KR101655380B1 - 유도 가열방법 - Google Patents

Abstract

[과제] 전류의 공급에 따라 상호유도를 발생시키는 복수의 가열 코일을 두어 열처리를 행하는 경우에, 코일 전류 동기 제어를 용이 또한 고속으로 행하는 것이 가능하고, 전류를 변화시키는 경우에 전류 값 제어를 고속화하여도 인버터 위상각으로의 영향이 적은, 고역률의 유도 가열방법을 제공한다. [해결수단] 피가열물을 가열하고, 전류의 공급에 따라 상호유도를 발생시키는 복수의 가열 코일의 각각에, 주파수를 일치시킨 전류를 투입하는 공진형 고주파 전원을 접속한 복수의 자기 공진회로를 구비한 유도 가열장치에 따른 유도 가열방법으로, 시스템 내 임피던스의 위상을 합치시켜, 가능한 이 위상을 작게 한다. 기동 시부터 전류의 위상차를 0에 근사하도록 하는 것이 가능한 인버터 위상으로 한다. 인버터 위상을 일정 범위에 제어하기 위해서, 주파수 및 전류 값 제어를 행한다.

Description

유도 가열방법 {INDUCTION-HEATING METHOD}

본 발명은, 유도가열을 이용한 가열방법의 기술에 관하여, 특히, 가열 코일을 인접하여 복수 배치하여 피가열물의 가열을 행하는 유도가열장치에　따른 가열방법에 관한다.

종래부터, 급속 가열을 행하는 수단으로서, 유도가열이 유효하다는 것이 알려져 있다. 그러나, 유도가열에 따른 가열방법은, 전자유도를 이용하는 것으로부터, 전력제어수단(예를 들어 인버터)를 개별적으로 갖는 가열 코일을 복수 근접 배치하여 가동시킨 경우, 각 가열 코일에 상호유도가 발생한다.

상호유도의 영향을 회피하여 각 가열 코일에 전기를 공급하는 인버터를 정상으로 운전하기 위해서는, 각 인버터의 주파수를 동일하게 하고, 또한 전류를 동기 할 필요가 있다(특허문헌 1 참조).

주파수를 동일하게 하는 이유는, 다른 주파수의 상호유도가 있으면 인버터 전류, 인버터 전압이 일그러짐 파형이 되어 인버터가 정상으로 운전되지 못하게 되기 때문이다. 전류를 동기시킨 이유는, 상호유도 전압을 jωM·I2·(cosθ + jsinθ)로 나타낸 경우, 코일 전류가 동기되어진 경우에는 θ = 0 이 되어 상호유도 전압은, jωM·I2 가 되고, 상호유도　임피던스의 리액턴스 성분만이 남는 것이 된다. 한편, 코일 전류가 동기하지 않은 경우에는 θ의 위상차에 기초해 상호 유도 전압은, jωM·I2·cosθ - ωM·I2·sinθ로 표시되는 것이 되어, 상호유도 임피던스의 저항 성분이 나타나게 된다. 이렇기 때문에, 인버터간의 전력 분담이 상호유도에 따라 변화하여, 인버터의 전력 제어에 영향을 준다.(더욱이, ω는 각주파수이고, M은 인접되어진 가열 코일간에 있어서 상호유도에 기인한 상호 인덕턴스, I2는 인접 배치된 가열 코일에 공급되어지는 전류이다.).

통상의 유도가열에서는 공진 첨예도는 3~10, 코일간 결합계수 k는 0.2 정도이다. 직렬 인버터에는, 인버터 전압의 10 배의 코일 전압이 발생한다. 따라서, 코일 전압의 약 0.2 배의 전압이 상호유도 전압이 된다. θ = 30도가 되면 상호유도 전압의 유효 분, 즉 상호유도 임피던스의 저항 성분의 값이 인버터 전압과 같게 되어 인버터의 전력 제어에 큰 영향이 발생된다. 이것을 회피하기 위해서는, 전류 동기 제어가 필요하게 된다.

그러나, 전류 동기 제어를 행하고 있어도 무효 분의 상호 유도전압, 즉 상호유도 임피던스의 리액턴스 성분에 따른 전압이 남아 있다. 이 상호유도 전압은, 영향을 주는 쪽의 코일전류 변화에 따라 변동한다. 이때에 공진 회로의 공진 콘덴서와 자기 인덕턴스와 상호유도에 따른 임피던스와 위상이 변화한다. 이 때문에 인버터 출력의 전압과 전류 사이 위상이 상대의 인버터 제어에 따른 코일전류 변화 또는 자기의 출력전류 변화와 함께 대폭으로 변동한다.

종래의 전류 동기 제어는, 인버터의 게이트 펄스의 위치제어를 하여 전류 동기 제어를 하고 있으므로, 인버터 전압 위치(=펄스 위치)를 대폭으로 제어하지 않으면 전류 동기가 될 수 없다. 그리고, 전류 동기 제어를 위한 펄스 이동 범위가 크므로 전류 동기 제어는 안정적으로 고속응답 할 수 없다고 하는 문제나, 인버터제어를 안정적으로 고속화 할 수 없다고 하는 문제가 있다.

그리고, 전류 동기를 하고 있어도 무효 분의 상호유도 전압이 크고, 인버터는 이 전압에 이겨 출력 전압을 내지 않으면 안 되는, 이런 때의 출력 위상각이 크고 역률이 나쁘므로 인버터 변환기 용량을 크게 하지 않으면 안 된다고 하는 문제가 있었다. 특허문헌 2에는, 이 문제를 해결하기 위해서, 가열 코일과 인버터 간의 코일의 상호유도와 역극성의 인덕턴스를 마련해서 역률을 개선하는 것이 제안되어 있다.

그러나, 이 상태에 있어서도 자기 또는 상대 측의 전류 변화에 따라 인버터 출력위상이 변화한다. 무효 분 상호유도 전압이 강한 경우, 즉 상호유도 임피던스의 리액턴스 성분이 큰 경우에는, 인버터 출력 위상이 90도 가까이 또는 90도 이상으로도 되어, 스위칭 로스가 크게 되고, 혹은 역방향 전력이 발생하여 위험운전이 된다고 하는 문제가 있다. 또한, 유효 분 상호유도 전압이 강한 경우, 즉 상호유도 임피던스의 저항 성분이 큰 경우에는, 인버터 출력위상이 0도 가까이 또는 0도 이하로도 되어, ZVS(Zero Voltage Switching) 운전을 할 수 없게 되어 스위칭 로스가 증대하거나 위험운전 상태가 된다고 하는 문제가 있다.

상기는 전압형 인버터(직렬공진)의 예로 기술했으나 전류형 인버터(전압형 인버터)라도 같은 문제가 있다.

특허문헌 1: 특표 2005-529475호 공보 특허문헌 2: 특개 2004-259665호 공보

상기 특허문헌에 개시된 기술에 따르면, 전류 동기 제어를 행하는 것에 의해, 상호유도 환경 하에 있는 인버터를 운전하는 것이 가능하다. 그러나 위에 기술한 것처럼, 전류 값을 변화시키면서, 전류 동기를 위해서 펄스 위치를 대폭으로 제어할 필요가 있어, 안정된 고속응답제어가 어렵다고 하는 문제나, 전류 값을 변경시킬 때에, 무효 분 상호유도가 강한 경우에는 인버터 출력 위상이 90도에 가까워져, 유효 분 상호유도가 강한 경우에는 인버터 출력 위상이 0도에 가까워지는 현상이 있어, 역률이 나빠, 위험운전에 달하는 우려가 있다고 하는 문제가 있다.

