JP6500671B2 - 誘導加熱装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁誘導により被加熱物を加熱する誘導加熱装置の制御方法に係り、特に、被加熱物の加熱に起因して、加熱コイルの等価抵抗やインダクタンスが変化する場合に好適な誘導加熱装置の制御方法に関する。

複数の誘導加熱コイルを近接配置し、各加熱コイルに投入する電力を制御可能とした誘導加熱装置として、特許文献１に開示されているようなものが知られている。

特許文献１に開示されている誘導加熱装置は、各加熱コイルに対応したインバータを備え、各インバータから出力する電流の周波数を一致させ、電流の波形を同期させた状態として運転を行うというものである。このような制御を行うことで、近接配置された加熱コイル間に生じる相互誘導の影響を回避して、各加熱コイルに投入する電力の制御を行うことが可能となる。

特表２００５−５２９４７５号公報

ところが、電磁誘導により被加熱物を加熱する際、部材温度の変化に伴う性質変化や、加熱対象物の違いにより、被加熱部材の固有抵抗が低下すると、予め定めた出力電流を流す際の電圧値が低下することとなる。このため、出力電流が定格値に達した場合であっても、加熱に要する電力を加熱コイルに供給することができなくなってしまうという事態に陥る可能性が生ずる。

そこで本発明では、ゾーンコントロール制御を行う誘導加熱装置において、出力電流が上限値に達することによる被加熱物の加熱制御を行う際の不都合を回避することが可能であり、かつコスト、スペースの増大をも抑制することのできる誘導加熱装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る誘導加熱装置の制御方法は、複数の電圧型インバータと、各インバータに接続された加熱コイル、前記インバータと前記加熱コイルとの間に設けられて前記加熱コイルに対して直列に接続されたコンデンサ、および各インバータからの出力電力を制御する電力制御手段を備えた誘導加熱装置の制御方法であって、前記電力制御手段は、各インバータに対して運転周波数を一致させる駆動信号を出力すると共に、各インバータに供給される直流電流の値を検知し、いずれかの前記インバータに供給される直流電流の値が、予め定められた上限値に達した場合、前記インバータからの出力電流の周波数を増大させて前記直流電流の値を低下させ、前記インバータに供給される電圧値を上昇させることを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置の制御方法では、前記インバータに対して出力電流の周波数を上昇させる信号を出力することで、前記インバータからの出力電流と出力電圧の位相角である逆変換位相角の増大が成されるようにすることが望ましい。

さらに、上記のような特徴を有する誘導加熱装置の制御方法では、前記逆変換位相角が予め定めた上限値に達した状態で、前記直流電流の値が予め定められた上限値に達した場合に、前記インバータに供給される直流電圧の値を降下させることで、前記直流電流の値を前記予め定められた上限値から降下させるようにすると良い。

上記のような誘導加熱装置の制御方法によれば、出力電流が上限値に達することによる被加熱物の加熱制御を行う際の不都合を回避することが可能となる。また、ゾーンコントロール制御を行う誘導加熱装置において、スイッチング損失の増大を抑制し、かつコスト、スペースの増大をも抑制することができる。

発明に係る制御方法を実施するための誘導加熱装置の構成例を示すブロック図である。 グラファイトを加熱する際の誘導加熱装置の一例を示す模式図である。 グラファイトを加熱した際に固有抵抗の変化が生じた際の、従来の加熱制御と実施形態に係る加熱制御の対比を示す表である。

以下、本発明の誘導加熱装置の制御方法に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
まず、本実施形態に係る制御方法を適用する誘導加熱装置の一例について、図１を参照して説明する。図１に示す誘導加熱装置１０は、誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂと、インバータ１４ａ，１４ｂ、チョッパ回路２２ａ，２２ｂ、コンバータ２６、電源部３０を基本として構成されており、電力制御手段により、インバータ１４ａ，１４ｂからの出力電力が制御される。

