、Ｃ形エッジヒータにエネルギーを供給しているのはインバータ電源であるが、インバータ電源は、負荷変動に対して供給するエネルギーを一定に保つように電圧制御している。しかしながら、負荷インピーダンスの変動が急激な場合には、インバータ電源の電圧制御が変動に追従できなくなり、出力電圧が過電圧状態となって、トリップに至る可能性がある。尾端がインダクタを抜けていく状態では、負荷インピーダンスおよび出力電圧上昇の変化が大きく、インバータ電源がトリップに至る大きな要因であった。

インピーダンスの急変による過電圧発生を防止する技術がいくつか知られている。たとえば、電動機駆動装置用の電源装置に関する技術として、加減速レート低減率演算回路を備えたものがある。この加減速レート逓減率演算回路は、電動機駆動装置内の直流電圧検出回路が検出した直流電圧が過電圧検出基準値を超過した場合に、選択回路により選択された交流可変速駆動装置に対して、超過値に応じた低減率を算出し、交流可変速駆動装置に加減速レートを出力し、加減速レートを変化（選択）させる。これによって電源装置の過電圧を防止する（特許文献１等）。

誘導加熱装置として、Ｃ形エッジヒータにおいて出力電圧および出力電流から負荷インピーダンスを計算して、負荷インピーダンスの計算値にもとづいて、Ｃ形エッジヒータのインダクタ位置を調整する技術が知られている（特許文献２等）。

しかしながら、上述の技術では、電動機駆動装置が制御を行って検出した直流電圧の出力値によって低減率を計算し、加減速レートを与えて電動機駆動装置の出力を制御する。したがって、過電圧発生を防止する手段が開示されているものの、制御した後に初めて制御補正が加わるものであり、負荷の急激な変化には追従できない。

また、もう一方の技術では、鋼板両端の昇温やアークスポット低減といったバランスコントロールを目指してエッジヒータのインダクタ位置制御を行うので、過電圧防止を目的としていない。

上述の技術では、Ｃ形エッジヒータにおける圧延材の運転状況に応じて発生する負荷インピーダンスの過渡的変化に追従することはできない。

特開平９−２４７９７８号公報 特許第５４６６９０５号公報

実施形態は、エッジヒータにおける圧延材の運転状況に応じて発生する負荷インピーダンスの過渡的変化に追従して安定に動作を継続することができる誘導加熱装置を提供する。

実施形態に係る誘導加熱装置は、交流または直流を入力して、電圧基準回路により出力電圧が設定された交流電力を出力する電力変換部と、圧延材の幅方向の両側に配置されるとともに前記圧延材の搬送方向に離間して配置され、前記電力変換部から供給される電流によって前記圧延材に誘導電流を発生させて加熱する複数のインダクタを含むヒータ部と、前記出力電圧および前記電力変換部の出力電流にもとづいてインピーダンスを計算し、前記インピーダンスおよび前記圧延材の搬送速度にもとづいてインピーダンスの時間変化であるインピーダンス変化率を計算し、前記インピーダンス変化率にもとづいて前記電圧基準回路の設定を補正する制御部と、を備える。

本実施形態では、電力変換部の出力電圧、出力電流、および圧延材の搬送速度にもとづいて、電力変換部の出力電圧を設定する電圧基準回路の設定を補正する制御部を備えるので、過渡的な負荷インピーダンスの変化を生じても、安定して動作を継続することができる。

実施形態に係る誘導加熱装置を例示するブロック図である。 誘導加熱装置のＣ形エッジヒータを例示する、図１のＡ−Ａ’矢視断面図である。 本実施形態の誘導加熱装置の動作を説明する動作波形図の例である。 本実施形態の誘導加熱装置の動作を説明するためのフローチャートである。 比較例の誘導加熱装置を例示するブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、本実施形態に係る誘導加熱装置を例示するブロック図である。
図２は、誘導加熱装置のＣ形エッジヒータを例示する、図１のＡ−Ａ’矢視断面図である。
まず、本実施形態の誘導加熱装置１の構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態の誘導加熱装置１は、電力変換部１０と、制御部２０と、Ｃ形エッジヒータ３０と、を備える。誘導加熱装置１は、入力電源２に接続されており、入力電源２から供給される電力によって動作する。入力電源２は、たとえば三相交流電源である。入力電源２は、単相商用交流電源であってもよく、直流電源であってもよい。誘導加熱装置１は、入力電源２から電力の供給を受けて、圧延材３の搬送方向に沿った両側のエッジを加熱する。