따라서 본 발명에는, 인접 배치된 복수의 가열 코일을 두어 열처리를 행하는 경우에, 자기 또는 상대의 전류가 변화하여도 상대 유도 인버터 출력 위상 변화가 적어, 코일 전류의 동기 제어가 용이 또는 고속으로 행하는 것이 가능하고, 전류 변화 시키는 경우에 전류 값 제어를 고속화하여도 전류 동기 제어에 영향을 주지 않는 유도 가열 방법이며, 자기 또는 상대의 전류가 변화하여도 상호유도 인버터의 출력 위상 변화가 적어 또한 위상을 작고 일정하게 하여 ZVS(전류형으로는 ZCS: Zero Current Switching) 및 고역률화를 달성할 수 있는 방법을 제공한다.

그리고, 고효율, 고역률이며, 고속 응답성에 우수하고, 콤팩트하고 경제적인 상호유도 환경 하에 대해서도 균일 가열을 실현할 수 있는 유도 가열장치에 따른 유도가열 방법을 구축한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 관한 유도 가열방법은, 피가열물을 가열하여, 전류의 공급에 따라 상호유도를 발생시키는 복수의 가열 코일의 각각에, 주파수를 일치시킨 전류를 공급하는 공진형 고주파 전원을 접속시킨 복수의 자기 공진회로를 갖춘 유도 가열장치에 따른 유도 가열방법으로서, 상호유도 임피던스의 리액턴스 성분과 저항 성분으로 이루어진 위상각과, 자기 공진회로의 임피던스의 리액턴스 성분과 저항 성분으로 이루어진 위상각을 맞추도록 조정, 또는 제어한 후, 상기 전류의 위상차가 0이 되도록 하기 위해, 및/또는, 상기 공진형 고주파 전원의 출력전류와 출력전압과의 위상각의 변동을 억제하기 위해서, 상기 주파수 및/또는, 상기 출력전류의 값을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 유도 가열장치를 고효율 운전하기 위해서, 상기 상호유도 임피던스에 있어서 위상각 및 상기 자기 공진회로의 임피던스에 있어서 위상각을 감소시키도록 조정 또는 제어하도록 하면 좋다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 인접 배치된 상기 가열 코일로의 급전(給電)선로에 역결합 인덕턴스를 부가하는 것에 의해, 상호유도 전압과 상호유도를 발생시키게 하는 코일전류 사이의 위상인 제1의 위상각을 감소시켜, 상기 자기 공진회로의 합성전압과 상기 가열 코일에 공급되는 전류 사이의 위상인 제2의 위상각을 상기 제1의 위상각에 일치시키도록 조정 또는 제어 하는 것으로, 상기 공진형 고주파 전원의 출력전류와 출력전압과의 위상각을 감소시키면 좋다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 관한 유도 가열방법은, 피가열물을 가열하여, 전류의 공급에 따른 상호유도를 발생시키게 하는 복수의 가열 코일의 각각에, 주파수를 일치시킨 전류를 공급하는 공진형 고주파 전원을 접속한 복수의 자기 공진회로를 구비한 유도 가열장치에 따른 유도 가열방법으로서, 상호유도 전압과 상호유도를 발생시키는 코일 전류 사이의 위상인 제1의 위상각과, 자기 공진회로의 합성전압과 상기 가열 코일에 공급되는 전류 사이의 위상인 제2의 위상각을 일치시키도록 조정, 또는 제어하여 운전하는 것을 특징으로 하는 것이어도 좋다.

더욱이, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 관한 유도 가열방법은, 피가열물을 가열하고, 전류의 공급에 따라 상호유도를 발생시키게 하는 복수의 가열 코일의 각각에, 주파수를 일치시킨 전류를 공급하는 공진형 고주파 전원을 접속한 복수의 자기 공진회로를 구비한 유도 가열장치에 따른 유도 가열방법으로서, 인접하는 상기 자기 공진회로 간에 있어서 상호유도 임피던스의 저항 성분에 대한 상호유도 임피던스의 리액턴스 성분의 비인 제1의 비와, 상기 자기 공진회로에 있어서 자기 임피던스의 저항 성분에 대한 자기 임피던스의 리액턴스 성분의 비인 제2의 비를, 일치시키도록 조정, 또는 제어하여 운전하는 것을 특징으로 하는 것이어도 좋다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 제1의 위상각과 상기 제2의 위상각을 일치시키도록, 또는 상기 제1의 비와 상기 제2의 비를 일치시키도록 하는 조정, 또는 제어는, 상기 자기 공진회로의 임피던스를 조정, 또는 제어하는 것에 의해 이루어지도록 하는 것이 가능하다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 제1의 위상각과 상기 제2의 위상각을 일치시키도록, 또는 상기 제1의 비와 상기 제2의 비를 일치시키도록 하는 조정, 또는 제어는, 상기 가열 코일에 공급하는 전류의 주파수를 조정, 또는 제어하는 것에 의해 이루어지도록 하는 것도 가능하다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 각 자기 공진회로에 있어서 상기 공진형 고주파 전원에 대해 게이트 펄스를 공급하는 때에, 해당 게이트 펄스의 위상차가 0이 되도록, 또는 미리 정한 위상차에 근사하도록 출력하여, 상기 유도 가열장치를 운전하도록 하는 것이 가능하다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 각 자기 공진회로에 있어서 상기 공진형 고주파 전원을 전압형 고주파 전원으로 하고, 해당 전압형 고주파 전원의 출력전압의 위상차가 0이 되도록 하여, 상기 유도 가열장치를 운전하는 것도 가능하다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 각 자기 공진회로에 있어서 상기 공진형 고주파 전원을 전류형 고주파 전원으로 하고, 해당 전류형 고주파 전원의 출력전류의 위상차가 0이 되도록 하여, 상기 유도 가열장치를 운전하는 것도 가능하다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 공진형 고주파 전원의 기동 시에, 상기 게이트 펄스의 위상차가 0이 되도록, 또는 미리 정한 위상차가 되도록 출력한 후, 각 가열 코일에 공급되어지는 상기 전류의 위상을 기준신호의 위상에 일치시키도록, 상기 공진형 고주파 전원에 공급하는 게이트 펄스를 제어하여, 상기 유도 가열장치를 운전하는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 게이트 펄스의 위상차가 0이 되도록 하여 상기 공진형 고주파 전원을 기동시킬 때에, 상기 게이트 펄스가, 상기 기준신호에 기초해 정해진 전류 동기 기준위치에 대하여, 미리 정해진 위상, 또는 해당 위상에 대응하는 시간을 갖도록 제어하면 좋다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 공진형 고주파 전원 기동 후에, 각 가열 코일에 공급하는 전류의 제로 크로스 위치를 검출하여, 각 전류의 제로 크로스 위치가 상기 전류 동기 기준 위치로부터 어긋나 있는 경우에는, 각 전류의 제로 크로스 위치와 상기 전류 동기 기준 위치와의 위상차가 0이 되도록, 상기 게이트 펄스 위치를 제어하면 좋다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 출력전압과 상기 출력전류와의 사이의 위상각의 허용 범위인 허용 위상각 범위를 정하여, 상기 출력전압과 상기 출력전류와의 사이의 위상각이 상기 허용 위상각 범위 내에 위치하도록, 상기 주파수 및/또는 출력전류의 값을 제어하면 좋다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 주파수의 제어를 실시하면서, 상기 각 전류 사이의 위상차가 0이 되도록, 상기 게이트 펄스 위치를 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 주파수의 제어는, 상기 자기 공진회로의 공진 주파수보다도 높은 값의 범위 내에 행하도록 하는 것이 좋다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 게이트 펄스 위치와 상기 전류 동기 기준위치와의 사이의 위상차의 한계범위로서의 전류 동기 제어범위 리미터를 정해, 상기 게이트 펄스 위치가 상기 전류 동기 제어범위 리미터의 범위 내가 되도록, 상기 출력전류를 제어하면 좋다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에 있어, 전류의 공급에 따른 상호유도를 발생시키는 인접 배치된 가열 코일로의 급전로에, 각각 역결합 인턱턴스를 접속하는 것으로 상기 제1의 비 또는 상기 제1의 위상각을 감소시키도록 하면 좋다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 제1의 비와 상기 제2의 비, 또는 상기 제1의 위상각과 상기 제2의 위상각을 일치시키기 위해서, 상기 역결합 인덕턴스의 리액턴스 성분을 조정 또는 제어하는 것도 가능하다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 제1의 비 또는 상기 제1의 위상각을 미리 정한 목표 값에 맞춰지도록 조정하고, 해당 목표 값에 상기 제2의 비 또는 상기 제2의 위상각을 일치시키도록 하는 것도 가능하다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 역결합 인덕턴스에 있어서 결합계수를 변화시키는 것으로, 상호유도 임피던스의 리액턴스 성분을 변화시켜, 상기 제1의 비, 또는 상기 제1의 위상각을 조정하는 것도 가능하다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 역결합 인덕턴스를 구성하는 자기 인덕턴스를 조정하여 상기 제2의 비 또는 상기 제2의 위상각을 목표 값에 맞춰지도록 조정하고, 또는 상기 자기 인덕턴스의 결합계수를 조정하여 상기 제1의 비 또는 상기 제2의 비를 목표 값에 맞춰지도록 조정하도록 해도 좋다.