図１に示す誘導加熱装置１０は、詳細を後述するコンバータ２６に対して、チョッパ回路２２ａ，２２ｂ、インバータ１４ａ，１４ｂ、および誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂからなる回路が、並列に接続されることで構成されている。よって本実施形態に係る誘導加熱装置１０は、個別に電力制御可能な複数の誘導加熱回路を備えていることとなる。

誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂは、高周波電流を供給可能なインバータ１４ａ，１４ｂが接続されたコイルである。本実施形態の場合、単一の被誘導加熱部材（例えば円盤状のグラファイトや、長尺物のビレット等）に対して、複数（図１に示す例では２つ）の誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂを近接配置する構成としている。このような配置構成とした場合、コイルへ電力を投入した際、隣接して配置された誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ間には、相互誘導電圧Ｖｍが生ずることとなる。

図１に示す誘導加熱装置１０で採用しているインバータ１４ａ，１４ｂは、電圧型インバータである。各誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂとインバータ１４ａ，１４ｂとの間には、共振コンデンサ３２ａ，３２ｂが直列に接続されており、両者の間には、直列共振回路が構成されている。よって、図１に示す誘導加熱装置１０は、複数（２つ）の自己共振回路を構成しているということができる。

インバータ１４ａ，１４ｂは、単相のフルブリッジインバータを構成している。スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１６を採用し、負荷電流を転流させるためにダイオード１８を逆並列に接続する構成としている。ブリッジ回路の前段には、直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ２０と平滑コイル（ＤＣＬ：ＤＣリアクトル）２１が設けられている。

チョッパ回路２２ａ，２２ｂは、コンバータ２６から出力された定電圧の直流電圧をスイッチング素子であるＩＧＢＴ２４でチョッピングすることでデューティ比を変化させて、インバータ１４ａ，１４ｂへ入力する平均電圧を変化させる役割を担う。チョッパ回路２２ａ，２２ｂとコンバータ２６との間には、平滑コンデンサ２５が設けられている。

コンバータ２６は、ダイオード２８を用いて構成される三相ダイオードブリッジにより成る。電源部３０より供給された三相交流電流を直流電流に変換し、チョッパ回路２２ａ，２２ｂへと供給する役割を担う。

電力制御手段４０は、位相制御部４２と電流同期制御部４４ａ，４４ｂ、および電流制御部４６ａ，４６ｂを基本として構成されており、以下のような制御が成される。

位相制御部４２には、位相検出部４８ａ，４８ｂを介して、インバータ１４ａ，１４ｂからの出力電流Ｉｍｆと出力電圧Ｖｉｖの位相角φが入力されている。位相角φは、位相検出部４８ａ，４８ｂに対して、それぞれゲートパルス（Ｎｏ．１Ｇ．Ｐ．，Ｎｏ２．Ｇ．Ｐ．）とＩｍｆのフィードバック値（Ｉｍｆ１ＦＢ，Ｉｍｆ２ＦＢ）とが入力されることにより、これらの信号に基づいて求められる。また、位相制御部４２には、ＺＶＳ（ゼロボルトスイッチング）を行うために必要とされる最小位相角の値（φｍｉｎ）と、電流リミッタ５０ａ，５０ｂからの出力信号も入力される。

位相制御部４２は、電流同期制御部４４ａ，４４ｂに対して基準周波数列を出力する。ここで、位相角φは、数式１に示されるように、周波数の高低に応じて変化する。通常、位相制御部４２では、ｃｏｓφ＝Ｒ／√（Ｒ^２＋Ｘ^２）で表される力率を向上させるために、位相角φの値を小さくする制御がなされる。よって、基準周波数列は、できるだけ小さくなるように制御される。
・・・（数式１）

一方で、複数の誘導加熱回路を同期制御するためには、ＺＶＳ（Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）が成される必要があり、位相制御部４２では、位相角φが最小位相角以上であり、かつできるだけ小さな値となるように、基準周波数列を定めて出力している。