電力変換部１０では、入力１０ａに入力電源２が接続され、出力１０ｂにはＣ形エッジヒータ３０が接続されている。電力変換部１０は、入力電源２から電力の供給を受けてＣ形エッジヒータ３０に所望の電圧、電流および周波数を有する交流電力を供給する。電力変換部１０は、インバータ装置である。なお、入力電源２が交流電源である場合には、電力変換部１０と入力電源２との間に、交流電力を直流電力に変換する整流平滑回路またはコンバータ回路を含む。あるいは、電力変換部１０は、交流電力を他の交流電力に変換するマトリクスコンバータ等であってもよい。また、電力変換部１０は、制御部２０に接続されており、後述するように、制御部２０からの指令にしたがって、出力電圧が設定される。さらに、電力変換部１０は、圧延材３の搬送速度を検出するために設けられている速度検出部１６に接続されている。速度検出部１６は、たとえば、圧延材３を搬送するテーブルローラ（図示せず）に接続されたロータリエンコーダを含む。

電力変換部１０は、主回路１１と、電圧基準回路１２と、電圧検出部１３と、電流検出部１４と、有効電力演算部１５と、過電圧検出部１７と、を含む。

主回路１１は、入力電源２とＣ形エッジヒータ３０との間に接続されている。主回路１１は、入力電源２から供給される交流または直流電圧を高周波でスイッチングしてＰＷＭ等により他の交流電圧に変換するスイッチング素子等を含む電力変換回路である。

電圧基準回路１２は、電力変換部１０と制御部２０との間に接続されている。電圧基準回路１２は、電力変換部１０が出力する出力電圧の基準となる電圧波形を生成する。たとえば、電圧基準回路１２の出力電圧の振幅が１００％に設定されているときに、電力変換部１０の出力電圧は、定格出力電圧を出力するように設定されている。電圧基準回路１２は、この誘導加熱装置１の定常運転時には、電力変換部１０の出力電力Ｐおよび圧延材３の搬送速度φの比が一定になるように電圧基準値Ｖｒｅｆが設定される。そのため、電力変換部１０は、圧延材３の単位長さに対する電力量を一定に制御して、圧延材３の温度上昇を一定にすることができる。つまり、電力変換部１０では、圧延材３の搬送速度φが速いときには、出力電力Ｐを大きくし、圧延材３の搬送速度φが遅いときには、出力電力Ｐを小さくするように制御する。圧延材３の尾端３ａがＣ形エッジヒータ３０を抜け始めて負荷インピーダンスが大きく変化するような状態では、電圧基準回路１２は、制御部２０からの指令にもとづいて電力変換部１０に供給する電圧基準値Ｖｒｅｆを設定する。

電圧検出部１３は、電力変換部１０の出力１０ｂに接続されている。電圧検出部１３は、図示のようにたとえば計器用変圧器である。電圧検出部１３は、電力変換部１０の出力１０ｂの線間電圧を検出して、検出した電圧を電力変換部１０の出力電圧として制御部２０および有効電力演算部１５に入力する。電圧検出部１３には、電力変換部１０の出力電圧を検出することができる他の機器や素子を用いることができる。たとえば、電圧検出部１３には、フォトカプラ等の光学絶縁素子を用いた半導体素子を用いてもよい。

電流検出部１４は、電力変換部１０の出力１０ｂとＣ形エッジヒータ３０との間に接続されている。電流検出部１４は、図示のようにたとえば計器用変流器である。電流検出部１４は、電力変換部１０からＣ形エッジヒータ３０に流れる電流を、電力変換部１０の出力電流として検出して、有効電力演算部１５に入力する。電流検出部１４は、電力変換部１０の出力電流を検出することができる他の機器や素子を用いることができる。たとえば、電流検出部１４には、ホール素子等を用いた電流検出モジュール等を用いてもよい。

有効電力演算部１５は、電圧検出部１３および電流検出部１４のそれぞれの出力に接続されている。有効電力演算部１５は、電圧検出部１３で検出された電力変換部１０の出力電圧、および電流検出部１４で検出された電力変換部１０の出力電流からＣ形エッジヒータ３０に入力される有効電力を計算する。有効電力演算部１５は、出力電圧の瞬時値および出力電流の瞬時値の積を積分することによって有効電力を演算する。有効電力演算部１５によって計算された有効電力は、後述するようにＣ形エッジヒータ３０を含む負荷インピーダンスを算出することに用いられる。