더욱이, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 자기 공진회로에 있어서 인덕턴스 또는, 캐패시턴스를 조정해, 상기 제2의 비 또는 상기 제2의 위상각을 조정하도록 해도 좋다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 위상, 상기 위상각, 및 상기 위상차를 주파수에 대응하는 시간에 환산해서 설정, 조정, 또는 제어해도 좋다.

더욱이, 상기와 같은 특징을 갖는 유도 가열방법에는, 상기 검출, 상기 설정, 및 상기 제어는, 컴퓨터 프로그램, 또는 프로그램 가능 장치를 두어 행하도록 하여도 좋다.

도 1은 전압형 인버터를 채용해서 직렬 공진회로를 구성하는 자기 공진회로의 등가 회로도이다.
도 2는 전압형 인버터를 채용해서 직렬 공진회로를 구성하는 자기 공진회로를 구비한 유도 가열장치의 구성을 나타내는 그림이다.
도 3은 전압형 인버터를 채용해서, 직렬 공진회로를 구성하는 것과 함께, 역결합 인덕턴스를 갖는 자기 공진회로의 등가 회로도이다.
도 4는 전압형 인버터를 채용해서, 직렬 공진회로를 구성하는 것과 함께, 역결합 인덕턴스를 갖는 자기 공진회로를 구비한 유도 가열장치의 구성을 나타내는 그림이다.
도 5 (A)는 인버터 출력전압의 게이트 펄스 발생 위치를 일치시킨 경우에 있어서도, 출력전류의 제로 크로스 위치가 전류 동기 기준위치로부터 어긋난 경우의 일례를 나타내는 파형도이고, (B)는 게이트 펄스 발생장치를 약간 비켜 놓은 것으로, 전류 동기가 완료하는 모양의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 6은 인버터의 출력전압 Viv1과 출력전류 Iiv1과의 위상각 θiv1의 조정이 필요한 경우의 예를 나타내는 그림이다.
도 7은 인버터의 출력전압 Viv1과 출력전류 Iiv1과의 위상각 θiv1의 조정에 따른, 위상각 θiv1이 개선되어진 예를 나타내는 그림이다.
도 8은 인버터의 출력전압 Viv1과 출력전류 Iiv1과의 위상각 θiv1의 조정이 필요한 경우의 예를 나타내는 그림이다.
도 9는 인버터의 출력전압 Viv1과 출력전류 Iiv1과의 위상각 θiv1의 조정이 필요한 경우의 예를 나타내는 그림이다.
도 10은 전류형 인버터를 채용하고 병렬 공진회로를 구성하는 자기 공진회로의 등가 회로도이다.
도 11은 전류형 인버터를 채용하고 병렬 공진회로를 구성하는 자기 공진회로를 구비한 유도 가열장치의 구성을 나타내는 그림이다.
도 12는 전류형 인버터를 채용하고, 병렬 공진회로를 구성하는 것과 함께, 역결합인덕턴스를 갖는 자기공진회로의 등가 회로도이다.
도 13은 전류형 인버터를 채용하고, 병렬 공진회로를 구성하는 것과 함께, 역결합 인덕턴스를 갖는 자기 공진회로를 구비한 유도 가열장치의 구성을 나타내는 그림이다.

이하, 본 발명의 유도 가열방법에 관한 실시의 형태에 관해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

적어도 2개의 가열 코일에 각각 접속되어, 각 가열 코일에 전류를 공급하는 것에 의해 상호유도를 발생시키는 자기 공진회로에서는, 상호유도 전압의 영향에 의해 각 자기공진회로에는, 공진형 고주파 전원으로서의 인버터의 출력과 역방향이 되는 전력이 투입된다. 이로 인해, 출력전압과 출력전류의 위상이 크게 변화한다. 그리고, 위상각이 너무 작게 된 경우에는, ZVS(Zero Voltage Switching: 전압형 인버터 사용시)나, ZCS(Zero Current Switching: 전류형 인버터 사용시)라고 하는 전압제어, 전류제어가 할 수 없게 되어버려, 출력전력의 제어가 곤란하게 된다. 한편, 위상각이 너무 커지게 된 경우에는, 각 인버터에 있어서 스위칭 로스가 크게 되어, 극단적으로 에너지 효율이 나쁘게 되어 버린다. 또한, 때로는 양자의 위상차가 90도를 넘어, 제어불능이 되는 것도 있다. 이렇기 때문에, 전류와 전압의 위상각은, ZVS 제어나 ZCS 제어가 가능하고, 또한 되도록 변동이 작도록, 작은 값으로 하는 것이, 안정된 고효율 운전에 연결되는 것이 된다.

여기서, 도 1에 나타내듯이, 상호유도 상태에 있는 2개의 자기 공진회로에 있어, 피가열물을 가열시키기 위한 전력을 얻는 것에 필요한 각 인버터로부터의 출력전압 Viv1, Viv2는, 각각, 자기 공진회로의 전압(Vs1, Vs2)과 상호유도 전압(Vm21, Vm12)를 합성한 것이다. 여기서, 자기 공진회로라는 것은, 가열 코일, 공진 콘덴서, 및 배선경로 등으로부터 이뤄지는 회로를 말한다. 그리고, 이런 회로계에 있어 상호유도의 영향을 고려한 경우에는, 각 인버터로부터의 출력전압 Viv1, Viv2는, 수식 1, 2와 같이 나타내는 것이 가능하다.

… (수식 1)

… (수식 2)

수식 1, 2에 있어, 위상각 θ에 관해, θs1=θs2=θm=θ로 한 경우, 수식 3, 4를 얻는 것이 가능하다.

…(수식 3)

…(수식 4)

수식 3과 수식 4는, 위상각 θ가 일치하는 것에 의해, Viv1과 Viv2의 벡터 방향이 일치하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 제어환경 하(θm과 θs1, 및 θs2가 일치하는 제어환경)에는, 상호유도가 생긴 경우에 있어서도, 그 영향은 임피던스 Zm의 변화에 머물러, 상호유도 전압 Vm에 증감이 생긴 경우에 있어서도, 인버터의 출력전압과 출력전류의 위상각에 변동을 발생시키지 않게 된다.

따라서, 한 쪽의 자기 공진회로에 대한 상호유도 전압 Vm21이 다른 쪽의 인버터 Inv2부터의 출력전류 Iiv2에 대해 갖는 위상각(제1의 위상각 θm)과, 한 쪽의 자기 공진회로의 합성전압 Vs1이 한 쪽의 인버터 Inv1으로부터의 출력전류 Iiv1에 대해 갖는 위상각(제2의 위상각 θs1(다른 쪽의 자기 공진회로의 합성전압 Vs2가 다른 쪽의 인버터 Inv2로부터의 출력전류 Iiv2에 대해서 갖는 위상각은 θs2))를 일치시키는 것에 의하면, 상호유도 관계에 있는 모든 자기 공진회로에 있어서 인버터의 출력전압 Viv와 출력전류 Iiv의 위상을 일치시키는 것이 가능하다.

