KR102507173B1 - 인버터 장치 및 인버터 장치의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

출력 제어를 행하여도 인버터부의 출력 주파수가 공진 주파수로부터 벗어나는 일이 없고, 또한, 공진 주파수가 변동하는 부하로의 추종 특성을 개선한다. 공진 부하(200)에 접속하여 PWM 제어되는 전압형 인버터인 인버터 장치(10)에 있어서, 공진 부하(200)에 접속되어 인버터 구동 신호(Q, NQ)에 의해 구동되는 인버터부(106)와, 인버터부(106)의 동작을 제어하는 제어 수단(12)을 가지며, 제어 수단 (12)은 공진 부하(200)의 공진 주파수의 주기 보다 짧은 펄스 폭의 펄스 신호를 인버터 구동 신호(Q, NQ)로 하고, 공진 주파수 보다 떨어진 주파수를 기점으로 하여 인버터부(106)의 구동을 개시한 후에, 인버터 구동 신호(Q, NQ)의 주파수를 공진 주파수 또는 공진 주파수 근방까지 주파수 시프트 시켜서, 인버터 구동 신호(Q, NQ)의 주파수가 공진 주파수와 대략 일치하도록 제어한다.

Description

인버터 장치 및 인버터 장치의 제어 방법
본 발명은 인버터 장치 및 인버터 장치의 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 공진 부하에 접속하여 이용하는 인버터 장치 및 인버터 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 유도 가열 회로 등과 같은 공진 부하에 접속하는 전원 장치로서 인버터 장치가 알려져 있다.
종래, 이러한 인버터 장치에 있어서는, 인버터 회로를 가진 인버터부를 제어하는 인버터 제어부로서, 위상 동기(PLL : Phase Locked Loop) 회로에 의해 구성되는 인버터 제어부가 이용되고 있으며, 이 인버터 제어부에 의해 인버터부가 제어되고 있었다.
도 1 (a)(b)를 참조하면서, PLL 회로를 이용한 인버터 제어부에 의해 제어되는 종래로부터 공지된 인버터 장치에 대하여 설명한다.
또한, 도 1 (a)에는 PLL 회로를 이용한 인버터 제어부에 의해 제어되는 동시에, 공진 부하에 접속된 인버터 장치의 전체 구성을 나타내는 구성 설명도가 도시되어 있다.
또한, 도 1 (b)에는 도 1 (a)에 도시한 인버터 장치에 있어서 인버터 제어부의 상세한 구성 설명도가 나타나 있다.
도 1 (a)에 도시한 바와 같이, 인버터 장치(100)는 교류(AC) 전원(102)으로부터 공급되는 교류 전압을 소망하는 전압의 고주파 교류 전압으로 변환하여 유도 가열 회로 등과 같은 공진 부하(200)에 공급하는 것이다.
또한, 교류 전원(102)으로는, 예를 들면, 상용 교류 전원을 이용하는 것이 가능하며, 이 경우에는, 인버터 장치(100)는 상용 교류 전압을 고주파 교류 전압으로 변환하여 공진 부하(200)에 공급한다.
보다 상세하게는, 인버터 장치(100)는 교류 전원(102)으로부터 공급되는 교류 전압을 입력하여 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력하는 컨버터 회로를 가진 컨버터부(104)와, 컨버터부(104)로부터 출력된 직류 전압을 입력하여 고주파 교류 전압으로 역변환하여 출력하는 인버터 회로를 가진 인버터부(106)와, 인버터부(106)로부터의 출력(여기에서, 인버터부(106)로부터의 "출력"이란 인버터부(106)로부터 출력되는 전압인 "출력 전압(Vh)", 또는 인버터부(106)로부터 출력되는 전류인 "출력 전류(Ih)", 또는 인버터부(106)로부터 출력되는 전력인 "출력 전력"이다)을 검출하여 그 검출 결과를 출력 센서 신호로서 출력하는 출력 센서(108)와, 외부로부터 인버터부(106)의 출력을 설정하는 신호인 출력 설정 신호와 출력 센서(108)로부터 출력된 출력 센서 신호에 기초하여 컨버터부(104)가 변환하는 직류 전압을 피드백 제어하는 컨버터 제어부(110)와, 출력 센서(108)로부터 출력된 출력 센서 신호에 기초하여 인버터부(106)의 동작을 피드백 제어하는 PLL 회로(112a)(도 1 (b)를 참조한다)를 가진 인버터 제어부(112)를 가지고 구성되어 있다.
또한, 컨버터부(104)의 컨버터 회로는, 예를 들면, 사이리스터 정류 회로나 초퍼 회로 등에 의해 구성된다.
여기에서, 도 1 (b)에는 인버터 제어부(112)의 상세한 구성이 도시되어 있다. 인버터 제어부(112)에 있어서는 PLL 회로(112a)에 입력된 출력 센서 신호에 따라서, PLL 회로(112a)가 인버터부(106)를 구동하는 인버터 구동 신호인 방형파 인버터 구동 신호(Q, NQ)를 출력한다.
