KR101825802B1

KR101825802B1 - 유도 가열 장치

Info

Publication number: KR101825802B1
Application number: KR1020160014026A
Authority: KR
Inventors: 코지 도조
Original assignee: 도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2018-02-05
Also published as: JP2017073248A; CN106561067A; JP6391175B2; KR20170041112A; CN106561067B

Abstract

에지 히터에서의 압연재의 운전 패턴에 응한 부하 임피던스의 과도적 변화에 추종하여 안정 동작할 수 있는 유도 가열 장치를 제공한다.
실시 형태에 관한 유도 가열 장치는, 교류 또는 직류를 입력하여, 전압 기준 회로에 의해 출력 전압이 설정된 교류 전력을 출력하는 전력 변환부와, 압연재의 폭방향의 양측에 배치됨과 함께 상기 압연재의 반송 방향으로 이간하여 배치되고, 상기 전력 변환부로부터 공급되는 전류에 의해 상기 압연재에 유도 전류를 발생시켜서 가열하는 복수의 인덕터를 포함하는 히터부와, 상기 출력 전압 및 상기 전력 변환부의 출력 전류에 의거하여 임피던스를 계산하고, 상기 임피던스 및 상기 압연재의 반송 속도에 의거하여 임피던스의 시간 변화인 임피던스 변화율을 계산하고, 상기 임피던스 변화율에 의거하여 상기 전압 기준 회로의 설정을 보정 하는 제어부를 구비한다.

Description

유도 가열 장치{INDUCTION HEATING DEVICE}

본 발명의 실시 형태는 유도 가열 장치에 관한 것이다.

일반적으로 철강의 제조 라인에서는, 소망하는 온도로 가열된 강판을 압연기에 걸음으로써, 소망하는 판두께의 제품을 얻고 있다. 이와 같은 철강 제조 라인에서, 강재의 양측 에지부의 온도 강하에 대한 균열(均熱)이나 압연기의 부하 경감을 위해, 강판의 양 에지부를 가열하는 C형 에지 히터를 설치하는 것이 일반적으로 되어 있다. 강판 제조 라인에서는, 강판의 양측 에지부를 강판의 전체 길이에 걸쳐서 가열하는 것이 요구된다. 그 때문에 가열 시작시에는, 강판이 에지 히터의 인덕터에 도달하기 전에 통전을 시작하고, 강판이 인덕터를 빠진 후에 통전을 정지시킬 필요가 있다.

상술한 바와 같은 C형 에지 히터의 운전 패턴에 있어서, 강판의 선단이 인덕터에 진입하고 있는 상태, 또는 강판의 미단(尾端)이 인덕터로부터 빠져나가는 과정에서는, 부하 임피던스는 변화되어 있는 상태에 있다. 이 부하 임피던스의 변화율은, 강판의 반송 속도에 의해 변화한다. 강판의 반송 속도가 빠를수록, 부하 임피던스의 변화율도 커진다.

한편, C형 에지 히터에 에너지를 공급하고 있는 것은 인버터 전원인데, 인버터 전원은, 부하 변동에 대해 공급하는 에너지를 일정하게 유지하도록 전압 제어하고 있다. 그렇지만, 부하 임피던스의 변동이 급격한 경우에는, 인버터 전원의 전압 제어가 변동에 추종할 수 없게 되어, 출력 전압이 과전압 상태가 되어, 트립에 이를 가능성이 있다. 미단이 인덕터를 빠져나가는 상태에서는, 부하 임피던스 및 출력 전압 상승의 변화가 크고, 인버터 전원이 트립에 이르는 큰 요인이었다.

임피던스의 급변에 의한 과전압 발생을 방지하는 기술이 몇가지 알려져 있다. 예를 들면, 전동기 구동 장치용의 전원 장치에 관한 기술로서, 가감속 레이트 저감률 연산 회로를 구비한 것이 있다. 이 가감속 레이트 체감률 연산 회로는, 전동기 구동 장치 내의 직류 전압 검출 회로가 검출한 직류 전압이 과전압 검출 기준치를 초과한 경우에, 선택 회로에 의해 선택된 교류 가변속 구동 장치에 대해, 초과치에 응한 저감률을 산출하고, 교류 가변속 구동 장치에 가감속 레이트를 출력하고, 가감속 레이트를 변화(선택)시킨다. 이에 의해 전원 장치의 과전압을 방지한다(특허 문헌 1 등).

유도 가열 장치로서, C형 에지 히터에서 출력 전압 및 출력 전류로부터 부하 임피던스를 계산하여, 부하 임피던스의 계산치에 의거하여, C형 에지 히터의 인덕터 위치를 조정하는 기술이 알려져 있다(특허 문헌 2 등).

그러나, 상술한 기술에서는, 전동기 구동 장치가 제어를 행하여 검출한 직류 전압의 출력치에 의해 저감률을 계산하고, 가감속 레이트를 주어서 전동기 구동 장치의 출력을 제어한다. 따라서 과전압 발생을 방지하는 수단이 개시되어 있는 것이지만, 제어한 후에 비로소 제어 보정이 가하여지는 것이어서, 부하의 급격한 변화에는 추종할 수 없다.

또한, 또 한편의 기술에서는, 강판 양단의 승온이나 아크 스폿 저감이라는 밸런스 컨트롤을 목표로 하여 에지 히터의 인덕터 위치 제어를 행하기 때문에, 과전압 방지를 목적으로 하고 있지 않다.

상술한 기술에서는, C형 에지 히터에서의 압연재의 운전 상황에 응하여 발생하는 부하 임피던스의 과도적 변화에 추종할수는 없다.