過電圧検出部１７は、電力変換部１０の出力の線間に接続されており、線間の出力電圧が所定の検出値に達したときに、主回路１１の動作を停止させる。過電圧検出部１７の過電圧検出値は、たとえば、定格出力電圧の１１５％〜１２０％に設定されている。

制御部２０は、電力変換部１０に接続されている。また、制御部２０は、速度検出部１６の出力に接続されている。制御部２０は、インピーダンス演算部２１と、インピーダンス変化率演算部２２と、電圧基準補正演算部２３と、を含む。

インピーダンス演算部２１は、電圧検出部１３および有効電力演算部１５の出力に接続されている。インピーダンス演算部２１は、電圧検出部１３によって検出された電力変換部１０の出力電圧Ｖおよび有効電力演算部１５によって計算された出力電力Ｐを用いて、Ｃ形エッジヒータ３０を含む負荷インピーダンスを計算する。

インピーダンス変化率演算部２２は、インピーダンス演算部２１の出力および速度検出部１６に接続されている。インピーダンス変化率演算部２２は、インピーダンス演算部２１によって計算された負荷インピーダンスおよび圧延材３の搬送速度を用いて、負荷インピーダンス変化率を計算する。より具体的には後述するが、インピーダンス変化率は、圧延材３の尾端３ａがインダクタ３２，３３を抜け始めたときの起点のインピーダンスと、尾端３ａがＣ形エッジヒータ３０内の任意の位置のときのインピーダンスとの差を時間で除した値であり、インピーダンスの時間当たりの変化率として計算される。

電圧基準補正演算部２３は、インピーダンス変化率演算部２２の出力に接続されている。電圧基準補正演算部２３は、インピーダンス変化率を用いて電圧基準回路１２が出力する電圧基準値Ｖｒｅｆを設定する。この電圧基準値Ｖｒｅｆは、インピーダンス変化率にもとづいて補正された値である。

記憶部２４は、インピーダンス演算部２１、インピーダンス変化率演算部２２および電圧基準補正演算部２３にそれぞれ接続されている。記憶部２４は、インピーダンス演算部２１において計算された起点のインピーダンス値を格納する。また、記憶部２４は、インピーダンス変化率演算部２２において計算されたインピーダンス変化率のしきい値を格納する。さらに、記憶部２４は、インピーダンス変化率演算部２２において計算されたインピーダンス変化率を格納する。記憶部２４は、電圧基準回路１２に接続されており、電圧基準回路１２で設定されているその時点における電圧基準値を格納する。その他、記憶部２４は、インピーダンス値やインピーダンス変化率を計算するための各種パラメータを記憶する。これらのパラメータについては、後に詳述するが、たとえば電力変換部１０の定格出力電圧や定格出力電力等である。これらのパラメータは、あらかじめ記憶部２４に格納され、演算の必要に応じて呼び出されて用いられる。

制御部２０は、記憶部２４に格納されたプログラムにしたがって動作するＣＰＵ（Central Processing Unit）やマイクロプロセサ等であってもよい。制御部２０がＣＰＵ等によって実現される場合には、インピーダンス演算部２１、インピーダンス変化率演算部２２および電圧基準補正演算部２３の動作は、一連のプログラムを構成する実行ステップにより実現されてもよい。記憶部２４は、ＣＰＵが有するキャッシュメモリであってもよく、適切なバスに接続された外部メモリ等であってもよい。

Ｃ形エッジヒータ３０は、複数のインダクタ３２〜３５を含んでいる。インダクタ３２〜３５それぞれは同一の形状を有している。したがって、インダクタ３２について以下で説明するが、他のインダクタ３３〜３５についても同様である。図２に示すように、インダクタ３２は、コア３２ａと、コイル３２ｂとを有している。コア３２ａは、圧延材３の面にほぼ垂直な部材３２ａ１と、部材３２ａ１の両端部に一方の端部がそれぞれ接続され、圧延材３の面にほぼ水平に伸びる部材３２ａ２，３２ａ３と、部材３２ａ２，３２ａ３のそれぞれの他方の端部に部材３２ａ１とほぼ水平になるように接続された部材３２ａ４，３２ａ５を有している。部材３２ａ４，３２ａ５の端部は、開放されており、ギャップ３２ｃが形成されている。部材３２ａ４，３２ａ５の外周には、導線が巻回されコイル３２ｂが形成されている。このように、Ｃ形エッジヒータ３０を構成する各インダクタ３２〜３５は、アルファベットの「Ｃ」に類似する形状を有しているので、Ｃ形コイルまたはＣ形インダクタとも呼ばれる。コイル３２ｂは、電力変換部１０の出力１０ｂに接続されており、電力変換部１０から出力される所定の交流電力によって駆動される。コイル３２ｂに電流が流れることによって、コイル３２ｂが巻回されているコア３２ａに磁束がとおり、部材３２ａ１〜３２ａ５は、ギャップ３２ｃとともに磁気回路を構成する。つまり、インダクタ３２は、ギャップ付きコイルである。ギャップ３２ｃには、圧延材３の一方のエッジ３ｂが配置され、インダクタ３２が駆動されると、磁気回路内に挿入された圧延材３のエッジ３ｂ付近の表面にうず電流が発生し、うず電流損によって圧延材３のエッジ部分の温度が上昇する。他のインダクタ３３〜３５も同様に動作する。