위상각 θs1, θs2, 및 θm을 일치시키기 위해서는, 각 인버터로부터의 출력전류의 주파수를 일치시켜, 각 인버터의 출력전압의 게이트 펄스를 동기시키면 좋다. 출력전류의 주파수를 일치시킨 회로에 있어 출력전압을 동기시키는 것에 의해, 필연적으로 출력전류 Iiv1과 Iiv2를 동기시키는 것이 가능하기 때문이다.

이하, 구체적인 회로구성의 일례를 도 2에 나타내고, 이것을 참조하여, 상기 방법의 실현에 대해 설명 한다.

도 2에 나타낸 유도 가열장치(10)는, 가열 코일(12a, 12b)과, 인버터(역변환 회로)(14a, 14b), 초퍼 회로(22a, 22b), 컨버터(순변환 회로)(26), 전원부(30), 및 제어 회로(42a, 42b)를 기본으로 구성되어 있다.

도 2에 나타낸 유도 가열장치(10)는, 자세한 내용을 나중에 설명하는 컨버터(26)에 대해, 초퍼 회로(22a, 22b), 인버터(14a, 14b), 및 가열 코일(12a, 12b)로 된 회로가, 병렬로 접속되어진 것으로 구성되어 있다. 따라서 본 실시 형태에 관한 유도 가열장치(10)는, 개별로 전력 제어 가능한 복수의 자기 공진회로를 구비하고 있는 것이 된다.

가열 코일(12a, 12b)은, 고주파 전류를 공급 가능한 인버터(14a, 14b)가 접속된 코일이다. 본 실시 형태의 경우, 단일의 피유도 가열부재(50)에 대해, 복수(도 2에 나타난 예에서는 2개)의 가열 코일(12a, 12b)를 근접 배치하는 구성으로 되어 있다. 이와 같은 배치 구성으로 한 경우, 코일에 전력을 투입했을 때, 인접해서 배치된 가열 코일(12a, 12b) 사이에는, 상호유도가 발생하게 된다.

도 2에 나타낸 유도가열장치(10)에서 채용하고 있는 인버터(14a, 14b)는, 전압형 인버터이다. 각 가열 코일(12a, 12b)와 인버터(14a, 14b)와의 사이에는, 공진 콘덴서(32a, 32b)가 직렬로 접속되어 있어, 양자의 사이에는, 직렬 공진회로가 구성되어 있다. 그러므로, 도 2에 나타난 유도 가열장치(10)는, 복수(2개)의 자기 공진회로를 구성하고 있는 것이 가능하다.

인버터(14a, 14b)는, 단상의 풀 브리지 인버터를 구성하고 있다. 스위칭 소자로서는, IGBT16을 채용하고, 부하전류를 전류(轉流)시키기 위해서 다이오드(18)를 역병렬에 접속하는 구성을 하고 있다. 브리지 회로의 앞 단에는, 직류전압을 평활화 하기 위한 평활 콘덴서(20)와 평활 코일(21)이 설치되어 있다.

초퍼 회로(22a, 22b)는, 컨버터(26)으로부터 출력된 정전압의 직류전압을 스위칭 소자인 IGBT24로 초핑하는 것으로, 인버터(14a, 14b)에 입력하는 평균전압을 변화시키는 역할을 담당한다. 초퍼 회로(22a, 22b)와 컨버터(26)와의 사이에는, 평활 콘덴서(25)가 설치되어 있다.

컨버터(26)는, 다이오드(28)를 사용해 구성된 삼상 다이오드 브리지에 의해 이뤄진다.　전원부(30)로부터 공급된 삼상 교류전류를 직류전류로 변환해, 초퍼 회로(22a, 22b)에 공급하는 역할을 담당한다.

제어회로(42a, 42b)는, 검출된 인버터(14a, 14b)로부터의 출력전압, 및, 출력전류에 기초해서 각 자기 공진회로에 있어서 임피던스의 조절이나, 각 인버터(14a, 14b), 및 초퍼 회로(22a, 22b)에 대해, 제어를 위한 게이트 펄스를 주는 역할을 담당한다. 더욱이, 인버터(14a, 14b)에 주는 게이트 펄스는, 스위칭 소자인 IGBT16의 전환 타이밍을 제어하는 신호이며, 출력전압 Viv의 위상이 제어된다.

각 제어회로(42a, 42b)에는, 기준 신호 생성부(44)가 접속되어 있다. 기준 신호 생성부(44)는, 가열 코일(12a, 12b)에 공급하는 출력전류의 기준파형을 생성한다. 따라서, 기준 신호 생성부(44)는, 생성한 기준 파형을 기준 신호로 하여, 각 제어회로(42a, 42b)에 준다. 각 제어회로(42a, 42b)는, 기준 파형의 위상을 비교하여(예를 들어 기준 파형의 제로 크로스 위치를 전류 동기 기준 위치로 하여 위상을 비교한다), 양자의 위상차를 구하여, 인버터(14a, 14b) 등에 주는 게이트 펄스를 생성한다.

인버터(14a, 14b)의 출력 측에는 각각, 출력 전류를 검출하는 전류 검출수단(38a, 38b)과, 출력 전압을 검출하는 전압 검출수단(40a, 40b)이 설치되어 있어, 검출치가 제어회로(42a, 42b)에 입력되도록 구성되어 있다.

또한, 본 실시 형태에는, 가열 코일(12a, 12b)과 직렬로, 임피던스 조절 수단(34a, 34b)가 설치되어 있다. 임피던스 조절 수단(34a, 34b)은, 가변 인덕턴스나 가변 캐패시턴스 등의 인덕턴스나 캐패시턴스를 변화시키기 위한 수단을 구비한 회로이고, 제어회로(42a, 42b)로부터의 조정 신호에 기초하여, 자기 공진회로의 자기 인덕턴스 L1, L2나 캐패시턴스 C1, C2를 변화시키는 역할을 담당한다.

상기와 같은 구성의 유도 가열장치(10)에는, 각 인버터(14a, 14b)에 주는 게이트 펄스를 동기(바람직하게는, 게이트 펄스의 위상이 서로 일치하는 것이지만, 본 실시 형태에서는, 게이트 펄스의 위상차를 0에 근사하게 하는 것도 포함)시켜, 각 자기 공진회로 간에 있어서 출력 전압 Viv1, Viv2를 동기(바람직하게는, 출력 전압의 위상이 서로 일치하는 것이지만, 본 실시 형태에 있어서는, 출력 전압의 위상차를 0에 근사하게 하는 것도 포함)시키는 경우에는, 출력전류 Iiv1, Iiv2도 동기(바람직하게는, 출력 전류의 위상이 서로 일치하는 것이지만, 본 실시 형태에 있어서는, 출력 전류의 위상차를 0에 근사하게 하는 것을 포함)하고 있는 것에 동등하게 운전하는 것이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 효과 중에 적어도 일부를 발휘하는 것이 가능하다고 할 수 있다. 이와 같은 제어 상태에 의하면, 고속으로 초퍼 제어해서 전류 값을 가변하여도, 전류 동기의 상태를 안정해서 유지하는 것이 가능하다. 그러므로, 응답성이 빠르고, 안전 또한 간단한 제어를 행하는 것이 가능하게 된다.

더욱이, 도 2에 나타난 예에서는, 1개의 컨버터(26)에 대해, 복수의 인버터(14a, 14b)를 병렬 접속시켜 놓도록 설명했다. 이와 같은 구성에 따르면, 전원회로의 소형화, 저비용화를 도모하면서, 개별 전력제어가 가능하게 되기 때문이다. 그렇지만, 컨버터(26), 및 전원부(30)에 대해서도, 각 인버터(14a, 14b)에 대해 개별로 접속하는 형태로 해도 좋다는 것은, 말할 필요도 없다.