특허 문헌 1 : 일본 특개평9-247978호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 제5466905호 공보

실시 형태는, 에지 히터에서의 압연재의 운전 상황에 응하여 발생하는 부하 임피던스의 과도적 변화에 추종하여 안정하게 동작을 계속할 수 있는 유도 가열 장치를 제공한다.

실시 형태에 관한 유도 가열 장치는, 교류 또는 직류를 입력하여, 전압 기준 회로에 의해 출력 전압이 설정된 교류 전력을 출력하는 전력 변환부와, 압연재의 폭방향의 양측에 배치됨과 함께 상기 압연재의 반송 방향으로 이간하여 배치되고, 상기 전력 변환부로부터 공급되는 전류에 의해 상기 압연재에 유도 전류를 발생시켜서 가열하는 복수의 인덕터를 포함하는 히터부와, 상기 출력 전압 및 상기 전력 변환부의 출력 전류에 의거하여 임피던스를 계산하고, 상기 임피던스 및 상기 압연재의 반송 속도에 의거하여 임피던스의 시간 변화인 임피던스 변화율을 계산하고, 상기 임피던스 변화율에 의거하여 상기 전압 기준 회로의 설정을 보정 하는 제어부를 구비한다.

본 실시 형태에서는, 전력 변환부의 출력 전압, 출력 전류 및 압연재의 반송 속도에 의거하여, 전력 변환부의 출력 전압을 설정하는 전압 기준 회로의 설정을 보정 하는 제어부를 구비하기 때문에, 과도기적인 부하 임피던스의 변화가 생겨도, 안정하게 동작을 계속할 수 있다.

도 1은 실시 형태에 관한 유도 가열 장치를 예시하는 블록도.
도 2는 유도 가열 장치의 C형 에지 히터를 예시하는, 도 1의 A-A'선의 전개 단면도.
도 3은 본 실시 형태의 유도 가열 장치의 동작을 설명하는 동작 파형도의 예.
도 4는 본 실시 형태의 유도 가열 장치의 동작을 설명하기 위한 플로 차트.
도 5는 비교례의 유도 가열 장치를 예시하는 블록도.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 관해 설명한다.

또한, 도면은 모식적 또는 개념적인 것이고, 각 부분의 두께와 폭과의 관계, 부분 사이의 크기의 비율 등은, 반드시 현실의 것과 동일하다고는 한하지 않는다. 또한, 같은 부분을 나타내는 경우라도, 도면에 의해 서로의 치수나 비율이 다르게 표시되는 경우도 있다.

또한, 본원 명세서와 각 도면에 있어서, 이미 나온 도면에 관해 설명한 것과 같은 요소에는, 동일한 부호를 붙여서 상세한 설명을 적절히 생략한다.

도 1은, 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치를 예시하는 블록도이다.

도 2는, 유도 가열 장치의 C형 에지 히터를 예시하는, 도 1의 A-A' 전개 단면도이다.

우선, 본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)의 구성에 관해 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)는, 전력 변환부(10)와, 제어부(20)와, C형 에지 히터(30)를 구비한다. 유도 가열 장치(1)는, 입력 전원(2)에 접속되어 있고, 입력 전원(2)으로부터 공급되는 전력에 의해 동작한다. 입력 전원(2)은, 예를 들면 3상 교류 전원이다. 입력 전원(2)은, 단상 상용 교류 전원이라도 좋고, 직류 전원이라도 좋다. 유도 가열 장치(1)는, 입력 전원(2)으로부터 전력의 공급을 받아, 압연재(3)의 반송 방향에 따른 양측 에지를 가열한다.

전력 변환부(10)에서는, 입력(10a)에 입력 전원(2)이 접속되고, 출력(10b)에는 C형 에지 히터(30)가 접속되어 있다. 전력 변환부(10)는, 입력 전원(2)으로부터 전력의 공급을 받아서 C형 에지 히터(30)에 소망하는 전압, 전류 및 주파수를 갖는 교류 전력을 공급한다. 전력 변환부(10)는, 인버터 장치이다. 또한, 입력 전원(2)이 교류 전원인 경우에는, 전력 변환부(10)와 입력 전원(2)과의 사이에, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류 평활 회로 또는 컨버터 회로를 포함한다. 또는, 전력 변환부(10)는, 교류 전력을 다른 교류 전력으로 변환하는 매트릭스 컨버터 등이라도 좋다. 또한, 전력 변환부(10)는, 제어부(20)에 접속되어 있고, 후술하는 바와 같이, 제어부(20)로부터의 지령에 따라, 출력 전압이 설정된다. 또한, 전력 변환부(10)는, 압연재(3)의 반송 속도를 검출하기 위해 마련되어 있는 속도 검출부(16)에 접속되어 있다. 속도 검출부(16)는, 예를 들면, 압연재(3)를 반송하는 테이블 롤러(도시 생략)에 접속된 로터리 인코더를 포함한다.

전력 변환부(10)는, 주회로(11)와, 전압 기준 회로(12)와, 전압 검출부(13)와, 전류 검출부(14)와, 유효 전력 연산부(15)와, 과전압 검출부(17)를 포함한다.

주회로(11)는, 입력 전원(2)과 C형 에지 히터(30)와의 사이에 접속되어 있다. 주회로(11)는, 입력 전원(2)으로부터 공급된 교류 또는 직류 전압을 고주파로 스위칭하여 PWM 등에 의해 다른 교류 전압으로 변환하는 스위칭 소자 등을 포함하는 전력 변환 회로이다.