インダクタ３２，３３は、圧延材３の尾端３ａが最初に抜けていく側に、圧延材３の両側のエッジで対向するように配置されている。インダクタ３４，３５は、圧延材３の尾端が最後に抜けていく側に、圧延材３の両側のエッジで対向するように配置されている。インダクタ３２，３４およびインダクタ３３，３５は、圧延材３の搬送される方向に沿って、ほぼ同じ距離だけ離間して配置されている。インダクタ３２，３４およびインダクタ３３，３５の離間距離は、鋼材の材質や厚さ等に応じて適切に設定される。

Ｃ形エッジヒータ３０の各インダクタ３２〜３５は、誘導性リアクタンスを有するので、力率を適切に設定し各インダクタに供給される無効電力を調整するために、インダクタごとにコンデンサＣＡ〜ＣＤが接続されている。

本実施形態の誘導加熱装置１の動作について以下説明する。
図３は、本実施形態の誘導加熱装置１の動作を定性的に説明するために負荷インピーダンス等の変化を示す図である。
図４は、本実施形態の誘導加熱装置１の動作を説明するフローチャートである。
図３の最上段の図に示すように、インダクタ３２，３３は、圧延材３の先端が最初に入る位置に配置されている。ここで、圧延材３の搬送方向に沿って平行なＸ軸をとる。図３の２段目の図に示すように、圧延材３の尾端３ａの位置Ｘ２がインダクタ３２，３３の端部に差し掛かる位置をＸ＝０とする。この図に示すように、インダクタ３２，３３は、圧延材１の尾端３ａが最初に抜ける位置に配置されていることになる。そして、図３の３段目の図に示すように、インダクタ３４，３５は、Ｘ軸に沿ってインダクタ３２，３３から離間して配置され、搬送される圧延材３の尾端３ａが最後に抜ける位置に配置されている。圧延材３の尾端３ａが、インダクタ３４，３５の端部に差し掛かる位置をＸ＝Ｘａとする。以下では、Ｘ軸上の座標０〜Ｘａ間の範囲を、Ｃ形エッジヒータ３０の区間と呼び、Ｃ形エッジヒータ３０の区間の長さをインダクタの配置距離ＥＨｄと呼ぶこととする。

まず、圧延材３の先端が、Ｃ形エッジヒータ３０の区間に進入する。つまり、圧延材３の先端の位置Ｘ１は、Ｘ１≧０であり、位置Ｘ１は次第に大きくなる。圧延材３の先端の位置Ｘ１がＸ＝Ｘａに到達するまで、Ｃ形エッジヒータ３０を含む負荷インピーダンスは、圧延材３の先端の位置Ｘ１が正方向に移動するにつれて低下する。なお、このときの負荷インピーダンスは、Ｘ１の進行とともに低下するため、電力変換部１０の出力電圧はＸ１の進行とともに低下する、そのため、圧延材３の進入時に電力変換部１０が過電圧検出によって動作停止することが問題となることはない。

圧延材３の先端がＸ＝Ｘａを通過した図３の最上段の図では、Ｃ形エッジヒータ３０の区間中には、圧延材３がほぼ一様に存在するので、Ｃ形エッジヒータ３０を含む負荷インピーダンスは、ほぼ一定の値を示す。なお、圧延材３の両側エッジの温度上昇を均一に保つために、電力変換部１０は、出力電力と圧延材３の搬送速度との比がほぼ一定となるように制御しており、この範囲内における負荷インピーダンスの変化については、電力変換部１０の制御系の応答によって十分追従することができる。

