JP7360688B2 - 複数の加熱コイルの同期運転方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 平成３１年２月８日に、株式会社ウエストヒル工場内にて、木田伸雄が大亀勝久が発明した複数の加熱コイルの同期運転方法を実施及び加熱試験を実施平成３１年３月２１日に、宇部興産株式会社発電所６号ボイラにて、荒中智晴、田中良樹、及び津留央が、大亀勝久が発明した複数の加熱コイルの同期運転方法を継続的に実施

本発明は、複数の誘導加熱ユニットにそれぞれ接続され互いに近接配置された加熱コイルに前記誘導加熱ユニットから交流電流を通流させて被加熱物を加熱する複数の加熱コイルの同期運転方法に関するものである。

長尺の被加熱物を高周波誘導加熱によって加熱する場合、複数の加熱コイルを互いに近接配置してその加熱コイルそれぞれに交流電流を通流させる。
このとき、それぞれの加熱コイルの周波数及び位相が一致しない場合、近接配置した加熱コイル同士が電磁干渉してしまうという問題がある。
このような場合には、加熱効率が低下してしまうので所望の温度まで昇温させることができない。

そこで、複数の加熱コイルの同期運転方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
この同期運転方法によると、マスター側の誘導加熱ユニットからスレーブ側の誘導加熱ユニットに同期ケーブルで変調波を送信している。

特開２０００－７７１７４号公報

しかしながら、この従来技術ではアナログ信号波形の微妙なタイミング等で構成されているので、同期運転時の周波数と位相が安定せず、運転効率の向上が難しかった。

そこで、本発明の目的とするところは、周波数及び位相を同期させることができ、加熱コイル間の電磁干渉を防止可能な複数の加熱コイルの同期運転方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の複数の加熱コイル（１，２）の同期運転方法は、
複数の誘導加熱ユニット（１０，２０）にそれぞれ接続され互いに近接配置された加熱コイル（１，２）に前記誘導加熱ユニット（１０，２０）から交流電流を通流させて被加熱物（Ｗ）を加熱する複数の加熱コイル（１，２）の同期運転方法であって、
前記複数の誘導加熱ユニット（１０，２０）は、
マスター側となる第一誘導加熱ユニット（１０）と、
前記第一誘導加熱ユニット（１０）との同期対象となるスレーブ側の第二誘導加熱ユニット（２０）と、であり、
前記第一誘導加熱ユニット（１０）からシリアル通信で周波数データを送信して前記第二誘導加熱ユニット（２０）に受信させ、前記第一誘導加熱ユニット（１０）の交流電流の周波数と前記第二誘導加熱ユニット（２０）の交流電流の周波数を同期させることを特徴とする。

また、請求項２に記載の複数の加熱コイル（１，２）の同期運転方法は、
前記シリアル通信の完了から所定時間経過後に周波数書込タイミングパルスを前記第一誘導加熱ユニット（１０）から前記第二誘導加熱ユニット（２０）に出力させ、
前記第二誘導加熱ユニット（２０）において、受信した前記周波数データを前記周波数書込タイミングパルスに同期させて前記第二誘導加熱ユニット（２０）の周波数設定を行うことを特徴とする。

また、請求項３に記載の複数の加熱コイル（１，２）の同期運転方法は、
前記第一誘導加熱ユニット（１０）から前記周波数データと一致した同期クロックを前記周波数書込タイミングパルスと同時に出力させ、
前記第二誘導加熱ユニット（２０）において、前記同期クロックの立ち上がり及び立ち下がりのタイミングに合わせて出力パルスを制御して、前記第一誘導加熱ユニット（１０）の交流電流の位相と前記第二誘導加熱ユニット（２０）の交流電流の位相を一致させることを特徴とする。

ここで、上記括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に掲載された対応要素または対応事項を示す。

本発明によれば、マスター側となる第一誘導加熱ユニットと、第一誘導加熱ユニットとの同期対象となるスレーブ側の第二誘導加熱ユニットと、を備え、第一誘導加熱ユニットからシリアル通信で周波数データを送信して第二誘導加熱ユニットに受信させるので、第一誘導加熱ユニットの交流電流の周波数と第二誘導加熱ユニットの交流電流の周波数を同期させることができる。