전압 기준 회로(12)는, 전력 변환부(10)와 제어부(20)와의 사이에 접속되어 있다. 전압 기준 회로(12)는, 전력 변환부(10)가 출력하는 출력 전압의 기준이 되는 전압 파형을 생성한다. 예를 들면, 전압 기준 회로(12)의 출력 전압의 진폭이 100%로 설정되어 있는 때에, 전력 변환부(10)의 출력 전압은, 정격 출력 전압을 출력하도록 설정되어 있다. 전압 기준 회로(12)는, 이 유도 가열 장치(1)의 정상 운전시에는, 전력 변환부(10)의 출력 전력(P) 및 압연재(3)의 반송 속도(φ)의 비가 일정하게 되도록 전압 기준치(Vref)가 설정된다. 그 때문에, 전력 변환부(10)는, 압연재(3)의 단위 길이에 대한 전력량을 일정하게 제어하여, 압연재(3)의 온도 상승을 일정하게 할 수 있다. 즉, 전력 변환부(10)에서는, 압연재(3)의 반송 속도(φ)가 빠른 때에는, 출력 전력(P)을 크게 하고, 압연재(3)의 반송 속도(φ)가 느린 때에는, 출력 전력(P)을 작게 하도록 제어한다. 압연재(3)의 미단(3a)이 C형 에지 히터(30)를 빠지기 시작하여 부하 임피던스가 크게 변화하는 상태에서는, 전압 기준 회로(12)는, 제어부(20)로부터의 지령에 의거하여 전력 변환부(10)에 공급하는 전압 기준치(Vref)를 설정한다.

전압 검출부(13)는, 전력 변환부(10)의 출력(10b)에 접속되어 있다. 전압 검출부(13)는, 도시하는 바와 같이 예를 들면 계기용 변압기이다. 전압 검출부(13)는, 전력 변환부(10)의 출력(10b)의 선간(線間) 전압을 검출하여, 검출한 전압을 전력 변환부(10)의 출력 전압으로서 제어부(20) 및 유효 전력 연산부(15)에 입력한다. 전압 검출부(13)에는, 전력 변환부(10)의 출력 전압을 검출할 수 있는 다른 기기나 소자를 이용할 수 있다. 예를 들면, 전압 검출부(13)에는, 포토 커플러 등의 광학 절연 소자를 이용한 반도체 소자를 이용하여도 좋다.

전류 검출부(14)는, 전력 변환부(10)의 출력(10b)과 C형 에지 히터(30)와의 사이에 접속되어 있다. 전류 검출부(14)는, 도시하는 바와 같이 예를 들면 계기용 변류기이다. 전류 검출부(14)는, 전력 변환부(10)로부터 C형 에지 히터(30)에 흐르는 전류를, 전력 변환부(10)의 출력 전류로서 검출하여, 유효 전력 연산부(15)에 입력한다. 전류 검출부(14)는, 전력 변환부(10)의 출력 전류를 검출할 수 있는 다른 기기나 소자를 이용할 수 있다. 예를 들면, 전류 검출부(14)에는, 홀 소자 등을 이용한 전류 검출 모듈 등을 이용하여도 좋다.

유효 전력 연산부(15)는, 전압 검출부(13) 및 전류 검출부(14)의 각각의 출력에 접속되어 있다. 유효 전력 연산부(15)는, 전압 검출부(13)에서 검출된 전력 변환부(10)의 출력 전압, 및 전류 검출부(14)에서 검출된 전력 변환부(10)의 출력 전류로부터 C형 에지 히터(30)에 입력되는 유효 전력을 계산한다. 유효 전력 연산부(15)는, 출력 전압의 순시치(瞬時値) 및 출력 전류의 순시치의 곱을 적분함에 의해 유효 전력을 연산한다. 유효 전력 연산부(15)에 의해 계산된 유효 전력은, 후술하는 바와 같이 C형 에지 히터(30)를 포함하는 부하 임피던스를 산출하는데 사용된다.

과전압 검출부(17)는, 전력 변환부(10)의 출력의 선간에 접속되어 있고, 선간의 출력 전압이 소정의 검출치에 달한 때에, 주회로(11)의 동작을 정지시킨다. 과전압 검출부(17)의 과전압 검출치는, 예를 들면, 정격 출력 전압의 115%∼120%에 설정되어 있다.

제어부(20)는, 전력 변환부(10)에 접속되어 있다. 또한, 제어부(20)는, 속도 검출부(16)의 출력에 접속되어 있다. 제어부(20)는, 임피던스 연산부(21)와, 임피던스 변화율 연산부(22)와, 전압 기준 보정 연산부(23)를 포함한다.

임피던스 연산부(21)는, 전압 검출부(13) 및 유효 전력 연산부(15)의 출력에 접속되어 있다. 임피던스 연산부(21)는, 전압 검출부(13)에 의해 검출된 전력 변환부(10)의 출력 전압(V) 및 유효 전력 연산부(15)에 의해 계산된 출력 전력(P)을 이용하여, C형 에지 히터(30)를 포함하는 부하 임피던스를 계산한다.

임피던스 변화율 연산부(22)는, 임피던스 연산부(21)의 출력 및 속도 검출부(16)에 접속되어 있다. 임피던스 변화율 연산부(22)는, 임피던스 연산부(21)에 의해 계산된 부하 임피던스 및 압연재(3)의 반송 속도를 이용하여, 부하 임피던스 변화율을 계산한다. 보다 구체적으로는 후술하지만, 임피던스 변화율은, 압연재(3)의 미단(3a)이 인덕터(32, 33)를 빠지기 시작한 때의 기점(起點)의 임피던스와, 미단(3a)이 C형 에지 히터(30) 내의 임의의 위치일 때의 임피던스와의 차를 시간으로 나눈 값이고, 임피던스의 시간당의 변화율로서 계산된다.