図３の４段目のグラフ形式の図には、Ｘ軸上の０〜Ｘａの各位置に圧延材３の尾端３ａがあるときの負荷インピーダンスＺＬ、電力変換部１０の出力電流Ｉｏｕｔ、出力電圧Ｖｏｕｔ、および電圧基準回路１２が出力する電圧基準値Ｖｒｅｆが示されている。この図に示すように、圧延材３の尾端３ａがＣ形エッジヒータ３０の区間を抜け始め、圧延材３の尾端３ａの位置Ｘ２がＸ２＞０になると、Ｃ形エッジヒータ３０を含む負荷インピーダンスは、位置Ｘ２とともに上昇する。出力電圧Ｖｏｕｔの変化は、負荷インピーダンスの上昇にもとづく上昇に加え、負荷インピーダンスの時間変化による過渡応答による上昇分を含んでいる。

たとえば、圧延材３の搬送速度が一定のときには、負荷インピーダンスＺＬは、圧延材３の尾端３ａの位置Ｘ２がＸ軸の正方向に移動するにつれて、ほぼ一定の傾きで上昇する。負荷インピーダンスＺＬの上昇に関連して、出力電圧Ｖｏｕｔも上昇する。出力電圧の上昇の割合は、図では示されないが、圧延材３の搬送速度にも依存する。圧延材３の搬送速度が速い場合には、同じ負荷インピーダンスであっても搬送速度が遅い場合よりも出力電圧はより大きい割合で上昇する。電力変換部１０は、負荷に対して定電力制御を行っているので、このときの出力電流Ｉｏｕｔは、過渡応答分を含まない出力電圧Ｖｏｕｔの上昇に応じて低下する。

ここで、電圧基準回路１２から出力される電圧基準値Ｖｒｅｆを、負荷インピーダンスＺＬの平方根に関連して低下するように補正する。電圧基準値Ｖｒｅｆが次第に低下するように補正されることよって、出力電圧Ｖｏｕｔの上昇は抑制される。

なお、図３の最下段のグラフ形式の図は、比較例の誘導加熱装置の動作を定性的に示す図であり、後に詳述する。

図４のフローチャートを用いて、本実施形態の誘導加熱装置１の動作をより定量的に説明する。図４に示すように、誘導加熱装置１の動作が開始されると、ステップＳ１からステップＳ３において、起点における各種値を取得する。ステップＳ１では、起点インピーダンス比％Ｒ０を取得し、ステップＳ２では、起点搬送速度ＢＡＲ０を取得し、ステップＳ３では、起点電圧基準値Ｖｒｅｆ０を取得する。これらの値は、後のステップの各種計算に用いられる。

ステップＳ１において、制御部２０のインピーダンス演算部２１では、以下の式（１）によって、インピーダンス比％Ｒを計算し、計算結果を記憶部２４に格納する。

％Ｒ＝（Ｖ１^２／Ｐ１）／（Ｖ０^２／Ｐ０）×１００［％］ （１）

Ｖ１は、電圧検出部１３によって検出された電力変換部１０の出力電圧である。Ｐ１は、有効電力演算部１５で計算された電力変換部１０の出力電力である。Ｖ０は、電力変換部１０の定格出力電圧である。Ｐ０は、電力変換部１０の定格出力電力である。つまり、インピーダンス比％Ｒは、電力変換部１０の定格出力電力および定格出力電圧時の負荷インピーダンスに対する動作時の負荷インピーダンスの比率として与えられる。なお、以下の負荷インピーダンスの計算においては、式（１）のように定格値との相対値であるインピーダンス比％Ｒを用いるが、測定値から直接計算される負荷インピーダンスの値をそのまま用いてもよい。

ステップＳ２において、制御部２０では、インピーダンス変化率演算２２および速度検出部１６を介して、圧延材３の搬送速度を検出し、記憶部２４に格納する。

ステップＳ３において、制御部２０では、電圧基準回路１２の電圧基準値Ｖｒｅｆを取得して記憶部２４に格納する。

ステップＳ４において、制御部２０では、圧延材３の尾端３ａがインダクタ３２，３３を抜けたこと、すなわち尾端３ａの位置Ｘ２がＸ＝０を通過したか否かを判定する。尾端３ａがＸ＝０の位置を通過したか否かは、圧延材３の位置を検出する位置検出器（図示せず）を別に設けて、制御部２０において位置検出器の出力によって、判定することができる。ステップＳ４でＸ２≧０を検出したときには、次のステップに遷移する。次のステップＳ５に遷移する時点で、インピーダンス比％Ｒは、Ｘ２≧０となる直前の値が格納されているので、このときの値を起点インピーダンス％Ｒ０とする。また、この時点で記憶部２４に格納されている搬送速度の値を起点搬送速度ＢＡＲ０とする。そして、この時点で記憶部２４に格納されている電圧基準値を起点電圧基準値Ｖｒｅｆ０とする。