また、本発明によれば、シリアル通信の完了から所定時間経過後に周波数書込タイミングパルスを第一誘導加熱ユニットから第二誘導加熱ユニットに出力させ、第二誘導加熱ユニットにおいて、受信した周波数データを周波数書込タイミングパルスに同期させて第二誘導加熱ユニットの周波数設定を行うので、周波数を精度良く同期させることができる。

また、本発明によれば、第一誘導加熱ユニットから周波数データと一致した同期クロックを周波数書込タイミングパルスと同時に出力させ、第二誘導加熱ユニットにおいて、同期クロックの立ち上がり及び立ち下がりのタイミングに合わせて出力パルスを制御して、第一誘導加熱ユニットの交流電流の位相と第二誘導加熱ユニットの交流電流の位相を一致させるので、位相を精度良く同期させることができる。
このように、加熱コイル間の電磁干渉を防止可能なので、加熱コイルの運転効率の低下を抑制できる。

なお、本発明の複数の加熱コイルの同期運転方法のように、第一誘導加熱ユニットからシリアル通信で周波数データを送信して前記第二誘導加熱ユニットに受信させる点は、上述した特許文献１には全く記載されていない。

本発明の実施形態に係る複数の加熱コイルの同期運転方法を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る複数の加熱コイルの同期運転方法を示すタイミング図である。

図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る複数の加熱コイル１，２の同期運転方法を説明する。
この複数の加熱コイル１，２の同期運転方法は、複数の誘導加熱ユニット１０，２０にそれぞれ接続され互いに近接配置された加熱コイル１，２に誘導加熱ユニット１０，２０から交流電流を通流させて被加熱物Ｗ（鋼管）を加熱する方法である。

複数の誘導加熱ユニット１０，２０とは、マスター（親）側となる第一誘導加熱ユニット１０と、第一誘導加熱ユニット１０との同期対象となるスレーブ（子）側の第二誘導加熱ユニット２０と、である。
つまり、マスター側の第一誘導加熱ユニット１０に第一加熱コイル１が接続され、スレーブ側の第二誘導加熱ユニット２０に第二加熱コイル２が接続されている。
また、負荷コイルである第一加熱コイル１と第二加熱コイル２とは一つの被加熱物Ｗに対して近接配置される。

ここで、各誘導加熱ユニット１０，２０の構成は一部の例外を除いて同一であるから、ここでは一つの誘導加熱ユニット１０について説明する。

誘導加熱ユニット１０は、ＣＰＵブロック１１と、ＦＰＧＡブロック１２と、スイッチング回路１３（ＩＧＢＴ）と、出力トランス１４と、を備える。

ＣＰＵブロック１１は、設定された周波数設定を受け付ける。
ここで、第一ＣＰＵブロック１１では周波数設定ダイヤルで周波数が設定され、第二ＣＰＵブロック２１では第一ＣＰＵブロック１１からの周波数データにより周波数が設定される。
また、ＣＰＵブロック１１は周波数書込タイミングパルスを出力可能である。

ＦＰＧＡブロック１２は、ここでは１～５ｋＨｚの同期クロックを出力可能である
また、ＩＧＢＴの制御も行う。

スイッチング回路１３（ＩＧＢＴ）は、整流された直流電流を一定周期でオンオフし、高周波のパルスにして出力トランス１４へ送る。

次に、このように構成された誘導加熱ユニット１０，２０に直列共振コンデンサを介して接続された加熱コイル１，２の同期運転方法について説明する。
ここで、第一誘導加熱ユニット１０と第二誘導加熱ユニット２０との接続関係としては、第一ＣＰＵブロック１１が第二ＣＰＵブロック２１及び第二ＦＰＧＡブロック２２と接続されるとともに、第一ＦＰＧＡブロック１２が第二ＦＰＧＡブロック２２と接続されている。

まず、出力パルスの周波数の同期方式から説明する。
最初に、周波数設定ダイヤルで設定された周波数設定を第一ＣＰＵブロック１１で受け付ける。
その周波数データを第一ＣＰＵブロック１１から第一ＦＰＧＡブロック１２に出力する。