또한, 본 명세서 및 본 특허 청구 범위에 있어서는, "방형파 인버터 구동 신호(Q, NQ)"에 대하여 단순히 "인버터 구동 신호"라고 적절하게 칭한다.
이상의 구성에 있어서, 인버터 장치(100)에 있어서는 상용 교류 전원 등의 교류 전원(102)으로부터 교류 전압이 컨버터부(104)에 입력된다. 교류 전원(102)으로부터 교류 전압이 입력된 컨버터부(104)는 컨버터 제어부(110)로부터의 제어 신호에 따라 직류 전압을 가변 제어하여 인버터부(106)로 출력한다.
인버터부(106)는 컨버터부(104)로부터 출력되어 입력된 직류 전압을, 인버터 회로를 구성하는 트랜지스터의 ON(온)/OFF(오프)의 스위칭 동작에 의해 고주파 전압으로 변환하여 출력한다.
인버터 장치(100)에 있어서 인버터부(106)의 출력단에는 상기한 바와 같이 출력 센서(108)가 마련되어 있어, 출력 센서(108)는 인버터부(106)로부터의 출력(출력 전압(Vh) 또는 출력 전류(Ih) 또는 출력 전력이다)을 검출하며, 그 검출 결과를 출력 센서 신호로서 컨버터 제어부(110)와 인버터 제어부(112)로 출력한다.
컨버터 제어부(110)는 인버터부(106)의 출력을 출력 설정 신호에 따라 지시된 설정 레벨이 되도록 컨버터부(104)의 출력인 직류 전압 값을 가변하는 제어를 행한다.
여기에서, 인버터 제어부(112)는 PLL 회로(112a)에 의해 인버터부(106)의 출력 주파수가 공진 부하(200)의 공진 주파수가 되도록 자동 제어한다.
그런데, 공진 부하에 접속하는 인버터 장치에 있어서는, 고주파 전압과 고주파 전류의 위상 제어를 이용한 출력 제어 회로에 관련하여, 상기한 종래의 인버터 장치(100)에 있어서 나타낸 구성과 다른 몇 가지 방법이 이용되고 있다.
그렇지만, 종래로부터 이용되고 있는 어떠한 방법에 있어서도 출력 제어를 행하면 인버터부의 출력 주파수가 공진 주파수로부터 벗어나는 특성으로 되어, 실제 사용상의 과제였다는 문제점이 있었다.
한편, 저전력 기기에 사용하는 인버터 장치에 있어서는, 펄스 폭 변조(PWM : Pulse Width Modulation) 제어 방식에 의한 출력 제어도 이용되고 있다.
여기에서, 도 2에는 PWM 제어 방식에 의해 출력 제어가 행해지는 동시에 공진 부하에 접속된 인버터 장치의 전체 구성을 나타내는 구성 설명도가 나타나 있다.
또한, 이하의 설명에 있어서는 도 1 (a)(b)를 참조하면서 설명한 구성 및 작용과 동일 혹은 상당하는 구성 및 작용에 대해서는 도 1 (a)(b)에 있어서 이용한 부호와 동일한 부호를 각각 부여하여 나타냄으로써, 그 상세한 구성 및 작용의 설명은 생략한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 인버터 장치(300)는 교류 전원(102)으로부터 공급되는 교류 전압을 소망하는 전압의 고주파 교류 전압으로 변환하여 유도 가열 회로 등과 같은 공진 부하(200)에 공급하는 것이다 .
또한, 교류 전원(102)으로는, 상기한 인버터 장치(100)와 마찬가지로, 예를 들면, 상용 교류 전원을 이용하는 것이 가능하며, 이 경우에는 인버터 장치(10)는 상용 교류 전압을 고주파 교류 전압으로 변환하여 공진 부하(200)에 공급한다.
보다 상세하게는, 인버터 장치(300)는 교류 전원(102)으로부터 공급되는 교류 전압을 입력하여 다이오드에 의한 정류에 의해 직류 전압으로 변환하여 출력하는 컨버터부(302)와, 컨버터부(302)로부터 출력된 직류 전압을 입력하여 고주파 교류 전압으로 역변환 하여 출력하는 인버터 회로를 가진 인버터부(106)와, 인버터부(106)로부터의 출력(여기에서, 인버터부(106)로부터의 "출력"이란 인버터부(106)로부터 출력되는 전압인 "출력 전압(Vh)", 또는 인버터부(106)로부터 출력되는 전류인 "출력 전류(Ih)", 또는 인버터부(106)로부터 출력되는 전력인 "출력 전력"이다)을 검출하여 그 검출 결과를 출력 센서 신호로서 출력하는 출력 센서(108)와, 외부로부터 인버터부(106)의 출력을 설정하는 신호인 출력 설정 신호와 출력 센서(108)로부터 출력된 출력 센서 신호에 기초하여 인버터부(106)를 피드백 제어하는 PWM 제어부(304)를 가지고 구성되어 있다.