또한, 본 실시 형태에 관해 유도 가열장치(10)에는, 도 4에 나타난 것처럼, 각 가열 코일(12a, 12b)과 직렬로, 역결합 인덕턴스(36a, 36b)를 설치하도록 하면 좋다. 역결합 인덕턴스(36a, 36b)라는 것은, 가열 코일(12a, 12b) 사이에 있어서 상호유도에 기인한 상호 인덕턴스(M)과 역극성의 상호 인덕턴스(-m)를 발생하도록 구성된 코일로, m = k2 x √(Ls1 x Ls2)로 나타내는 것이 가능하다(k2는 결합계수). 더욱이, Ls1, Ls2는, 역결합 인덕턴스(36a, 36b)의 자기 인덕턴스이다(도 3에, 도 4에 나타난 유도 가열장치의 등가 회로도를 나타낸다). 따라서, 역결합 인덕턴스(36a, 36b)는, 인접하는 회로간에 있어 근접 배치되는 것이 된다. 역결합 인덕턴스(36a, 36b)를 구비한 경우의 상호유도 임피던스 Zm의 리액턴스 성분 XLm은, ωM-ωm으로 나타내므로, -m이 변화하는 것에 따라 상호유도 임피던스 Zm에 있어서 저항 성분 Rm과 리액턴스 성분 XLm의 비를 변화시키는 것이 가능하다. 또한, 상호유도 임피던스를 |Zm| = √(Rm² + XLm²)으로 나타낸 경우, XLm/Rm으로 나타낸 비(제1의 비)를, 역결합 인덕턴스(36a, 36b)를 구비하지 않은 경우에 비교하여 작게 하는 것이 가능하다. 여기서, 제1의 위상각 θm은, atanωM/Rm으로 나타내는 것이 가능하므로, -m의 부가에 의해 ωM의 값이 작아지면, θm도 작아진다. 그러므로, θm=θs1=θs2로 한 경우에는, 역률의 상향을 도모하는 것이 가능하다.

따라서, 상기와 같은 구성을 하는 것에 따르면, ZVS가 가능한 최소 위상각으로 운전하는 것이 가능하게 된다. 이를 위해, 해당 구성의 유도 가열장치에 대해서 상기 제어를 적용하는 것에 의해, 고효율에 응답성이 빠르고, 안전 또한 간단한 제어를 행하는 것이 가능하게 된다.

상기 실시 형태에서는 모두, θm(제1의 위상각)과 θs1, θs2(제2의 위상각)을 일치시키는 것에 의해, 각 인버터로부터의 출력 전압의 위상이 동기하고, 출력 전류의 위상도 동기하는 것을 전제로 하고 있다. 그렇지만 실제에서는, 각 출력전류의 위상에는, 미소 변동이 생기기 때문에, 게이트 펄스 위치의 조정에 따른 위상각 제어만으로는, 출력 전류의 위상을 일치(동기)시키는 것이 불가능한 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 주파수 조정, 및 전류값 조정을 조합하는 것에 의해, 출력 전류의 위상 동기를 도모하는 것으로, 전류 값의 고정도(高精度) 제어를 고속에 안정적으로 행하는 것이 가능하게 된다.

이와 같은 제어를 행할 경우, 출력 전류, 출력 전압의 위상에 관하여, 기준 파형의 제로 크로스 위치를 전류 동기 기준 위치로 하여, 이 전류 동기 기준 위치를 기점으로서 위상각을 정하도록 하는 것이 좋다. 예를 들어, 상호유도 전압 Vm이 전류 동기 기준위치에 동기한 상호유도 전류(예를 들어 Iiv2)에 대해 갖는 위상각을 θm로 한 경우, 인버터로부터의 출력 전압 Viv가 전류 동기 기준위치에 대해 갖는 위상각 θg로 정한다. 그리고, 본 형태에는, 상기 θm과 θg가 일치하도록, 인버터 기동 시에 주는 게이트 펄스의 출력 위치를 정한다.

이와 같은 운전을 실시하는 것으로, 각 자기 공진회로에 있어서 기동 시의 전류위상각의 위상차를 제로, 혹은 위상차가 생기고 있는 경우에 있어도, 그것을 작게 하는 것이 가능하다. 예를 들어, 도 5 (A)에 나타나는 예에는, θm과 θg1을 일치시킨 경우가 있어도, 인버터(14a)의 출력 전류 Iiv1의 제로 크로스 위치와 전류 동기 기준위치와의 사이에는, 위상각으로서, △θiv1이 생기는 것이 된다.

그러나, 상기와 같은 제어에는, 인버터 기동 시에 미리 위상 제어가 행하여지는 것이 되기 때문에, 전류 동기 기준위치로부터의 편차량(위상각 △θiv1)은 작은 것으로 된다. 이 때문에, 전류 동기 제어를 행하는 경우에 있어도, 도 5 (B)에 나타난 바와 같이, 작은 펄스 이동범위(△θg1)로 전류 위상을 동기시키는 것이 가능한 것에 의해, 전류 동기 제어 시의 응답 속도를 빠르게 하는 것이 가능하다. 여기서, 상기 게이트 펄스 위치와 전류 동기 기준 위치와의 사이의 위상차 θg1의 한계 범위로서의 전류 동기 제어 범위 리미터를 정하도록 하면 좋다. 전류 동기 제어범위 리미터는, 게이트 펄스 위치가, 전류 동기 기준 위치로부터 너무 멀어지거나, 너무 가까워지거나 하는 것에 따른 제어불량을 억제하기 위한 리미터로서, 양호한 제어성을 확보 가능한 범위로, 하한 값과 상한 값을 정한다. 그리고, 게이트 펄스위치가 전류 동기 제어 범위 리미터를 넘어 변화한 경우에는, 해당하는 인버터의 출력 전류를 상승시켜, 상호유도 전류에 기초한 변동을 억제한다.

또한, 상기와 같은 제어를 행하는 것에 의해, 각 인버터로부터의 출력 전력의 제어에 관해, 상호유도의 영향의 회피, 고속화, 고정도화를 실시한 경우에 있어서도, 인버터의 출력 위상각 θiv(전압 Viv와 전류 Iiv간의 위상각)이 적정한 범위에 없는 경우에는, 역률의 악화나 제어 곤란이라는 사태에 빠질 가능성이 있다. 즉, 출력 위상각 θiv가 너무 큰 경우에는, 스위칭 로스가 커져서 역률이 악화하고, 출력위상각 θiv가 너무 작은 경우에는, ZVS 제어가 곤란하게 된다는 점이 있다. 이 때문에, 출력 위상각 θiv에는, ZVS 제어를 확보하는 것이 가능, 또한 고역률을 확보하는 것이 가능한 범위로, 그 위상각의 허용치(허용 위상각 범위)를 정해 놓도록 하는 것이 좋다. 출력 위상각 θiv가 허용 위상각 범위 내에 위치하도록 제어하는 것으로, ZVS 제어, 및 고역률 운전을 확보하는 것이 가능하다.

각 인버터에 있어서 위상각 θiv의 제어는, 고주파 조정, 및/또는 출력 전류의 조정에 따라 행한다. 구체적으로는, 다음과 같은 방법으로 행하면 좋다.

예를 들어, 도 6에 나타난 바와 같이, 제어 대상으로 하는 인버터(14a) 출력의 위상각 θiv가 작아(예를 들어 20° 이하: 도 6에서는 마이너스), 출력 전류 Iiv1의 값이 규정의 전류 값(예를 들어, 복수의 인버터로부터의 출력 전류의 평균 값)에 대해 작은 경우(예를 들어, 15% 이하)에는, 출력 전류 Iiv1을 증분시킨다. 제어 대상으로 하는 인버터(14a)의 출력 전류가 규정의 전류 값보다도 낮은 경우에는, 상호유도 전압의 영향이 커져서, 인버터 출력 전압과 출력 전류의 위상각 θiv가 작아진다. 이 때문에, 출력전류의 증분을 도모하는 것에 의해, 상호유도 전압의 영향을 작게 하는 것으로, 도 7에 나타내듯이, 위상각 θiv를 크게 하는 것이 가능하다.