そして、第一誘導加熱ユニット１０の第一ＣＰＵブロック１１からシリアル通信（ＲＳ－２３２Ｃ）で周波数データを送信して第二誘導加熱ユニット２０の第二ＣＰＵブロック２１に受信させる。
つまり、第二誘導加熱ユニット２０の第二ＣＰＵブロック２１では周波数設定ダイヤルによって周波数の設定を行わない。

ここで、第一誘導加熱ユニット１０における第一ＣＰＵブロック１１で周波数を変更すると、リアルタイム（１秒周期）で第二誘導加熱ユニット２０のＣＰＵブロックに反映される。
この通信速度は９６００ｂｐｓ、データは８ｂｉｔ、パリティは無し、ストップは１ｂｉｔ、シリアルデータフォーマットはＳＴＸ＋周波数データ値＋ＥＴＸ＋周波数データのＳＵＭ値である。

このとき、第一ＣＰＵブロック１１から第二ＣＰＵブロック２１へシリアル通信で周波数データを伝送する際には伝達時間に遅れが発生し、それに伴い第一ＣＰＵブロック１１と第二ＣＰＵブロック２１との間で周波数誤差が生じる。

そこで、本実施形態ではこのシリアル通信による周波数データの伝達遅れを考慮して、シリアル通信の完了から所定時間（ここでは２００ｍＳ）経過後に、周波数書込タイミングパルスを第一誘導加熱ユニット１０の第一ＣＰＵブロック１１から第二誘導加熱ユニット２０の第二ＣＰＵブロック２１に出力させ、第二誘導加熱ユニット２０の第二ＦＰＧＡブロック２２において、受信した周波数データを周波数書込タイミングパルスに同期させることで第二誘導加熱ユニット２０の周波数設定を行って、シリアル通信による伝達遅延による周波数誤差を無くしている。

そして、周波数書込タイミングパルスの立ち下がりで、新たな周波数データ（１．２ｋＨｚ）が読み込まれ、旧周波数のサイクル終了後に新たな周波数のサイクルを開始する。

このようにして第一誘導加熱ユニット１０の交流電流の周波数と第二誘導加熱ユニット２０の交流電流の周波数を同期させる。

次に、出力パルスの位相同期方法を説明する。
第一誘導加熱ユニット１０の第一ＣＰＵブロック１１が周波数書込タイミングパルスを第二誘導加熱ユニット２０の第二ＦＰＧＡブロック２２に出力すると同時に、第一誘導加熱ユニット１０の第一ＦＰＧＡブロック１２は周波数データと一致した（周波数が１ｋＨｚの場合、１０００μＳ±１μＳ（デューティー比５０％）の）同期クロックを第二誘導加熱ユニット２０の第二ＦＰＧＡブロック２２に出力する。

そして、第二誘導加熱ユニット２０において、同期クロックの立ち上がり及び立ち下がりのタイミングに合わせて出力パルスを制御することで、第一誘導加熱ユニット１０の交流電流の位相と第二誘導加熱ユニット２０の交流電流の位相を一致させる。

次に、出力パルスのパルス幅の制御方法を説明する。
第一ＣＰＵブロック１１からの周波数情報と第二ＣＰＵブロック２１の出力パルス幅（０％～１００％）設定情報から出力パルス幅を算出（例えば、１ｋＨｚ、出力５０％時のパルス幅は２５０ｍＳ）し、第一ＦＰＧＡブロック１２からの同期クロックの立ち上がり、立ち下がり、の各タイミングに合わせて、第二ＦＰＧＡブロック２２で出力パルス幅を制御する事で、同期を確保しながら出力パルス幅を設定している。

簡単に言うと、マスター側もスレーブ側もそれぞれがパルスを出力し、スレーブ側においてパルスの立ち上がりをマスター側のパルスの立ち上がりに対して一致させている。

以上のように制御される複数の加熱コイル１，２の同期運転方法によれば、マスター側となる第一誘導加熱ユニット１０と、第一誘導加熱ユニット１０との同期対象となるスレーブ側の第二誘導加熱ユニット２０と、を備え、第一誘導加熱ユニット１０からシリアル通信で周波数データを送信して第二誘導加熱ユニット２０に受信させるので、第一誘導加熱ユニット１０の交流電流の周波数と第二誘導加熱ユニット２０の交流電流の周波数を同期させることができる。

