JP6713021B2 - 誘導溶解炉 - Google Patents

Description

本発明は、炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉に関する。

従来、この種の誘導加熱装置としては、下記特許文献１に示すように、順変換器と逆変換器とが直列共振型回路（電圧型回路）を構成する電力変換部を備え、該電力変換部の出力周波数を予め設定されたプログラムに従って、該直列共振型回路の負荷共振周波数よりも高く設定された起動周波数から負荷共振周波数に向かって低減させる制御装置を備えるものが知られている。（下記特許文献１における請求項１参照）。

特開平３−１９００８２号公報

ここで、誘導溶解炉においては、（１）被加熱材同士のスパーク（瞬時的な重負荷への変動による周波数急変）により負荷変動が常時発生していること、（２）高周波コンデンサの定格電圧超過を防止することから、出力周波数を負荷共振周波数に対して一定以上とする周波数下限値を設定している。

しかしながら、出力周波数に周波数下限値を設定した場合には、溶解初期は負荷共振周波数が低いことから、出力周波数の下限値により出力電流が制限され、出力電力が大幅に低減するという問題がある。

加えて、出力電力の低下により溶解速度が低下し、結果として、さらに出力周波数が下限値に制限された状態が長く続いてしまうという問題がある。

以上の事情に鑑みて、本発明は、出力周波数に周波数下限値を設定する場合にも、出力周波数を最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる誘導溶解炉を提供することを目的とする。

第１発明の誘導溶解炉は、炉壁の外周に設けられた加熱コイルに、順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器と、第１および第２高周波コンデンサとが共振型回路を構成する電力変換部と、該第１および第２スイッチング素子に対する制御信号を生成する制御信号生成部とを備える電力供給手段を介して電力を供給することにより、炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉であって、
前記加熱コイルへの電力の供給状態から負荷共振周波数を算出する負荷共振周波数算出部と
を備え、
前記逆変換器は、前記第１および第２スイッチング素子を１組として複数組の該第１および第２スイッチング素子により構成されると共に、前記第１および第２高周波コンデンサがこれを１組として前記１組の第１および第２スイッチング素子に対応する自然数倍の組により構成され、１組の該第１および第２スイッチング素子とこれに対応する自然数倍の組の該第１および第２高周波コンデンサとを１ユニットとして複数のユニットにより構成され、
前記負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数が所定の周波数規定値以下の場合に、前記複数のユニットの一部を停止することを特徴とする。

第１発明の誘導溶解炉によれば、本願発明者らは、鋭意の試験研究により、負荷共振周波数が、加熱コイルのインダクタンスＬおよび高周波コンデンサの静電容量Ｃの積の１／２乗に反比例することに着目し、高周波コンデンサの静電容量Ｃを小さくすることで、負荷共振周波数を積極的に変動させるとの知見を得た。

すなわち、１組の第１および第２スイッチング素子とこれに対応する自然数倍の組の第１および第２高周波コンデンサとを１ユニットとして複数のユニットにより逆変換器を構成しておき、負荷共振周波数が所定の周波数規定値以下の場合に、複数のユニットの一部を停止することで、負荷共振周波数を積極的に高めるように変動させることができる。

これにより、出力周波数に周波数下限値を設定した場合にも、被加熱材が冷材の場合に、溶解初期に共振周波数が低く、出力周波数の下限値により出力電流が制限され、出力電力が大幅に低減することを防止することができる。ひいては、出力電力の低下により溶解速度が低下し、結果として、さらに出力周波数が下限値に制限された状態が長く続いてしまうという問題も解消することができる。

このように、第１発明の誘導溶解炉によれば、出力周波数に周波数下限値を設定する場合にも、出力周波数を最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる。

第２発明の誘導溶解炉は、第１発明において、
前記負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数が所定の周波数規定値より大きい場合に、停止した前記複数のユニットの一部を起動させることを特徴とする。

第２発明の誘導溶解炉によれば、第１発明において、負荷共振周波数が所定の周波数規定値以下で複数のユニットの一部を停止させた場合でも、溶解の進行に伴って、負荷共振周波数の上昇した場合には、停止させた複数のユニットの一部を起動させることができる。

このように、第２発明の誘導溶解炉によれば、出力周波数に周波数下限値を設定する場合にも、出力周波数を溶解状態に応じてより最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる。