전압 기준 보정 연산부(23)는, 임피던스 변화율 연산부(22)의 출력에 접속되어 있다. 전압 기준 보정 연산부(23)는, 임피던스 변화율을 이용하여 전압 기준 회로(12)가 출력하는 전압 기준치(Vref)를 설정한다. 이 전압 기준치(Vref)는, 임피던스 변화율에 의거하여 보정된 값이다.

기억부(24)는, 임피던스 연산부(21), 임피던스 변화율 연산부(22) 및 전압 기준 보정 연산부(23)에 각각 접속되어 있다. 기억부(24)는, 임피던스 연산부(21)에서 계산된 기점의 임피던스 값을 격납한다. 또한, 기억부(24)는, 임피던스 변화율 연산부(22)에서 계산된 임피던스 변화율의 임계치를 격납한다. 또한, 기억부(24)는, 임피던스 변화율 연산부(22)에서 계산된 임피던스 변화율을 격납한다. 기억부(24)는, 전압 기준 회로(12)에 접속되어 있고, 전압 기준 회로(12)에서 설정되어 있는 그 시점에서의 전압 기준치를 격납한다. 그 밖에, 기억부(24)는, 임피던스 값이나 임피던스 변화율을 계산하기 위한 각종 파라미터를 기억한다. 이들의 파라미터에 관해서는, 후에 상세히 기술하지만, 예를 들면 전력 변환부(10)의 정격 출력 전압이나 정격 출력 전력 등이다. 이들의 파라미터는, 미리 기억부(24)에 격납되고, 연산이 필요에 응하여 호출되어 사용된다.

제어부(20)는, 기억부(24)에 격납된 프로그램에 따라 동작하는 CPU(Central Processing Unit)나 마이크로 프로세서 등이라도 좋다. 제어부(20)가 CPU 등에 의해 실현되는 경우에는, 임피던스 연산부(21), 임피던스 변화율 연산부(22) 및 전압 기준 보정 연산부(23)의 동작은, 일련의 프로그램을 구성하는 실행 스텝에 의해 실현되어도 좋다. 기억부(24)는, CPU가 갖는 캐시 메모리라도 좋고, 적절한 버스에 접속된 외부 메모리 등이라도 좋다.

C형 에지 히터(30)는, 복수의 인덕터(32∼35)를 포함하고 있다. 인덕터(32∼35) 각각은 동일한 형상을 갖고 있다. 따라서 인덕터(32)에 관해 이하에서 설명하지만, 다른 인덕터(33∼35)에 대해서도 마찬가지이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 인덕터(32)는, 코어(32a)와, 코일(32b)을 갖고 있다. 코어(32a)는, 압연재(3)의 면에 거의 수직한 부재(32a1)와, 부재(32a1)의 양단부에 일방의 단부가 각각 접속되고, 압연재(3)의 면에 거의 수평하게 늘어나는 부재(32a2, 32a3)와, 부재(32a2, 32a3)의 각각의 타방의 단부에 부재(32a1)와 거의 수평하게 되도록 접속된 부재(32a4, 32a5)를 갖고 있다. 부재(32a4, 32a5)의 단부는, 개방되어 있고, 갭(32c)이 형성되어 있다. 부재(32a4, 32a5)의 외주에는, 도선이 권회되어 코일(32b)이 형성되어 있다. 이와 같이, C형 에지 히터(30)를 구성하는 각 인덕터(32∼35)는, 알파벳의 「C」에 유사한 형상을 갖고 있기 때문에, C형 코일 또는 C형 인덕터라고도 불린다. 코일(32b)은, 전력 변환부(10)의 출력(10b)에 접속되어 있고, 전력 변환부(10)로부터 출력되는 소정의 교류 전력에 의해 구동된다. 코일(32b)에 전류가 흐름에 의해, 코일(32b)이 권회되어 있는 코어(32a)에 자속이 통하여, 부재(32a1∼32a5)는, 갭(32c)과 함께 자기 회로를 구성한다. 즉, 인덕터(32)는, 갭 부착 코일이다. 갭(32c)에는, 압연재(3)의 일방의 에지(3b)가 배치되고, 인덕터(32)가 구동되면, 자기 회로 내에 삽입된 압연재(3)의 에지(3b) 부근의 표면에 와류 전류가 발생하고, 와류 전류손에 의해 압연재(3)의 에지 부분의 온도가 상승한다. 다른 인덕터(33∼35)도 마찬가지로 동작한다.

인덕터(32, 33)는, 압연재(3)의 미단(3a)이 최초에 빠져나가는 측에, 압연재(3)의 양측 에지에서 대향하도록 배치되어 있다. 인덕터(34, 35)는, 압연재(3)의 미단이 최후에 빠져나가는 측에, 압연재(3)의 양측 에지에서 대향하도록 배치되어 있다. 인덕터(32, 34) 및 인덕터(33, 35)는, 압연재(3)가 반송되는 방향에 따라, 거의 같은 거리만큼 이간하여 배치되어 있다. 인덕터(32, 34) 및 인덕터(33, 35)의 이간 거리는, 강재의 재질이나 두께 등에 응하여 적절하게 설정된다.

C형 에지 히터(30)의 각 인덕터(32∼35)는, 유도성 리액턴스를 갖기 때문에, 역률을 적절하게 설정하고 각 인덕터에 공급되는 무효 전력을 조정하기 위해, 인덕터마다 콘덴서(CA∼CD)가 접속되어 있다.

본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)의 동작에 관해 이하 설명한다.

도 3은, 본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)의 동작을 정성적으로 설명하기 위해 부하 임피던스 등의 변화를 도시하는 도면이다.

도 4는, 본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)의 동작을 설명한 플로 차트이다.