ステップＳ５において、制御部２０では、しきい値Ｖｒｅｆｔｈが計算される。しきい値Ｖｒｅｆｔｈは、電圧基準値Ｖｒｅｆの設定によって、電圧基準値Ｖｒｅｆの補正演算を行うか否かの判定のためのしきい値である。しきい値Ｖｒｅｆｔｈは、たとえば定格出力電圧Ｖｒａｔｅのｋ倍として、係数ｋの値を設定することにより決定される。係数ｋは、０％〜１００％の範囲で任意に設定することができ、記憶部２４に格納されている。圧延材３が低速で搬送されているときには、圧延材３に対する投入電力量は小さくてもよいので、電力変換部１０の出力電圧Ｖｏｕｔは、定格出力電圧Ｖｒａｔｅに対して十分低くすることができる。出力電圧Ｖｏｕｔが定格出力電圧Ｖｒａｔｅに対して十分低いときには、出力の過電圧検出値に対する余裕が十分にあることから、出力電圧が過渡的に跳ね上がる現象を生じても、過電圧検出されないことが考えられる。このような場合に、このステップＳ６を実行することによって、電圧基準値Ｖｒｅｆの補正演算を実行しないようにすることができる。出力の過電圧検出値が定格出力電圧Ｖｒａｔｅの１１５％であるときには、過電圧検出値に対して２５％の余裕をもたせることができるので、たとえば、ｋ＝９０％とすることができる。つまり、Ｖｒｅｆｔｈ＝Ｖｒｅｆｒ×９０［％］とすることができ、出力電圧の設定値が定格出力電圧の９０％以下のときには、電圧基準値Ｖｒｅｆの補正計算を実行しないようにすることができる。ここで、Ｖｒｅｆｒは、定格出力電圧Ｖｒａｔｅを出力するときの電圧基準値である。

ステップＳ６において、制御部２０では、電圧基準回路１２において設定されている電圧基準値Ｖｒｅｆと電圧基準のしきい値Ｖｒｅｆｔｈとの大小関係を比較する。電圧基準値Ｖｒｅｆの設定値が、しきい値Ｖｒｅｆｔｈ以下のときには、電圧基準値Ｖｒｅｆの補正演算を行うことなく、プログラムを終了する。電圧基準値Ｖｒｅｆの設定値が、しきい値Ｖｒｅｆｔｈよりも大きいときには、次のステップＳ７へ移行する。

ステップＳ７において、インピーダンス変化率演算部２２では、以下の式（２）によって、電圧基準補正演算を行うか否かのインピーダンス比変化率に対するしきい値％Ｒ１を計算する。

％Ｒ１＝１／｛（４００［％］−％Ｒ０）／１００×（ＥＨｄ／ＢＡＲ０）｝ （２）

ここで、％Ｒ０は、ステップＳ１において記憶部２４に格納された起点インピーダンス比である。ＥＨｄは、インダクタの配置距離であり、あらかじめ適切な値が設定されている。ＢＡＲ０は、ステップＳ２において記憶部２４に格納された起点搬送速度である。式（２）では、圧延材３の尾端３ａがＣ形エッジヒータ３０の区間を抜けたとき、すなわちインダクタ３４，３５の端部を抜けたとき（Ｘ＝Ｘａ）のインピーダンス比は、定常時の４００％であるとしている。圧延材３の尾端３ａがＸ＝Ｘａを通過するときのインピーダンス比は、実験的に観測された値として４００％となったことからこの値を用いている。したがって、この値については、任意のパラメータとして、変更することができる。たとえば、式（２）において、起点インピーダンス比％Ｒ０を１００［％］、インダクタの配置距離ＥＨｄを２［ｍ］、圧延材３の起点搬送速度ＢＡＲ０を１００［ｍ／ｍｉｎ］とすると、％Ｒ１＝０．２８となる。計算されたしきい値％Ｒ１の値は、記憶部２４に格納される。