電流同期制御部４４ａ，４４ｂには、位相制御部４２からの基準周波数列の他、Ｉｍｆ１ＦＢとＩｍｆ２ＦＢが、それぞれ入力される。電流同期制御部４４ａ，４４ｂでは、基準周波数列とＩｍｆ１ＦＢ，Ｉｍｆ２ＦＢの周波数を比較し、両者を一致させるためのゲートパルスをインバータ１４ａ，１４ｂに出力する（逆変換ゲートパルス）。この制御により各インバータ１４ａ，１４ｂからの出力電流Ｉｍｆ１，Ｉｍｆ２の周波数を一致させることができる。

電流制御部４６ａ，４６ｂには、Ｉｍｆ指令値（Ｉｍｆ０）と、Ｉｍｆ１ＦＢ，Ｉｍｆ２ＦＢが入力される。Ｉｍｆ（Ｉｍｆ１，Ｉｍｆ２）は、数式２で示されるように、出力電圧Ｖｉｖ≒Ｖｄｃの増減によって変化する。
・・・（数式２）

よって、位相制御部４２では、ＩｍｆＦＢがそれぞれＩｍｆ指令値と一致するように、チョッパのデューティ比を制御して、直流電圧Ｖｄｃの増減を図るためのゲートパルス（チョッパゲートパルス）を出力する。これにより、各ゾーンにおいて加熱に必要とされる電流値（Ｉｍｆ１，Ｉｍｆ２）の調整を行うことが可能となる。

上記のような制御を行う上で、位相制御部４２に対して電流リミッタ５０ａ，５０ｂからの信号が入力された場合、次のような制御を行う。
電流リミッタ５０ａ，５０ｂでは、インバータ１４ａ，１４ｂに入力される直流電流Ｉｄｃの現在値（Ｉｄｃ１，Ｉｄｃ２）とその定格値であるＩｄｃ０との比較が成されている。そして、Ｉｄｃ１（又はＩｄｃ２）とＩｄｃ０との比較の結果、Ｉｄｃ１（又はＩｄｃ２）＞Ｉｄｃ０となった場合に、位相制御部４２に対して、Ｉｍｆ１，Ｉｍｆ２の周波数を増大させるための信号が出力される。

位相制御部４２に電流リミッタ５０ａまたは電流リミッタ５０ｂからの信号が入力された場合には、設定する基準周波数列の周波数を増大させる。基準周波数列が増大されると、数式１に示したように、位相角φの値が増加し、ｃｏｓφで示される力率が低下する。力率が低下した場合、誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂに対して加熱のために定めたＩｍｆ（Ｉｍｆ指令値）を流すためには、出力電圧（Ｖｉｖ）を上昇させる必要がある。ここで、Ｖｉｖ≒Ｖｄｃと定義することができるため、Ｖｉｖを上昇させるためには、Ｖｄｃを上昇させてやれば良い。

Ｖｄｃを上昇させるには、チョッパ２２ａ，２２ｂのデューティ比を上昇させれば良い。ここで、出力する電力Ｗは、数式３のように示すことができる。このため、電力Ｗを一定とした場合には、Ｖｄｃが上昇すると、Ｉｄｃは降下することとなる。
・・・（数式３）
そして、出力電力に関する力率は、数式４で示すことができる。
・・・（数式４）

数式４から、力率が低下した場合（力率＜１）、ＩｍｆはＩｄｃよりも大きな値となる。よって、Ｖｄｃの上昇に伴いＩｄｃが低下することにより、Ｉｍｆは、Ｉｄｃよりも大きな値で、制御することが可能となり、所望する電力を得るために必要とされるＩｍｆを満たすことが可能となる。