도 3의 최상단의 도면에 도시하는 바와 같이, 인덕터(32, 33)는, 압연재(3)의 선단이 최초에 들어가는 위치에 배치되어 있다. 여기서, 압연재(3)의 반송 방향에 따라 평행한 X축을 취한다. 도 3의 2단째의 도면에 도시하는 바와 같이, 압연재(3)의 미단(3a)의 위치(X2)가 인덕터(32, 33)의 단부에 당도하는 위치를 X=0으로 한다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 인덕터(32, 33)는, 압연재(1)의 미단(3a)이 최초로 빠지는 위치에 배치되어 있게 된다. 그리고, 도 3의 3단째의 도면에 도시하는 바와 같이, 인덕터(34, 35)는, X축에 따라 인덕터(32, 33)로부터 이간하여 배치되고, 반송되는 압연재(3)의 미단(3a)이 최후에 빠지는 위치에 배치되어 있다. 압연재(3)의 미단(3a)이, 인덕터(34, 35)의 단부에 당도하는 위치를 X=Xa로 한다. 이하에서는, X축상의 좌표(0∼Xa) 사이의 범위를, C형 에지 히터(30)의 구간이라고 부르고, C형 에지 히터(30)의 구간의 길이를 인덕터의 배치 거리(EHd)라고 부르기로 한다.

우선, 압연재(3)의 선단이, C형 에지 히터(30)의 구간에 진입한다. 즉, 압연재(3)의 선단의 위치(X1)는, X1≥0이고, 위치(X1)는 점차로 커진다. 압연재(3)의 선단의 위치(X1)가 X=Xa에 도달할 때까지, C형 에지 히터(30)를 포함하는 부하 임피던스는, 압연재(3)의 선단의 위치(X1)가 정방향으로 이동함에 따라 저하된다. 또한, 이 때의 부하 임피던스는, X1의 진행과 함께 저하되기 위문에, 전력 변환부(10)의 출력 전압은 X1의 진행과 함께 저하된다, 그 때문에, 압연재(3)의 진입시에 전력 변환부(10)가 과전압 검출에 의해 동작 정지하는 것이 문제로 되는 일은 없다.

압연재(3)의 선단이 X=Xa를 통과한 도 3의 최상단의 도면에서는, C형 에지 히터(30)의 구간 중에는, 압연재(3)가 거의 일률적으로 존재하기 때문에, C형 에지 히터(30)를 포함하는 부하 임피던스는, 거의 일정한 값을 나타낸다. 또한, 압연재(3)의 양측 에지의 온도 상승을 균일하게 유지하기 위해, 전력 변환부(10)는, 출력 전력과 압연재(3)의 반송 속도와의 비가 거의 일정하게 되도록 제어하고 있고, 이 범위 내에서의 부하 임피던스의 변화에 관해서는, 전력 변환부(10)의 제어계의 응답에 의해 충분히 추종할 수 있다.

도 3의 4단째의 그래프 형식의 도면에는, X축상의 0∼Xa의 각 위치에 압연재(3)의 미단(3a)이 있을 때의 부하 임피던스(ZL), 전력 변환부(10)의 출력 전류(Iout), 출력 전압(Vout), 및 전압 기준 회로(12)가 출력하는 전압 기준치(Vref)가 도시되어 있다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 압연재(3)의 미단(3a)이 C형 에지 히터(30)의 구간을 빠지기 시작하여, 압연재(3)의 미단(3a)의 위치(X2)가 X2>0이 되면, C형 에지 히터(30)를 포함하는 부하 임피던스는, 위치(X2)와 함께 상승한다. 출력 전압(Vout)의 변화는, 부하 임피던스의 상승에 의거한 상승에 더하여, 부하 임피던스의 시간 변화에 의한 과도응답(過渡應答)에 의한 상승분을 포함하고 있다.

예를 들면, 압연재(3)의 반송 속도가 일정한 때에는, 부하 임피던스(ZL)는, 압연재(3)의 미단(3a)의 위치(X2)가 X축의 정방향으로 이동함에 따라, 거의 일정한 경사로 상승한다. 부하 임피던스(ZL)의 상승에 관련되어, 출력 전압(Vout)도 상승한다. 출력 전압의 상승의 비율은, 도면에서는 나타나지 않지만, 압연재(3)의 반송 속도에도 의존한다. 압연재(3)의 반송 속도가 빠른 경우에는, 같은 부하 임피던스라도 반송 속도가 느린 경우보다도 출력 전압은 보다 큰 비율로 상승한다. 전력 변환부(10)는, 부하에 대해 정전력(定電力) 제어를 행하고 있기 때문에, 이 때의 출력 전류(Iout)는, 과도응답분을 포함하지 않는 출력 전압(Vout)의 상승에 응하여 저하된다.

여기서, 전압 기준 회로(12)로부터 출력되는 전압 기준치(Vref)를, 부하 임피던스(ZL)의 제곱근에 관련되어 저하되도록 보정한다. 전압 기준치(Vref)가 점차로 저하되도록 보정됨에 의해, 출력 전압(Vout)의 상승은 억제된다.

또한, 도 3의 최하단의 그래프 형식의 도면은, 비교례의 유도 가열 장치의 동작을 정성적으로 도시하는 도면이고, 후에 상세히 기술한다.

도 4의 플로 차트를 이용하여, 본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)의 동작을 보다 정량적으로 설명한다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 유도 가열 장치(1)의 동작이 시작되면, 스텝 S1부터 스텝 S3에서, 기점에서의 각종 값을 취득한다. 스텝 S1에서는, 기점 임피던스 비(%R0)를 취득하고, 스텝 S2에서는, 기점 반송 속도(BAR0)를 취득하고, 스텝 S3에서는, 기점 전압 기준치(Vref0)를 취득한다. 이러한 값은, 후의 스텝의 각종 계산에 이용된다.