また、シリアル通信の完了から所定時間経過後に周波数書込タイミングパルスを第一誘導加熱ユニット１０から第二誘導加熱ユニット２０に出力させ、第二誘導加熱ユニット２０において、受信した周波数データを周波数書込タイミングパルスに同期させて第二誘導加熱ユニット２０の周波数設定を行うので、周波数を精度良く同期させることができる。

さらに、第一誘導加熱ユニット１０から周波数データと一致した同期クロックを周波数書込タイミングパルスと同時に出力させ、第二誘導加熱ユニット２０において、同期クロックの立ち上がり及び立ち下がりのタイミングに合わせて出力パルスを制御して、第一誘導加熱ユニット１０の交流電流の位相と第二誘導加熱ユニット２０の交流電流の位相を一致させるので、位相を精度良く同期させることができる。
このように、加熱コイル１，２間の電磁干渉を防止可能なので、加熱コイル１，２の運転効率の低下を抑制できる。

なお、本実施形態において、誘導加熱ユニット１０，２０をＣＰＵブロック１１，２１と、ＦＰＧＡブロック１２，２２と、スイッチング回路１３，２３（ＩＧＢＴ）と、出力トランス１４，２４と、を備えるとしたが、これに限られるものではなく、同様の制御を行えれば他の構成であってもよい。

また、本実施形態における各種数値は例示であり、これらに限定されるものではない。

さらに、三組目の誘導加熱ユニットとそれに接続された加熱コイルを用意し、第一誘導加熱ユニット１０又は第二誘導加熱ユニット２０からその誘導加熱ユニットを制御することで三つの加熱コイルを同期運転することもできる。
これはさらに誘導加熱ユニットと加熱コイルが増えても同様に制御可能である。

１ 第一加熱コイル（加熱コイル）
２ 第二加熱コイル（加熱コイル）
１０ 第一誘導加熱ユニット（誘導加熱ユニット）
１１ 第一ＣＰＵブロック（ＣＰＵブロック）
１２ 第一ＦＰＧＡブロック（ＦＰＧＡブロック）
１３ 第一スイッチング回路（スイッチング回路）
１４ 第一出力トランス（出力トランス）
２０ 第二誘導加熱ユニット（誘導加熱ユニット）
２１ 第二ＣＰＵブロック（ＣＰＵブロック）
２２ 第二ＦＰＧＡブロック（ＦＰＧＡブロック）
２３ 第二スイッチング回路（スイッチング回路）
２４ 第二出力トランス（出力トランス）
Ｗ 被加熱物

Claims (2)

1. 複数の誘導加熱ユニットにそれぞれ接続され互いに近接配置された加熱コイルに前記誘導加熱ユニットから交流電流を通流させて被加熱物を加熱する複数の加熱コイルの同期運転方法であって、
   前記複数の誘導加熱ユニットは、
   マスター側となる第一誘導加熱ユニットと、
   前記第一誘導加熱ユニットとの同期対象となるスレーブ側の第二誘導加熱ユニットと、
   であり、
   前記第一誘導加熱ユニットからシリアル通信で周波数データを送信して前記第二誘導加熱ユニットに受信させ、前記第一誘導加熱ユニットの交流電流の周波数と前記第二誘導加熱ユニットの交流電流の周波数を同期させ、
   前記シリアル通信の完了から所定時間経過後に周波数書込タイミングパルスを前記第一誘導加熱ユニットから前記第二誘導加熱ユニットに出力させ、
   前記第二誘導加熱ユニットにおいて、受信した前記周波数データを前記周波数書込タイミングパルスに同期させて前記第二誘導加熱ユニットの周波数設定を行うことを特徴とする複数の加熱コイルの同期運転方法。
2. 前記第一誘導加熱ユニットから前記周波数データと一致した同期クロックを前記周波数書込タイミングパルスと同時に出力させ、
   前記第二誘導加熱ユニットにおいて、前記同期クロックの立ち上がり及び立ち下がりのタイミングに合わせて出力パルスを制御して、前記第一誘導加熱ユニットの交流電流の位相と前記第二誘導加熱ユニットの交流電流の位相を一致させ、
   前記出力パルスは、整流された直流電流がスイッチング回路によって一定周期でオンオフされて出力トランスに送られる高周波のパルスであることを特徴とする請求項１に記載の複数の加熱コイルの同期運転方法。