この結果、Ｉｄｃ１（又はＩｄｃ２）は、Ｉｄｃ１（又はＩｄｃ２）＜Ｉｄｃ０となり、被加熱物の加熱制御を行う際の不都合を回避することが可能となる。

具体的な事例を図２、図３に示す。ここで、図２は、断面長円型のグラファイトを加熱コイルにより誘導加熱する際の模式図であり、図２（Ａ）は図２（Ｂ）におけるＡ−Ａ断面を示すものとする。また、図３において、Ｒｓは回路の固有抵抗であり、Ｉｍｆはインバータからの出力電流、Ｉｄｃは直流電流、Ｖｄｃは直流電圧、Ｗは出力電力とする。また、Ｉｄｃ、及びＶｄｃの定格値は１とする。

このような加熱装置において、グラファイトが加熱されて固有抵抗Ｒｓが０．８に低下した場合、定格電流を流す際の電圧値Ｖｄｃは０．８となる。ここで、出力電力Ｗを１とするためには、出力電流Ｉｍｆを約１．１程度にする必要があるが、出力電流Ｉｍｆ、を制御する直流電流Ｉｄｃは、定格値に達しているため、電流値を上昇させることができない。また、直流電圧Ｖｄｃ≒Ｖｉｖには余裕があるが、数式２から理解できるように通常は、Ｖｄｃ≒Ｖｉｖを上昇させた場合、Ｉｄｃも上昇することとなってしまうため、Ｖｄｃを上昇させることもできない。このため、加熱コイルに供給される出力電力（有効電力）Ｗは、約０．８となってしまうこととなる。

これに対し、本実施形態に係る運転方法を実施した場合、周波数を向上させて力率を低下させた状態、すなわち電流が流れ難い状態とした上で電圧値を上昇させるため、Ｉｄｃを１に保った状態で、出力電圧Ｖｄｃを１に上昇させることができる。このため、加熱コイルに供給する電力（有効電力）Ｗを約１とすることができる。

また、上記のような制御方法によれば、ゾーンコントロール制御を行う誘導加熱装置において、コストやスペースの増大も抑制することが可能となる。

１０………誘導加熱装置、１２ａ，１２ｂ………誘導加熱コイル、１４ａ，１４ｂ………インバータ、１６………ＩＧＢＴ、１８………ダイオード、２０………平滑コンデンサ、２１………ＤＣＬ、２２ａ，２２ｂ………チョッパ回路、２４………ＩＧＢＴ、２５………平滑コンデンサ、２６………コンバータ、３０………電源部、４０………電力制御手段、４２………位相制御部、４４ａ，４４ｂ………電流同期制御部、４６ａ，４６ｂ………電流制御部、４８ａ，４８ｂ………位相検出部、５０ａ，５０ｂ………電流リミッタ。

Claims (3)

1. 複数の電圧型インバータと、各インバータに接続された加熱コイル、前記インバータと前記加熱コイルとの間に設けられて前記加熱コイルに対して直列に接続されたコンデンサ、および各インバータからの出力電力を制御する電力制御手段を備えた誘導加熱装置の制御方法であって、
   前記電力制御手段は、各インバータに対して運転周波数を一致させる駆動信号を出力すると共に、
   各インバータに供給される直流電流の値を検知し、
   いずれかの前記インバータに供給される直流電流の値が、予め定められた上限値に達した場合、前記インバータからの出力電流の周波数を増大させて前記直流電流の値を低下させ、
   前記インバータに供給される電圧値を上昇させることを特徴とする誘導加熱装置の制御方法。
2. 前記インバータに対して出力電流の周波数を上昇させる信号を出力することで、前記インバータからの出力電流と出力電圧の位相角である逆変換位相角の増大が成されることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置の制御方法。
3. 前記逆変換位相角が予め定めた上限値に達した状態で、前記直流電流の値が予め定められた上限値に達した場合に、
   前記インバータに供給される直流電圧の値を降下させることで、前記直流電流の値を前記予め定められた上限値から降下させることを特徴とする請求項２に記載の誘導加熱装置の制御方法。