스텝 S1에서, 제어부(20)의 임피던스 연산부(21)에서는, 이하의 식(1)에 의해, 임피던스 비(%R)를 계산하고, 계산 결과를 기억부(24)에 격납한다.

%R=(V1²/P1)/(V0²/P0)×100[%] … (1)

V1은, 전압 검출부(13)에 의해 검출된 전력 변환부(10)의 출력 전압이다. P1은, 유효 전력 연산부(15)에서 계산된 전력 변환부(10)의 출력 전력이다. V0은, 전력 변환부(10)의 정격 출력 전압이다. P0은, 전력 변환부(10)의 정격 출력 전력이다. 즉, 임피던스 비(%R)는, 전력 변환부(10)의 정격 출력 전력 및 정격 출력 전압시의 부하 임피던스에 대한 동작시의 부하 임피던스의 비율로서 주어진다. 또한, 이하의 부하 임피던스의 계산에서는, 식(1)과 같이 정격치와의 상대치인 임피던스 비(%R)를 이용하지만, 측정치로부터 직접 계산되는 부하 임피던스의 값을 그대로 이용하여도 좋다.

스텝 S2에서, 제어부(20)에서는, 임피던스 변화율 연산(22) 및 속도 검출부(16)를 통하여, 압연재(3)의 반송 속도를 검출하고, 기억부(24)에 격납한다.

스텝 S3에서, 제어부(20)에서는, 전압 기준 회로(12)의 전압 기준치(Vref)를 취득하여 기억부(24)에 격납한다.

스텝 S4에서, 제어부(20)에서는, 압연재(3)의 미단(3a)이 인덕터(32, 33)를 빠진 것, 즉 미단(3a)의 위치(X2)가 X=0을 통과하였는지의 여부를 판정한다. 미단(3a)이 X=0의 위치를 통과하였는지의 여부는, 압연재(3)의 위치를 검출하는 위치 검출기(도시 생략)를 별도로 마련하여, 제어부(20)에서 위치 검출기의 출력에 의해, 판정할 수 있다. 스텝 S4에서 X2≥0을 검출한 때에는, 다음의 스텝으로 천이한다. 다음의 스텝 S5로 천이하는 시점에서, 임피던스 비(%R)는, X2≥0이 되기 직전의 값이 격납되어 있기 때문에, 이 때의 값을 기점 임피던스(%R0)로 한다. 또한, 이 시점에서 기억부(24)에 격납되어 있는 반송 속도의 값을 기점 반송 속도(BAR0)로 한다. 그리고, 이 시점에서 기억부(24)에 격납되어 있는 전압 기준치를 기점 전압 기준치(Vref0)로 한다.

스텝 S5에서, 제어부(20)에서는, 임계치(Vrefth)가 계산된다. 임계치(Vrefth)는, 전압 기준치(Vref)의 설정에 의해, 전압 기준치(Vref)의 보정 연산을 행하는지의 여부의 판정을 위한 임계치이다. 임계치(Vrefth)는, 예를 들면 정격 출력 전압(Vrate)의 k배로서, 계수(k)의 값을 설정함에 의해 결정된다. 계수(k)는, 0%∼100%의 범위에서 임의로 설정할 수 있고, 기억부(24)에 격납되어 있다. 압연재(3)가 저속으로 반송되고 있을 때에는, 압연재(3)에 대한 투입 전력량은 작아도 좋기 때문에, 전력 변환부(10)의 출력 전압(Vout)은, 정격 출력 전압(Vrate)에 대해 충분히 낮게 할 수 있다. 출력 전압(Vout)이 정격 출력 전압(Vrate)에 대해 충분히 낮은 때에는, 출력의 과전압 검출치에 대한 여유가 충분히 있기 때문에, 출력 전압이 과도적으로 튀어오르는 현상이 생겨도, 과전압 검출되지 않는 것이 생각된다. 이와 같은 경우에, 이 스텝 S6을 실행함에 의해, 전압 기준치(Vref)의 보정 연산을 실행하지 않도록 할 수 있다. 출력의 과전압 검출치가 정격 출력 전압(Vrate)의 115%인 때에는, 과전압 검출치에 대해 25%의 여유를 갖게 할 수 있기 때문에, 예를 들면, k=90%로 할 수 있다. 즉, Vrefth=Vrefr×90[%]로 할 수 있고, 출력 전압의 설정치가 정격 출력 전압의 90% 이하일 때에는, 전압 기준치(Vref)의 보정 계산을 실행하지 않도록 할 수 있다. 여기서, Vrefr는, 정격 출력 전압(Vrate)을 출력할 때의 전압 기준치이다.

스텝 S6에서, 제어부(20)에서는, 전압 기준 회로(12)에서 설정되어 있는 전압 기준치(Vref)와 전압 기준의 임계치(Vrefth)와의 대소 관계를 비교한다. 전압 기준치(Vref)의 설정치가, 임계치(Vrefth) 이하일 때에는, 전압 기준치(Vref)의 보정 연산을 행하는 일 없이, 프로그램을 종료한다. 전압 기준치(Vref)의 설정치가, 임계치(Vrefth)보다도 큰 때에는, 다음의 스텝 S7로 이행한다.

스텝 S7에서, 임피던스 변화율 연산부(22)에서는, 이하의 식(2)에 의해, 전압 기준 보정 연산을 행하는지의 여부의 임피던스 비 변화율에 대한 임계치(%R1)를 계산한다.