이것에 대해, 위상각이 작은 경우에 있어서도, 도 8에 나타내듯이, 출력전류 Iiv1의 값이 규정 값의 전류에 대해 소정의 비율보다도 높은 경우(예를 들어 15% 보다 높은 경우)에는, 출력 전류의 주파수를 상승시킨다. 이것에 의해, 위상각 θiv를 크게 하는 것이 가능하다. 이러한 제어를 행하는 것에 의해 ZVS 제어를 확실히 실행하는 것이 가능하게 된다.

한편, 도 9에 나타난 바와 같이, 위상각 θiv가 커서(예를 들어, 45° 이상), 출력 전류 Iiv1의 값이 규정 값의 50% 이상 되는 경우에는, 주파수를 저하시켜, 위상각 θiv를 작게 한다. 이와 같은 제어에 의해, 인버터(14a)에 있어서 스위칭 로스가 저감되어, 역률이 향상한다. 더욱이, 주파수 조정은, 모든 인버터에 대해 같이 실행되어 진다. 이 때문에, 위상각 θiv가 큰 인버터가 존재하고, 주파수를 저하시킬 필요가 생긴 경우에 있어서도, 다른 인버터에 있어 주파수를 증대시키는 제어를 행하는 취지의 제어신호가 출력되어지는 경우에는, 주파수의 증대를 우선해서 실행한다. 인버터의 출력 전력을 높은 정도로 제어하는데 있어서는 ZVS 제어를 확보하는 것이, 우선되기 때문이다.

또한, 상기 제어에 있어서 주파수의 제어는, 각 자기 공진회로에 있어서 공진 주파수보다도 높은 값의 범위 내에 실행하도록 한다. 수식 1, 2에 있어, 출력전류의 주파수가 자기 공진점보다도 낮은 경우, θs1, θs2가 마이너스가 된다. 이 때문에, 출력 전압/출력 전류가 부성(負性)이 되어, 제어할 수 없게 되어버리기 때문이다.

상기 제어를 행하는 경우, 위상각 θs의 하한 값이나 상한 값을 정하기 위한 위상각 리미터나, 출력전류 Iiv의 하한 값이나 상한 값을 정하기 위한 전류 값 리미터를 정하도록 하면 좋다. 각 리미터 값과 검출 값을 비교하는 것으로, 제어 패턴을 정하는 것이 가능하게 되기 때문이다.

즉, 제어 대상으로 하는 인버터(14a)의 θs1이 위상각 리미터의 하한 값(예를 들어 18°) 이하이고, 또한 출력 전류 Iiv1의 값이 전류 값 리미터의 하한 값(예를 들어 15%) 이하인 경우에는, 인버터(14a)의 출력 전류 Iiv1을 증대시키도록 제어를 행한다는 것이다. 또한, θs1이 위상각 리미터의 하한값 이하이고, 출력 전류 Iiv1의 값이 전류값 리미터의 하한값보다도 높은 경우에는, 출력 전류 Iiv1의 주파수를 상승시키도록 제어를 행한다. 더욱이, θs1이 위상각 리미터의 상한값(예를 들어 45°) 이상으로 출력 전류 Iiv1의 값이 50% 이상으로 간 경우에는, 출력전류 Iiv1의 주파수를 낮추도록 제어를 행한다.

또한, 전류 동기 제어를 게이트 펄스 위치를 바꿔서 행하는 경우에, 게이트 펄스 가변 범위를 정해, 이 범위에 해당하면 전류를 증분한다. 예를 들어, 수식 1에 있어, Iiv1 << Iiv2인 경우, 인버터의 출력 전압과 출력 전류 사이의 위상각 θiv1은, θm에 가까워 진다. 이러한 경우, 출력 전류의 주파수를 올려도, θiv1은 증분하지 않는다. 또한, 게이트 펄스 위치를 바꿔서 전류 제로 크로스 위치를 변경하는 것으로 전류 동기를 도모하려 해도 불가능하다. 이 때문에, 이러한 경우에는, 전류를 증분 할 필요가 있다.

다음으로, 상기 실시 형태에 관한 유도 가열장치(10)을 사용한 유도 가열방법에 관한 제2의 실시형태에 대해 설명한다. 본 실시 형태에는, 제어회로(42a, 42b)를 두어 제어를 행하는 대상이 다르다.

구체적으로는, 회로 내의 임피던스의 저항 성분과 리액턴스 성분의 비를 일치시키기 위한 제어를 행한다. 각각의 비가 일치하고 있다면, 임피던스 |Z|의 크기가 다르다고 해도, θ에 변화는 없기 때문이다.

따라서, θs1, θs2, θm을 일치시키기 위해서는, 자기 공진회로에 있어서 임피던스(Z1, Z2)의 저항 성분(예를 들어, 일측의 자기 공진회로에는 R1, 타측의 자기공진회로에는 R2)과 리액턴스 성분(예를 들어, 일측의 자기 공진회로에는 |XL1 - XC1|, 타측의 자기 공진회로에는 |XL2 - XC2|)의 비와, 상호유도 임피던스(Zm)에 있어서 저항 성분(예를 들어 Rm)과 리액턴스 성분(예를 들어 XLm)의 비를, 조정, 또는 제어하면 좋다.

예를 들어 도 4에 나타난 바와 같은 구성의 유도 가열장치(10)에는, 자기 공진회로의 임피던스 Z1과 상호유도 임피던스 Zm은,

…수식 5

…수식 6

라고 나타내는 것이 가능하다.

따라서, 상호유도 임피던스 Zm(=ZLm)의 저항 성분에 대한 리액턴스 성분의 비(제1의 비)와, 자기 공진회로에 있어서 자기 임피던스 Z1(Z2)의 저항 성분에 대하는 리액턴스 성분의 비(제2의 비)를 일치시키려면, 수식 7을 성립시키면 좋다.

… 수식 7

수식 7로부터는, Ls1이나 Ls2를 변화시키거나, 혹은 주파수를 변화시킴으로써 ω를 변화시키는 것에 의해, 수식 7이 성립되는 것을 읽어내는 것이 가능하다.

수식 7을 성립시키도록 하여, 출력 전압 Viv와 출력 전류 Iiv의 위상각을 일치시킨 각 자기 공진회로의 인버터에 대해 제어회로로부터 줄 수 있는 게이트 펄스를 동기시키는(게이트 펄스가 동일의 타이밍에 나온다) 것으로, 인버터(14a)로부터의 출력 전압 Viv1과 인버터(14b)로부터의 출력 전압 Viv2의 위상이 동기한다. 더욱이, 앞에서 설명한 바와 같이, 각각의 출력 전압의 위상이 동기한 경우에는, 필연적으로 출력 전류의 위상도 동기 한다.

또한, 상기 실시 형태에는, 임피던스 조정수단(34a, 34b)를 설치하는 것으로 임피던스 비를 실시간으로 제어하도록 기재했다. 그렇지만 임피던스 비는, 설정 값으로서 미리 조정해서 놓도록 하는 것도 가능하다. 이러한 구성을 한 경우라도, 상호유도의 영향에 따른 출력 전압 Viv와 출력 전류 Iiv의 위상각의 변동을 억제하는 것이 가능하다.

이 때문에, 각 인버터(14a, 14b)에 주는 게이트 펄스를 동기시킨 경우에는, 각 자기 공진회로 간에 있어서 출력 전압 Viv1, Viv2가 동기하고, 출력 전류 Iiv1, Iiv2도 동기하고 있는 것에 동등하게 운전하는 것이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 효과 중에 적어도 일부를 발휘하는 것이 가능하다고 할 수 있다.