ステップＳ８において、インピーダンス演算部２１では、式（１）を用いてインピーダンス比％Ｒが計算され、計算結果は、記憶部２４の、起点インピーダンス％Ｒ０とは別のアドレスに格納される。

ステップＳ９において、インピーダンス変化率演算部２２では、圧延材３の尾端３ａの位置Ｘ２がＣ形エッジヒータ３０の区間内（０≦Ｘ２≦Ｘａ）にあるときのインピーダンス比補正量％Ｒ２を式（３）によって計算する。

％Ｒ２＝１／｛（％Ｒ−％Ｒ０）／１００×（ＥＨｄ／ＢＡＲ１）｝ （３）
ここで、％Ｒは、ステップＳ１で計算され、ステップＳ３で記憶部２４に格納されているインピーダンス比の値である。ＢＡＲ１は、圧延材３の搬送速度であり、インピーダンス変化率演算部２２および速度検出部１６を介して記憶部２４に格納される。

ステップＳ１０では、ステップＳ９において計算されたインピーダンス比補正量％Ｒ２と、インピーダンス比のしきい値％Ｒ１との大小関係を比較する。インピーダンス比補正量％Ｒ２が、しきい値％Ｒ１以下のときには、補正計算を行うことなくプログラムを終了する。インピーダンス比補正量％Ｒ２が、しきい値％Ｒ１よりも大きいときには、次のステップへ遷移する。なお、インピーダンス補正量％Ｒ２がしきい値％Ｒ１よりも小さい場合とは、式（１）で計算されたインピーダンス比％Ｒが起点インピーダンス比％Ｒ０よりも十分に大きく（式（２）では、４００％を超えている）、出力電圧の上昇を電圧基準値Ｖｒｅｆの補正では、補正し切れない場合を表している。

ステップＳ１１において、電圧基準補正演算部２３によって、以下の式（４）を用いて電圧基準値Ｖｒｅｆの補正値Ｖａｄｊを計算し、以下の式（５）を用いて補正後の電圧基準の出力値を設定する。

Ｖａｄｊ＝Ｖｒｅｆ０×（％Ｒ２／１００）^１／２ （４）
Ｖｒｅｆ１＝Ｖｒｅｆ０−Ｖａｄｊ （５）
ここで、Ｖｒｅｆ０は、起点における電圧基準値であり、記憶部２４に格納されている。

ステップＳ１１における演算によって、圧延材３の尾端３ａの位置Ｘ２におけるインピーダンス比％Ｒおよびインピーダンス比変化率％Ｒ２にもとづく電圧基準の補正値を算出することができる。そして、この値を起点の電圧基準値から差し引くことで、適切な出力電圧の目標値の設定を行うことができる。

ステップＳ１２において、制御部２０によって、圧延材３の尾端３ａがＣ形エッジヒータ３０の区間を抜けたか否かを判定する。判定の方法は、尾端３ａの抜け始めと同様に、制御部２０において位置センサからの情報を取得することによって行うことができる。圧延材３の尾端３ａがＣ形エッジヒータ３０の区間を抜けていないと判定された場合には、ステップＳ８に戻って、上述の動作を繰り返す。

本実施形態の誘導加熱装置１の作用および効果について、比較例の誘導加熱装置１００と比較しつつ説明する。
図５は、比較例の誘導加熱装置を例示するブロック図である。
図３の最下段のグラフ形式の図では、比較例の誘導加熱装置１００の動作の状況が定性的に示されている。負荷インピーダンスの値および圧延材３の搬送速度は、４段目のグラフ形式の図で示されている本実施形態の誘導加熱装置１と同じであるとする。比較例の誘導加熱装置１００は、本実施形態の誘導加熱装置１に対して、制御部２０を有さない点で相違するが、他においては同じであり、同じ構成要素については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図５に示すように、比較例の誘導加熱装置１００は、電力変換部１１０と、Ｃ形エッジヒータ３０とを有している。電力変換部１１０は、主回路１１と、電圧基準回路１２と、電圧検出部１３と、電流検出部１４と、有効電力演算部１５と、過電圧検出部１７と、を含んでいる。比較例の誘導加熱装置１００は、本実施形態の誘導加熱装置１のような制御部２０を有さないので、有効電力演算部１５の出力および速度検出部１６の出力は、電圧基準回路１２に接続され、他には接続されない。