本実施形態の誘導溶解炉の構成を示す全体構成図。 図１の誘導溶解炉の回路の一部の詳細を示す説明図。 図１の誘導溶解炉における制御処理の内容を示すフローチャート。

図１を参照して、本実施形態の誘導溶解炉について説明する。誘導溶解炉は、溶解炉内に収納された被加熱材Ｘを溶解させるものである。

具体的に、誘導溶解炉の制御装置は、電源１と、高圧受電盤２と、変換装置用変圧器３と、電力変換装置４と、高周波整合装置５と、誘導加熱装置６と、制御回路１０と、制御装置（コントローラ）１００とを備える。

なお、電力変換装置４および高周波整合装置５が本発明の電力変換部に相当する。

電源１は、定格の交流電源であって、高圧受電盤２に接続されている。

高圧受電盤２は、誘導加熱装置への電源通電・停止と故障発生時の電源遮断を行う装置であって、パワーヒューズ２ａと遮断器２ｂとを備える。パワーヒューズ２ａは、短絡事故時に電流遮断する手段であって、遮断器２ｂは、電源の通電と停止に伴う開閉動作を行う。

変換装置用変圧器３は、高圧受電盤２に接続され、電力変換装置４への入力電圧が所定の値となるように調整する。

電力変換装置４は、変換装置用変圧器３に接続され、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源から任意の高周波電流を生成するための装置であって、交流/直流変換器である順変換器４１ａ，４１ｂと、直流/交流変換器である少なくなくとも１組の逆変換器４２ａ，４２ｂとを備え、制御回路１０からの出力制御信号により制御される。

具体的に、電力変換装置４は、入力側にダイオード式順変換器４１ａ，４１ｂを備え、出力側にＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂを備え、順変換器４１ａ，４１ｂにはそれぞれ直列に平滑用リアクトル４３ａ，４３ｂが接続されると共に、順変換器４１ａ，４１ｂに並列に平滑用コンデンサ４４ａおよび４４ｂが接続される。

なお、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂが本発明の第１および第２スイッチング素子に相当する。

さらに、電力変換装置４は、順変換器４１ａ，４１ｂの出力側の直流電圧を検出して直流電圧信号（ａ）を出力する直流電圧検出器４５と、直流電流を検出して直流電流信号（ｂ）を出力する直流電流検出器４６とを備え、直流電圧検出器４５および直流電流検出器４６の出力値は、制御回路１０に出力される。

高周波整合装置５は、電力変換装置４と誘導加熱装置６との間に設けられて、誘導加熱装置６が低力率であるため負荷力率を改善する。

具体的に、高周波整合装置５は、１組の逆変換器４２ａ，４２ｂに対応する少なくとも１組の第１及び第２高周波コンデンサ５１ａ，５１ｂと、高周波整合装置５の出力電流を検出して出力電流信号（ｄ）を出力する電流検出器５２および出力電圧を検出して出力電圧信号（ｅ）を出力する電圧検出器５３等から構成される。

なお、逆変換器４２ａ，４２ｂおよびこれに対応する少なくとも１組の第１及び第２高周波コンデンサ５１ａ，５１ｂで構成される周波数変換部７の詳細を図２を参照して後述する。

誘導加熱装置６は、電力変換装置４と高周波整合装置５とから供給される高周波電流を加熱コイル６１に通電させることにより、溶解炉本体内に収納された被加熱材Ｘにうず電流を発生させ、うず電流により金属材料間に発生するジュール熱で被加熱材Ｘを昇温させて溶解させる。

制御回路１０は、誘導溶解炉の運転・停止、出力調整等の制御を行うと共に、誘導溶解炉の制御装置として出力力率を検出する力率検出部、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号生成部としての機能を備える。

具体的に制御回路１０は、例えば、力率検出部と、ＰＬＬ制御部とを備え、力率検出部が、電流検出器５２の出力値である高周波整合装置５の出力電流信号（ｄ）と、電圧検出器５３の出力値である高周波整合装置５の出力電圧信号（ｅ）とから、高周波整合装置５から出力される交流電流・電圧の出力力率を算出する。また、ＰＬＬ制御部が、力率検出部により算出された出力力率に基づいて、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号を生成する。