상기 실시 형태에는, 자기 공진회로의 설명으로서, 전압형 인버터를 사용한 직렬공진회로를 들어 설명했다. 그렇지만, 본 발명에 관한 유도 가열방법을 적용 가능한 자기 공진회로는, 도 11에 나타난 바와 같은 것이라도 좋다.

도 11에 나타내는 유도가열장치(10a)는, 그 대부분을 도 2에 나타내는 유도 가열장치(10)과 공통되어 있으나, 전류형의 인버터(14a1, 14b1)을 채용하고 있는 점, 및 공진회로로서 병렬 공진회로를 구성하는 점이 다르다. 그러므로, 그 구성을 동일로 하는 곳에는 도면에 동일 부호를 붙여서, 상세한 설명은 생략한다.

도 11에 나타낸 유도 가열장치(10a)에는, 유도 가열장치(10)에 있어 인버터(14a, 14b)와 초퍼 회로(22a, 22b)와의 사이에 배치되어 설치된 평활 콘덴서(20)을 배제하고 DCL(20a)를 배치하고 있다. 또한, 인버터(14a1, 14b1)과 가열 코일(12a, 12b)와의 사이에 배설하는 공진콘덴서(40a, 40b)는, 가열 코일(12a, 12b)에 대해 병렬로 배치하여, 병렬 공진회로가 구성되어 있다. 더욱이, 도 11에는, 제어회로, 임피던스 조정수단, 전류 검출수단, 및 전압 검출수단을 명시하지 않으나, 그 구성에 대해서는, 도 2에 나타내는 실시형태와 같으면 좋다. 도 11에 나타내는 자기공진회로의 등가 회로도에 대해서는, 도 10에 나타낸다.

… 수식 8

여기서, θs1, θs2, θm을 일치시켜, θs1=θs2=θm=θ로 했을 경우, Iiv1, Iiv2는 각각 수식 9처럼 나타내는 것이 가능하다.

… 수식 9

그러므로, 인버터에 주는 게이트 펄스를 동기시키면, 인버터 전류 Iiv1과 Iiv2의 위상이 동기하여, 코일전류 Il1과 Il2의 위상을 동기 시키는 것이 가능하다.

따라서, 이러한 자기 공진회로에 있어서도, 상호유도 임피던스에 있어서 저항성분 Rm에 대한 리액턴스 성분 Zm(=jωM)의 비(제1의 비)와, 자기 공진회로에 있어서 자기 임피던스의 저항성분 R1에 대하는 리액턴스 성분 Z1(=jω(L1+Ls1))의 비(제2의 비)를 일치시키도록, 제어, 혹은 조정하는 것에 의해, 코일 전류와 인버터 전류 사이의 위상각을 일치시키는 것이 가능해, 코일 전류의 동기를 도모하는 것이 가능하다.

그리고, 당연히, 상호유도 전압 Vm21(Vm12)이, 가열 코일에 공급되는 전류 Il2(Il1)에 대해 갖는 위상각(제1의 위상각 θm)과, 자기 공진회로의 합성 전압Vs1(Vs2)이, 가열 코일에 공급되는 전류 Il1(Il2)에 대해 갖는 위상각(제2의 위상각 θ1(θ2))을 일치시키는 것에 의해서도, 코일 전류와 인버터 전류 사이의 위상각을 일치시키는 것이 가능해, 코일 전류의 동기를 도모하는 것이 가능하다.

더욱이, 도 11에 나타내는 자기 공진회로는 전류형 인버터를 이용한 병렬 공진회로이므로, 위상각 제어에 관해서는, 전압파형에 대해 전류파형이 앞선 위상이 되도록 제어한다. 이것에 의해, ZCS 제어를 행하는 것이 가능해지기 때문이다.

또한, 도 11에 나타낸 자기 공진회로에는, 역결합 인덕턴스가 설치되어 있지 않지만, 전압형 인버터를 채용하는 경우와 같이, 역결합 인덕턴스를 설치해 놓은 회로라고 해도, 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.(도 12 : 등가회로, 도 13 : 일례를 나타내는 회로도).

상기 실시형태에는, 조정, 제어, 및 설정요소의 1개로서, 위상, 위상각, 및 위상차라는 구성을 들어, 주로, 각도의 조정, 제어, 및 설정으로 설명하고 있다. 그렇지만, 상기 위상, 위상각, 및 위상차는, 대응하는 시간으로 나타내는 것이 가능해, 이런 상당 시간에 기초한 각종의 조정, 제어, 및 설정을 행하도록 하여도 좋다.

즉, 1/주파수로부터, 1주기당의 시간을 구하는 것이 가능하다. 그리고, 360°는, 2π이므로, 조정, 제어, 및 설정요소로서의 각도 θ에 대해서, 1주기당의 시간을 해당 각도 θ로 나눗셈하는 것으로, 위상, 위상각, 및 위상차를 대응하는 시간으로서 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 조정, 제어, 및 설정은, 위상, 위상각, 및 위상차에 바꾸어, 각각 대응하는 시간에 기초하여 행하는 것이 가능하기 때문이다.

또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 출력 전류, 출력 전압, 게이트 펄스, 또 위상, 위상각 및 위상차 등의 각종 검출, 설정, 및 제어요소의 검출, 설정, 및 제어는, 제어회로(42a, 42b)나 기준 신호 생성부(44)로의 신호의 입력이나 이것의 요소로부터의 신호의 출력에 기초해 구성된 취지를 기재했다. 그렇지만 이것들의 검출, 설정, 및 제어는, 이것들의 제어 데이터를 기록한 컴퓨터를 사용해, 해당 컴퓨터에 기록된 프로그램(컴퓨터 프로그램)에 기초해 행하도록 해도 좋다. 또한, 컴퓨터에 한하지 않고, 제어신호를 출력 가능한 요소에 대해, 미리 검출, 설정, 제어 등의 데이터를 기록한 매체(프로그램 가능 장치)를 덧붙이는 것으로 실시하도록 해도 좋다. 이러한 제어방식을 채용함으로써, 설정 값이나 제어 값 등의 조정, 변경을 용이하게 행하는 것이 가능하게 됨과 함께, 범용기기의 사용에 따른 저비용화에도 기여하는 것이 가능하다.

10····유도 가열장치, 12a····가열 코일,
12b··· 가열 코일, 14a····인버터,
14b··· 인버터, 16·· ··IGBT,
18····다이오드, 20·· ··평활 콘덴서,
21····평활 코일, 22a····초퍼 회로,
22b··· 초퍼 회로, 24·· ··IGBT,
25····평활 콘덴서, 26·· ··컨버터,
28····사이리스터, 30·· ··전원부,
32a··· 공진 콘덴서, 32b·· ·공진 콘덴서,
34a··· 임피던스 조정수단, 34b····임피던스 조정수단,
36a··· 역결합 인덕턴스, 36b····역결합 인덕턴스,
38a··· 전류 검출수단, 38b····전류 검출수단,
40a··· 전압 검출수단, 40b····전압 검출수단,
42a··· 제어회로, 42b····제어회로,
44····기준 신호 생성부, 50··· ·피유도 가열부재.