比較例の誘導加熱装置１００では、図３の最下段のグラフ形式の図に示すように、負荷インピーダンスＺＬは、尾端３ａの位置Ｘ２とともに上昇する。このときの負荷インピーダンスＺＬは、本実施形態の誘導加熱装置１の場合の負荷インピーダンスＺＬと同様に推移する。しかし、比較例の誘導加熱装置１００では、制御部２０を有していないので、インピーダンス比を計算し、計算されたインピーダンス比からインピーダンス比変化率を計算し、このインピーダンス比変化率にもとづいて、電圧基準値を補正することがない。そのため、比較例の誘導加熱装置１００では、負荷インピーダンスの時間変化によって、出力電圧Ｖｏｕｔは急激に上昇する出力電圧の跳ね上がり現象を生ずる。図では示していないが、跳ね上がりを生じた出力電圧Ｖｏｕｔが過電圧検出部１７のしきい値を超えた場合には、電力変換部１０は動作を停止し、誘導加熱装置１００全体が動作を停止してしまう。

一方、本実施形態の誘導加熱装置１では、インピーダンス演算部２１、インピーダンス変化率演算部２２および電圧基準補正演算部２３を有する制御部２０を備えているので、負荷インピーダンスの変化率を計算して負荷インピーダンスの上昇を予測することができる。この誘導加熱装置１では、負荷インピーダンスの上昇から予測される出力電圧の上昇にもとづいて、電圧基準値をあらかじめ低下させておくことができるので、出力電圧が過渡的に上昇する場合であっても、出力電圧の上昇を防止することができる。

本実施形態の誘導加熱装置１では、設定された出力電圧に対するしきい値を有しているので、出力電圧の設定値がしきい値よりも十分小さいときには、出力電圧の補償動作を行わずに制御動作を終了することができる。そのため、制御部２０等の動作負担を軽減することができる。

本実施形態の誘導加熱装置１では、設定されたインピーダンス比変化率のしきい値を有しているので、測定されたインピーダンス比変化率の値がしきい値よりも小さいときには、出力電圧の補償動作を行わずに制御動作を終了することができる。そのため、制御部２０の動作負担を軽減することができる。また、計算対象をインピーダンス比およびその変化率としているので、圧延材３の搬送速度の増減に対する変化を考慮した補正値を得ることができる。

以上説明した実施形態によれば、過渡的な負荷インピーダンスの変化を生じた場合であっても安定して動作を継続することができる誘導加熱装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１，１００ 誘導加熱装置、２ 入力電源、３ 圧延材、３ａ 尾端、１０，１１０ 電力変換部、１１ 主回路、１２ 電圧基準回路、１３ 電圧検出部、１４ 電流検出部、１５ 有効電力演算部、１６ 速度検出部、１７ 過電圧検出部、２０ 制御部、２１ インピーダンス演算部、２２ インピーダンス変化率演算部、２３ 電圧基準補正演算部、２４ 記憶部、３０ Ｃ形エッジヒータ、３２〜３５ インダクタ

Claims (4)

1. 交流または直流を入力して、電圧基準回路により出力電圧が設定された交流電力を出力する電力変換部と、
   圧延材の幅方向の両側に配置されるとともに前記圧延材の搬送方向に離間して配置され、前記電力変換部から供給される電流によって前記圧延材に誘導電流を発生させて加熱する複数のインダクタを含むヒータ部と、
   前記出力電圧および前記電力変換部の出力電流にもとづいてインピーダンスを計算し、前記インピーダンスおよび前記圧延材の搬送速度にもとづいてインピーダンスの時間変化であるインピーダンス変化率を計算し、前記インピーダンス変化率にもとづいて前記電圧基準回路の設定を補正する制御部と、
   を備えた誘導加熱装置。
2. 前記制御部は、第１しきい値を有し、前記出力電圧が前記第１しきい値よりも大きいときに前記電圧基準回路の設定を補正する請求項１記載の誘導加熱装置。
3. 前記制御部は、第２しきい値を有し、前記インピーダンス変化率が前記第２しきい値よりも大きいときに前記電圧基準回路の設定を補正する請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記複数のインダクタは、前記圧延材の先端が最初に入線する位置に配置された第１インダクタおよび第２インダクタと、前記圧延材の尾端が最後に出線する位置に配置された第３インダクタおよび第４インダクタとを含み、
   前記制御部は、前記圧延材の尾端が前記第１インダクタおよび前記第２インダクタと、前記第３インダクタおよび前記第４インダクタとの間にあるときに、前記電圧基準回路の設定の補正を実行する請求項１〜３のいずれか１つに記載の誘導加熱装置。

Images