制御装置１００は、主として、当該誘導炉の運転・停止，被加熱材Ｘへの供給電力調整，構成機器の破損・故障を防止するための保護等を行う。

具体的に、制御装置１００は、負荷インピーダンス算出部としての機能を有する。負荷インピーダンス［％Ｒ］は、制御装置１００において、電力変換装置４の出力電力Poおよび出力電圧Voから算出される（％Ｒ＝Vo²／Po）。

また、制御装置１００は、負荷共振周波数算出部としての機能を有する。負荷共振周波数Ｆは、整合装置５と加熱コイルの６１との間で構成される共振回路における共振周波数として算出される｛Ｆ＝１／［２π√（ＬＣ）］｝。

そして、制御装置１００は、かかる負荷インピーダンスの算出処理および負荷共振回路の算出処理を一定の処理周期で繰り返し実行する。

次に、図２を参照して、説明を後回しにした周波数変換部７の詳細を説明する。

周波数変換部７は、少なくとも１組の逆変換器４２ａ，４２ｂおよびこれに対応する少なくとも１組の第１および第２高周波コンデンサ５１ａ，５１ｂで構成されるユニットを１ユニットとして、第１ユニット７Ａ〜第Ｎユニット７Ｎの複数のユニットにより構成される。

ここで、第１ユニットは、１組の高周波コンデンサ５１ａ１，５１ｂ１がこれを１組として１組の逆変換器４２ａ１，４２ｂ１に対応する自然数倍の組により構成される（図中は１倍の組の場合を示す）。

同様、第２ユニットは、１組の高周波コンデンサ５１ａ２，５１ｂ２がこれを１組として１組の逆変換器４２ａ２，４２ｂ２に対応する自然数倍の組により構成される（図中は１倍の組の場合を示す）。

以下、同様にして、第Ｎユニットは、１組の高周波コンデンサ５１ａＮ，５１ｂＮがこれを１組として１組の逆変換器４２ａＮ，４２ｂＮに対応する自然数倍の組により構成される（図中は１倍の組の場合を示す）。

そして、第１ユニット７Ａ〜第Ｎユニット７Ｎの複数のユニットは、これらが加熱コイル１７に対して直列に接続されており、各ユニットの逆変換器４２ａ１，４２ｂ１〜４２ａＮ，４２ｂＮへの制御信号（ｃ１）〜（ｃＮ）が制御回路１０から出力されて、各ユニットの起動および停止が制御可能となっている。

次に、図３を参照して、本実施形態の誘導溶解炉における制御処理の内容を説明する。

まず、制御装置１００および制御回路１０を介して溶解が開始されると（ＳＴＥＰ１０）、制御装置１００は、負荷共振周波数Ｆを、整合装置５と加熱コイルの６１との間で構成される共振回路における共振周波数として算出する｛Ｆ＝１／［２π√（ＬＣ）］｝（ＳＴＥＰ１１）。

ここで、算出した負荷共振周波数Ｆが第１周波数規定値Ｆ１より大きい場合には（ＳＴＥＰ１１でＹＥＳ）、そのまま溶解を継続する。

一方、算出した負荷共振周波数Ｆが第１周波数規定値Ｆ１以下の場合には（ＳＴＥＰ１１でＮＯ）、インバータを一時停止した上で（ＳＴＥＰ１２）、複数のユニットの１ユニットを停止させる（ＳＴＥＰ１３）。

例えば、第１〜第６ユニットの６ユニット構成の場合に、共振周波数Ｆが第1周波数規定値Ｆ１より小さくなった場合に、６ユニットのうちの１ユニットを停止させる。

ここで、回路構成の一例を示す。定格3000kvar-3300V-300Hzの高周波コンデンサ５１ａ（５１ｂ）の静電容量は146uFである。またインバータ出力電流が仮にIo=8600Aであった場合,高周波コンデンサが16台実装されていたとすると高周波コンデンサ1台当りのコンデンサ電流はIc=537.5Aである。

このとき、Vc=I/（2πF×C）［V］から、同一コンデンサ電流Ic=537.5Aでも、出力周波数であるインバータ発振周波数ｆによって高周波コンデンサ両端電位は変動し、300Hz時にVc'=1953V、180Hz時にVc”=3255Vとなるので、高周波コンデンサ５１ａ（５１ｂ）の定格電圧3300VはF2≦177.5Hzで超過してしまう。（なお、補足するとかかる超過を防止するために、定格周波数の60%Fにインバータ発振周波数ｆの下限リミットを設定している。）
ここで、第１周波数規制値は、例えば、定格周波数に対して６０％Ｆ（例えば180Hz）であって、共振周波数Ｆがインバータ発振周波数ｆの下限リミットに相当する。