Claims (27)

1. 피가열물을 가열하여, 전류의 공급에 의해 상호유도를 발생시키는 복수의 가열 코일의 각각에, 주파수를 일치시킨 전류를 공급하는 공진형 고주파 전원을 접속한 복수의 자기 공진회로를 구비한 유도 가열장치에 의한 유도 가열방법에 있어,
   상호유도 임피던스의 리액턴스 성분과 저항 성분으로부터 되는 위상각과, 자기 공진회로의 임피던스의 리액턴스 성분과 저항 성분으로부터 되는 위상각을 맞추도록 조정, 또는 제어한 후,
   상기 전류의 위상차가 0이 되도록 하기 위해서, 또는, 상기 공진형 고주파 전원의 출력 전류와 출력 전압과의 위상각의 변동을 억제하기 위해서, 또는 상기 전류의 위상차가 0이 되도록 하고 상기 공진형 고주파 전원의 출력 전류와 출력 전압과의 위상각의 변동을 억제하기 위해서, 상기 주파수 및 상기 출력 전류의 값 중 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유도 가열장치를 고효율 운전하기 위해서,
   상기 상호유도 임피던스에 있어서 위상각 및, 상기 자기 공진회로의 임피던스에 있어서 위상각을 감소시키도록 조정 또는 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
3. 제2항에 있어서,
   인접 배치된 상기 가열 코일로의 급전 선로에 역결합 인덕턴스를 부가하는 것에 의해, 상호유도 전압과 상호유도를 발생시키는 코일 전류 사이의 위상인 제1의 위상각을 감소시켜,
   상기 자기 공진회로의 합성전압과 상기 가열 코일에 공급되는 전류 사이의 위상인 제2의 위상각을 상기 제1의 위상각에 일치시키도록 조정 또는 제어하는 것으로,
   상기 공진형 고주파 전원의 출력 전류와 출력 전압과의 위상각을 감소시키는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
4. 피가열물을 가열하여, 전류의 공급에 의해 상호유도를 발생시키는 복수의 가열 코일의 각각에, 주파수를 일치시킨 전류를 공급하는 공진형 고주파 전원을 접속한 복수의 자기 공진회로를 구비한 유도 가열장치에 따른 유도 가열방법에 있어,
   상호유도 전압과 상호유도를 발생시키는 코일 전류 사이의 위상인 제1의 위상각과,
   자기 공진회로의 합성 전압과 상기 가열 코일에 공급되는 전류 사이의 위상인 제2의 위상각을 일치시키도록 조정, 또는 제어하여 운전하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
5. 피가열물을 가열하여, 전류의 공급에 의해 상호유도를 발생시키는 복수의 가열 코일의 각각에, 주파수를 일치시킨 전류를 공급하는 공진형 고주파 전원을 접속한 복수의 자기 공진회로를 구비한 유도 가열장치에 따른 유도 가열방법에 있어,
   인접하는 상기 자기 공진회로 간에 있어서 상호유도 임피던스의 저항성분에 대한 상호유도 임피던스의 리액턴스 성분의 비인 제1의 비와,
   상기 자기 공진회로에 있어서 자기 임피던스의 저항 성분에 대한 자기 임피던스의 리액턴스 성분의 비인 제2의 비를, 일치시키도록 조정, 또는 제어하여 운전하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제1의 위상각과 상기 제2의 위상각을 일치시키도록 하는 조정, 또는 제어는, 상기 자기 공진회로의 임피던스를 조정, 또는 제어하는 것에 의해 이뤄지는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
7. 제4항에 있어서,
   상기 제1의 위상각과 상기 제2의 위상각을 일치시키도록 하는 조정, 또는 제어는, 상기 가열 코일에 공급하는 전류의 주파수를 조정, 또는 제어하는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
8. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   각 자기 공진회로에 있어서 상기 공진형 고주파 전원에 대해 게이트 펄스를 공급할 때에, 해당 게이트 펄스의 위상차가 0이 되도록, 또는 미리 정한 위상차에 근사하도록 출력하여, 상기 유도 가열장치를 운전하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
9. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   각 자기 공진회로에 있어서 상기 공진형 고주파 전원을 전압형 고주파 전원으로 하고, 해당 전압형 고주파 전원의 출력 전압의 위상차가 0이 되도록 하여, 상기 유도 가열장치를 운전하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
10. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    각 자기 공진회로에 있어서 상기 공진형 고주파 전원을 전류형 고주파 전원으로 하고, 해당 전류형 고주파 전원의 출력 전류의 위상차가 0이 되도록 하여, 상기 유도 가열장치를 운전하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
11. 제8항에 있어서,
    상기 공진형 고주파 전원의 기동 시에, 상기 게이트 펄스의 위상차가 0이 되도록, 또는 미리 정한 위상차가 되도록 출력한 후,
    각 가열 코일에 공급된 상기 전류의 위상을 기준 신호의 위상에 일치시키도록, 상기 공진형 고주파 전원에 공급하는 게이트 펄스를 제어하여, 상기 유도 가열장치를 운전하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 게이트 펄스의 위상차가 0이 되도록 하여 상기 공진형 고주파 전원을 기동시킬 때에, 상기 게이트 펄스가, 상기 기준 신호에 기초해 정해진 전류 동기 기준위치에 대해서, 미리 정한 위상, 또는 해당 위상에 대응하는 시간을 갖도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 공진형 고주파 전원 기동 후에, 각 가열 코일에 공급하는 전류의 제로 크로스 위치를 검출하여, 각 전류의 제로 크로스 위치가 상기 전류 동기 기준 위치로부터 어긋나는 경우에는, 각 전류의 제로 크로스 위치와 상기 전류 동기 기준 위치와의 위상차가 0이 되도록, 상기 게이트 펄스 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 공진형 고주파 전원의 출력 전압과 상기 공진형 고주파 전원의 출력 전류와의 사이의 위상각의 허용 범위인 허용 위상각 범위를 정하고,
    상기 출력 전압과 상기 출력 전류와의 사이의 위상각이 상기 허용 위상각 범위 내에 위치하도록, 상기 주파수 및 출력 전류의 값 중 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 주파수의 제어를 행하면서, 상기 각 전류 사이의 위상차가 0이 되도록, 상기 게이트 펄스 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
16. 제14항에 있어서,
    상기 주파수의 제어는, 상기 자기 공진회로의 공진 주파수보다도 높은 값의 범위 내에 행하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
17. 제13항에 있어서,
    상기 게이트 펄스 위치와 상기 전류 동기 기준 위치와의 사이의 위상차의 한계 범위로서의 전류 동기 제어 범위 리미터를 정하여, 상기 게이트 펄스 위치가 상기 전류 동기 제어 범위 리미터의 범위 내가 되도록, 상기 공진형 고주파 전원의 출력 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
18. 제4항에 있어서,
    전류의 공급에 의해 상호유도를 발생시키는 인접 배치된 가열 코일로의 급전로에, 각각 역결합 인덕턴스를 접속하는 것으로 상기 제1의 위상각을 감소시키는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
19. 제18항에 있어서,
    상기 제1의 위상각과 상기 제2의 위상각을 일치시키기 위해, 상기 역결합 인덕턴스의 리액턴스 성분을 조정 또는 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
20. 제19항에 있어서,
    상기 제1의 위상각을 미리 정해진 목표 값에 맞추도록 조정하여,
    해당 목표 값에 상기 제2의 위상각을 일치시키도록 하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
21. 제20항에 있어서,
    상기 역결합 인덕턴스에 있어서 결합 계수를 변화시키는 것으로, 상호유도 임피던스의 리액턴스 성분을 변화시켜,
    상기 제1의 위상각을 조정하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
22. 제4항에 있어서,
    상기 자기 공진회로에 있어서 인덕턴스 또는, 캐패시턴스를 조정하여, 상기 제2의 위상각을 조정하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
23. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상각 및 상기 위상차를 주파수에 대응하는 시간에 환산하여 설정, 조정, 또는 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
24. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어는, 컴퓨터 프로그램, 또는 프로그램 가능 장치를 두어 행하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
25. 제4항에 있어서,
    상기 위상 및 상기 위상각을 주파수에 대응하는 시간에 환산하여 설정, 조정, 또는 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
26. 제13항에 있어서,
    상기 검출 또는 상기 제어는 컴퓨터 프로그램, 또는 프로그램 가능 장치를 두어 행하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
27. 제23항에 있어서,
    상기 설정 또는 상기 제어는 컴퓨터 프로그램, 또는 프로그램 가능 장치를 두어 행하는 것을 특징으로 하는 유도 가열방법.
    

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