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

여기서, %R0은, 스텝 S1에서 기억부(24)에 격납된 기점 임피던스 비이다. EHd는, 인덕터의 배치 거리이고, 미리 적절한 값이 설정되어 있다. BAR0은, 스텝 S2에서 기억부(24)에 격납된 기점 반송 속도이다. 식(2)에서는, 압연재(3)의 미단(3a)이 C형 에지 히터(30)의 구간을 빠진 때, 즉 인덕터(34, 35)의 단부를 빠진 때(X=Xa)의 임피던스 비는, 정상시의 400%라고 하고 있다. 압연재(3)의 미단(3a)이 X=Xa를 통과할 때의 임피던스 비는, 실험적으로 관측된 값으로서 400%가 된 때부터 이 값을 이용하고 있다. 따라서 이 값에 관해서는, 임의의 파라미터로서, 변경할 수 있다. 예를 들면, 식(2)에서, 기점 임피던스 비(%R0)를 100[%], 인덕터의 배치 거리(EHd)를 2[m], 압연재(3)의 기점 반송 속도(BAR0)를 100[m/min]로 하면, %R1=0.28이 된다. 계산된 임계치(%R1)의 값은, 기억부(24)에 격납된다.

스텝 S8에서, 임피던스 연산부(21)에서는, 식(1)을 이용하여 임피던스 비(%R)가 계산되고, 계산 결과는, 기억부(24)의, 기점 임피던스(%R0)와는 다른 어드레스에 격납된다.

스텝 S9에서, 임피던스 변화율 연산부(22)에서는, 압연재(3)의 미단(3a)의 위치(X2)가 C형 에지 히터(30)의 구간 내(0≤X2≤Xa)에 있을 때의 임피던스 비 보정량(%R2)을 식(3)에 의해 계산한다.

%R2=1/{(%R-%R0)/100×(EHd/BAR1)} … (3)

여기서, %R은, 스텝 S1에서 계산되고, 스텝 S3에서 기억부(24)에 격납되어 있는 임피던스 비의 값이다. BAR1은, 압연재(3)의 반송 속도이고, 임피던스 변화율 연산부(22) 및 속도 검출부(16)를 통하여 기억부(24)에 격납된다.

스텝 S10에서는, 스텝 S9에서 계산된 임피던스 비 보정량(%R2)과, 임피던스 비의 임계치(%R1)와의 대소 관계를 비교한다. 임피던스 비 보정량(%R2)이, 임계치(%R1) 이하일 때에는, 보정 계산을 행하는 일 없이 프로그램을 종료한다. 임피던스 비 보정량(%R2)이, 임계치(%R1)보다도 큰 때에는, 다음의 스텝으로 천이한다. 또한, 임피던스 보정량(%R2)이 임계치(%R1)보다도 작은 경우란, 식(1)으로 계산된 임피던스 비(%R)가 기점 임피던스 비(%R0)보다도 충분히 크게(식(2)에서는, 400%를 초과하고 있다), 출력 전압의 상승을 전압 기준치(Vref)의 보정으로는, 완전히 보정할 수 없는 경우를 나타내고 있다.

스텝 S11에서, 전압 기준 보정 연산부(23)에 의해, 이하의 식(4)을 이용하여 전압 기준치(Vref)의 보정치(Vadj)를 계산하고, 이하의 식(5)을 이용하여 보정 후의 전압 기준의 출력치를 설정한다.

Vadj=Vref0×(%R2/100)^1/2 … (4)

Vref1=Vref0-Vadj … (5)

여기서, Vref0는, 기점에서의 전압 기준치이고, 기억부(24)에 격납되어 있다.

스텝 S11에서의 연산에 의해, 압연재(3)의 미단(3a)의 위치(X2)에서의 임피던스 비(%R) 및 임피던스 비 변화율(%R2)에 의거한 전압 기준의 보정치를 산출할 수 있다. 그리고, 이 값을 기점의 전압 기준치로부터 공제함으로써, 적절한 출력 전압의 목표치의 설정을 행할 수가 있다.

스텝 S12에서, 제어부(20)에 의해, 압연재(3)의 미단(3a)이 C형 에지 히터(30)의 구간을 벗어났는지의 여부를 판정한다. 판정의 방법은, 미단(3a)의 벗어나기 시작과 마찬가지로, 제어부(20)에서 위치 센서로부터의 정보를 취득함에 의해 행할 수 있다. 압연재(3)의 미단(3a)이 C형 에지 히터(30)의 구간을 벗어나지 않았다고 판정된 경우에는, 스텝 S8로 되돌아와, 상술한 동작을 반복한다.

본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)의 작용 및 효과에 관해, 비교례의 유도 가열 장치(100)와 비교하면서 설명한다.

도 5는, 비교례의 유도 가열 장치를 예시하는 블록도이다.

도 3의 최하단의 그래프 형식의 도면에서는, 비교례의 유도 가열 장치(100)의 동작의 상황이 정성적으로 도시되어 있다. 부하 임피던스의 값 및 압연재(3)의 반송 속도는, 4단째의 그래프 형식의 도면으로 도시되어 있는 본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)와 같다고 한다. 비교례의 유도 가열 장치(100)는, 본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)에 대해, 제어부(20)를 갖지 않는 점에서 상위하지만, 그 밖은 같고, 같은 구성 요소에 관해서는, 동일한 부호를 붙이고, 상세한 설명을 생략한다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 비교례의 유도 가열 장치(100)는, 전력 변환부(110)와, C형 에지 히터(30)를 갖고 있다. 전력 변환부(110)는, 주회로(11)와, 전압 기준 회로(12)와, 전압 검출부(13)와, 전류 검출부(14)와, 유효 전력 연산부(15)와, 과전압 검출부(17)를 포함하고 있다. 비교례의 유도 가열 장치(100)는, 본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)와 같은 제어부(20)를 갖지 않기 때문에, 유효 전력 연산부(15)의 출력 및 속도 검출부(16)의 출력은, 전압 기준 회로(12)에 접속되고, 다른 것에는 접속되지 않는다.