この場合、６ユニットのうちの１ユニットを停止させることで、共振周波数Ｆ´は、｛Ｆ´=Ｆ×√(6/5)｝の関係から、9.5%上昇して、Ｆ´=197Hzとなる。

共振周波数ＦがＦ´に上昇することで、高周波コンデンサ５１ａ（５１ｂ）電圧はVc=3255V（180Hz）からVc’=2974V（197Hz）に低下させることができ、さらにインバータ発振周波数ｆに近接することでインバータ出力電力の低下を最小限にできる。

そして、１ユニット停止した状態で溶解を行うことで（ＳＴＥＰ１４）、出力周波数に周波数下限値を設定する場合にも、出力周波数を最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる。

次に、制御装置１００は、算出した負荷共振周波数Ｆが、第２周波数規定値Ｆ２より大きくなった場合には（ＳＴＥＰ２１でＹＥＳ）、インバータを一時停止した上で（ＳＴＥＰ２２）、停止させていた１ユニットを起動させる（ＳＴＥＰ２３）。

ここで、第２周波数規定値Ｆ２は、第１周波数規定値と同じく、定格周波数に対して６０％Ｆ（例えば180Hz）であってもよいが、第１周波数規定値Ｆ１とは変えてもよい。

高周波コンデンサの両端電位Vc［=Ic/（2πf×C）］が高周波コンデンサ定格電圧Vc'よりも80%V以下であれば、第１周波数規定値Ｆ１（第２周波数規定値Ｆ２）を任意に変化させてもよい。ここで、Icは高周波コンデンサ電流、fはインバータ発振周波数、Cは高周波コンデンサ静電容量を示す。

そして、１ユニットを復帰させた上で溶解を再開することで（ＳＴＥＰ２４）、溶解の進行に伴って負荷共振周波数の上昇した場合に、出力周波数を溶解状態に応じてより最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる。 一方、算出した負荷共振周波数Ｆが、第２周波数規定値Ｆ２以下の場合には（ＳＴＥＰ２１でＮＯ）、インバータを一時停止した状態のままで溶解を継続する。

そして、溶解が完了するまで（ＳＴＥＰ３０でＮＯ）、これらＳＴＥＰ１１〜ＳＴＥＰ２４の処理が繰り返し実行され、溶解が完了すると（ＳＴＥＰ３０でＹＥＳ）、出湯が行われる（ＳＴＥＰ４０）。

以上が、本実施形態の誘導溶解炉における制御処理の詳細であり、かかる誘導溶解炉によれば、出力周波数に周波数下限値を設定する場合にも、出力周波数を最適に制御して、溶解時間の短縮を図ることができる。 より具体的には、第１の効果として、従来の回路接続方法で共振周波数Ｆを変化させる場合、切換える高周波コンデンサ５１ａ（５１ｂ）には必ず開閉機構が必要であった。しかし、周波数変換部７を、少なくとも１組の逆変換器４２ａ，４２ｂおよびこれに対応する少なくとも１組の高周波コンデンサ５１ａ，５１ｂで構成されるユニットを１ユニットとして、第１ユニット７Ａ〜第Ｎユニット７Ｎの複数のユニットにより構成し機能させることで、逆変換器４２ａ１，４２ｂ１〜４２ａＮ，４２ｂＮの停止／動作で高周波コンデンサ５１ａ１，５１ｂ１〜５１ａＮ，５１ｂＮの静電容量も可変できることになる。これにより、負荷共振周波数Ｆを可変制御できるようになる。また、これに伴ってインバータ発振周波数ｆの下限リミットを低く設定する必要が無くなる。

例えば、従来の方法での問題である冷材溶解初期時に共振周波数Ｆが低下し, インバータ発振周波数ｆの下限リミットに制限されることでインバータ出力電流Ioを制限され、インバータ出力電力Poが制約されるという事象は解決できるようになる。その結果、インバータ出力電力Poを高い設定のまま長時間印加できるので溶解能力が向上する。

また、第２の効果として、コンデンサ電流Icが大きい為、開閉機構に使用する開閉器または断路器は1台当り100万円程度と高価であり、且つ大型な外形であるため、装置価格上昇と大型化を防止できる目途が無かった。これに対し、本実施形態の誘導溶解炉では、逆変換器４２ａ１，４２ｂ１〜４２ａＮ，４２ｂＮそのものを開閉機構として使用するので、開閉器または断路器を追加する必要が無く、価格と装置外形寸法を抑えることができる。

さらに、第３の効果として、産業用誘導加熱装置では現地で共振周波数Ｆが設計値と相違する場合などは1台取外しあるいは追加することが標準的に行われる。これに対して、従来のIGBT式逆変換器と高周波コンデンサユニットは大型銅ブスバーで連結されており,高周波コンデンサの変更に大変な労力が必要であった。しかし、本実施形態の誘導溶解炉により容易に共振周波数を変化させることが可能となる。

なお、本実施形態では、算出した負荷共振周波数Ｆが、第１周波数規定値Ｆ１以下の場合には（ＳＴＥＰ１１でＮＯ）、インバータを一時停止した上で（ＳＴＥＰ１２）、複数のユニットの１ユニットを停止させているが（ＳＴＥＰ１３）、これに限定されるものではなく、第１周波数規定値Ｆ１を段階的に複数設けて、負荷共振周波数Ｆの低下に応じて、段階的に２ユニットあるいは３ユニットの停止を行ってもよい。また、負荷共振周波数Ｆの低下に応じて、一回で２ユニットあるいは３ユニットの停止を行ってもよい。

同様に、本実施形態では、算出した負荷共振周波数Ｆが、第２周波数規定値Ｆ２より大きくなった場合には（ＳＴＥＰ２１でＹＥＳ）、インバータを一時停止した上で（ＳＴＥＰ２２）、停止させていた１ユニットを起動させているが（ＳＴＥＰ２３）、これに限定されるものではなく、第２周波数規定値Ｆ２を段階的に複数設けて、負荷共振周波数Ｆの上昇に応じて、停止させていた２ユニットあるいは３ユニットを段階的に起動させてもよい。を行ってもよい。また、負荷共振周波数Ｆの上方に応じて、一回で停止させていた２ユニットあるいは３ユニットの起動を行ってもよい。

１…電源、２…高圧受電盤、３…変換装置用変圧器、４…電力変換装置、５…高周波整合装置、６…誘導加熱装置、７…周波数変換部、１０…制御回路（制御信号生成部）、１６…γ制御回路（位相差検出部）、４１ａ，４１ｂ…ダイオード式順変換器、４２ａ，４２ｂ（４２ａ１，４２ｂ１〜４２ａＮ，４２ｂＮ）…ＩＧＢＴ式逆変換器、５１ａ,５１ｂ（５１ａ１，５１ｂ１〜５１ａＮ，５１ｂＮ）高周波コンデンサ、６１…加熱コイル、１００…制御装置、Ｘ…被加熱材。

Claims (2)

1. 炉壁の外周に設けられた加熱コイルに、順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器と、第１および第２高周波コンデンサとが共振型回路を構成する電力変換部と、該第１および第２スイッチング素子に対する制御信号を生成する制御信号生成部とを備える電力供給手段を介して電力を供給することにより、炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉であって、
   前記加熱コイルへの電力の供給状態から負荷共振周波数を算出する負荷共振周波数算出部と
   を備え、
   前記逆変換器は、前記第１および第２スイッチング素子を１組として複数組の該第１および第２スイッチング素子により構成されると共に、前記第１および第２高周波コンデンサがこれを１組として前記１組の第１および第２スイッチング素子に対応する自然数倍の組により構成され、１組の該第１および第２スイッチング素子とこれに対応する自然数倍の組の該第１および第２高周波コンデンサとを１ユニットとして複数のユニットにより構成され、
   前記負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数が所定の周波数規定値以下の場合に、前記複数のユニットの一部を停止することを特徴とする誘導溶解炉。
2. 請求項１記載の誘導溶解炉において、
   前記負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数が所定の周波数規定値より大きい場合に、停止した前記複数のユニットの一部を起動させることを特徴とする誘導溶解炉。