비교례의 유도 가열 장치(100)에서는, 도 3의 최하단의 그래프 형식의 도면에 도시하는 바와 같이, 부하 임피던스(ZL)는, 미단(3a)의 위치(X2)와 함께 상승한다. 이 때의 부하 임피던스(ZL)는, 본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)의 경우의 부하 임피던스(ZL)와 마찬가지로 추이 한다. 그러나, 비교례의 유도 가열 장치(100)에서는, 제어부(20)를 갖지 않기 때문에, 임피던스 비를 계산하고, 계산된 임피던스 비로부터 임피던스 비 변화율을 계산하고, 이 임피던스 비 변화율에 의거하여, 전압 기준치를 보정 하는 일이 없다. 그 때문에, 비교례의 유도 가열 장치(100)에서는, 부하 임피던스의 시간 변화에 의해, 출력 전압(Vout)은 급격하게 상승하는 출력 전압의 튀어오름 현상이 생긴다. 도면에서는 도시하고 있지 않지만, 튀어오름이 생긴 출력 전압(Vout)이 과전압 검출부(17)의 임계치를 초과한 경우에는, 전력 변환부(10)는 동작을 정지하고, 유도 가열 장치(100) 전체가 동작을 정지하여 버린다.

한편, 본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)에서는, 임피던스 연산부(21), 임피던스 변화율 연산부(22) 및 전압 기준 보정 연산부(23)를 갖는 제어부(20)를 구비하고 있기 때문에, 부하 임피던스의 변화율을 계산하여 부하 임피던스의 상승을 예측할 수 있다. 이 유도 가열 장치(1)에서는, 부하 임피던스의 상승으로부터 예측되는 출력 전압의 상승에 의거하여, 전압 기준치를 미리 저하시켜 둘 수 있기 때문에, 출력 전압이 과도적으로 상승하는 경우라도, 출력 전압의 상승을 방지할 수 있다.

본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)에서는, 설정된 출력 전압에 대한 임계치를 갖고 있기 때문에, 출력 전압의 설정치가 임계치보다도 충분히 작은 때에는, 출력 전압의 보상 동작을 행하지 않고서 제어 동작을 종료할 수 있다. 그 때문에, 제어부(20) 등의 동작 부담을 경감할 수 있다.

본 실시 형태의 유도 가열 장치(1)에서는, 설정된 임피던스 비 변화율의 임계치를 갖고 있기 때문에, 측정된 임피던스 비 변화율의 값이 임계치보다도 작은 때에는, 출력 전압의 보상 동작을 행하지 않고서 제어 동작을 종료할 수 있다. 그 때문에, 제어부(20)의 동작 부담을 경감할 수 있다. 또한, 계산 대상을 임피던스 비 및 그 변화율로 하고 있기 때문에, 압연재(3)의 반송 속도의 증감에 대한 변화를 고려한 보정치를 얻을 수 있다.

이상 설명한 실시 형태에 의하면, 과도적인 부하 임피던스의 변화가 생긴 경우라도 안정하게 동작을 계속할 수 있는 유도 가열 장치를 실현할 수 있다.

이상, 본 발명의 몇 가지의 실시 형태를 설명하였지만, 이들의 실시 형태는, 예로서 제시한 것이고, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태는, 기타의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지의 생략, 치환, 변경을 행할 수가 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허청구의 범위에 기재된 발명 및 그 등가물의 범위에 포함된다. 또한, 전술한 각 실시 형태는, 서로 조합시켜서 실시할 수 있다.

Claims

교류 또는 직류를 입력하여, 전압 기준 회로에 의해 출력 전압이 설정된 교류 전력을 출력하는 주회로를 포함하는 전력 변환부와,
압연재의 폭방향의 양측에 배치됨과 함께 상기 압연재의 반송 방향으로 이간하여 배치되고, 상기 전력 변환부로부터 공급되는 전류에 의해 상기 압연재에 유도 전류를 발생시켜서 가열하는 복수의 인덕터를 포함하는 히터부와,
상기 출력 전압 및 상기 전력 변환부의 출력 전류에 의거하여 임피던스를 계산하고, 상기 임피던스 및 상기 압연재의 반송 속도에 의거하여 임피던스의 시간 변화인 임피던스 변화율을 계산하고, 상기 임피던스 변화율에 의거하여 상기 전압 기준 회로의 설정을 보정하는 제어부를, 구비하고,
상기 전력 변환부는, 출력의 과전압을 검출하여 상기 주회로의 동작을 정지시키는 과전압 검출부를 포함하고,
상기 복수의 인덕터는, 상기 압연재의 선단이 최초에 입선(入線)하는 위치에 배치된 제1 인덕터 및 제2 인덕터와, 상기 압연재의 미단(尾端)이 최후에 출선(出線)하는 위치에 배치된 제3 인덕터 및 제4 인덕터를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 압연재의 미단이 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터와, 상기 제3 인덕터 및 상기 제4 인덕터와의 사이에 있을 때에, 상기 전압 기준 회로의 설정의 보정을 실행하여 상기 과전압 검출부에 의한 상기 주회로의 동작 정지를 억제하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는, 제1 임계치를 가지며, 상기 출력 전압이 상기 제1 임계치보다도 큰 때에 상기 전압 기준 회로의 설정을 보정 하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 제어부는, 제2 임계치를 가지며, 상기 임피던스 변화율이 상기 제2 임계치보다도 큰 때에 상기 전압 기준 회로의 설정을 보정 하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
삭제