이상의 구성에 있어서, 도 3 (a)(b)(c)에 모식적으로 나타낸 파형도를 참조하면서 인버터 장치(300)의 동작에 대하여 설명한다.
여기에서, 도 3 (a)(b)(c)에 있어서,
파형 A : 인버터부(106)의 출력(출력 전압(Vh) 또는 출력 전류(Ih))
파형 B : 인버터부(106)의 출력(출력 전압(Vh) 또는 출력 전류(Ih))
파형 C : 인버터부(106)의 출력(출력 전압(Vh) 또는 출력 전류(Ih))
T : 인버터부(106)의 출력(출력 전압(Vh) 또는 출력 전류(Ih))의 기본파 성분의 1주기
T/4 : 인버터부(106)의 출력(출력 전압(Vh) 또는 출력 전류(Ih))의 기본파 성분의 1/4주기
tw : 인버터 구동 신호의 펄스 폭
이다.
인버터 장치(300)에 있어서는, PWM 제어부(304)의 PWM 제어에 의해 구동 개시 시(스타트 시)는 펄스 폭(tw)의 좁은 인버터 구동 신호(방형파 인버터 구동 신호(Q, NQ))에 의해 공진 주파수 근방으로 구동시키고(도 3 (a)), 인버터부(106)의 출력을 가변 제어하려면 PWM 제어부(304)의 PWM 제어에 의해 펄스 폭(tw)을 가변시켜서 인버터부(106)의 출력을 가변 제어한다.
예를 들면, 인버터부(106)의 출력을 상승시키려면, 도 3 (b) 및 도 3 (c)에 도시한 바와 같이, PWM 제어부(304)의 PWM 제어에 의해 펄스 폭(tw)을 넓히는 것으로 된다.
즉, 종래의 인버터 장치(300)에 있어서는, PWM 제어부(304)의 PWM 제어에 의해 스타트 시부터 PLL 회로 등을 이용하여 공진 주파수 근방으로 구동을 제어하여, 그 주파수 대역에서 PWM 제어를 행하고 있었다.
이 때문에, 종래의 인버터 장치(300)는 공진 주파수가 변동하는 부하로의 추종 특성이 떨어진다는 문제점이 있었다.
또한, 본원 출원인이 특허 출원 시에 알고 있는 선행기술은 문헌 공지 발명에 관한 발명이 아니므로, 본원 명세서에 기재해야 할 선행기술 문헌 정보는 없다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술에 있어서 여러 가지 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 것은 출력 제어를 행하여도 인버터부의 출력 주파수가 공진 주파수로부터 벗어나는 일이 없고, 또한 공진 주파수가 변동하는 부하로의 추종 특성을 개선한 인버터 장치 및 인버터 장치의 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 공진 부하에 접속하여 PWM 제어되는 전압형 인버터인 인버터 장치에 있어서, 공진 주파수 주기 보다 짧은 펄스 폭(예를 들면, 후술하는 "최저 펄스 폭"이다)의 펄스 신호(본 명세서 및 본 특허 청구 범위에 있어서는 "공진 주파수 주기 보다 짧은 펄스 폭의 펄스 신호"를 "좁은 폭 펄스 신호"라고 적절하게 칭한다)를 인버터 구동 신호로서 이용하여, 공진 주파수 보다 떨어진 주파수를 기점으로 하여 인버터부의 구동을 개시하고, 주파수 제어에 의해 인버터 구동 신호를 공진 주파수 또는 공진 주파수 근방까지 주파수 시프트 시켜서, 인버터 구동 신호의 주파수가 공진 주파수와 대략 일치하도록 제어하는 것이다.
그리고, 본 발명은 상기에 의해 인버터 구동 신호의 주파수가 공진 주파수와 대략 일치하도록 제어한 후에, PWM 제어에 의해 인버터 구동 신호의 펄스 폭을 넓게 함으로써, 인버터부의 출력(출력 전압 또는 출력 전류 또는 출력 전력이다)이 미리 설정된 값이 되도록 제어하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 출력 제어를 행하여도 인버터부의 출력 주파수가 공진 주파수로부터 벗어나는 일이 없고, 또한 공진 주파수가 변동하는 부하로의 추종 특성을 개선하는 것이 가능하게 된다.
즉, 본 발명에 있어서는 인버터 구동 신호의 구동 개시 시의 주파수를 공진 주파수로부터 떨어트리는 동시에, 해당 구동 개시 후에 인버터 구동 신호의 주파수가 공진 주파수가 되도록 의도적으로 주파수 시프트 하는 것에 의해, 공진 부하 측의 공진 주파수가 아무렇게 벗어나도 해당 주파수 시프트에 의해 자동으로 공진 주파수를 찾아내는 것이 가능하게 된다.
여기에서, 인버터 구동 신호의 주파수를 주파수 시프트 하는 영역(본 명세서 및 본 특허 청구 범위에 있어서는, "인버터 구동 신호의 주파수를 주파수 시프트 하는 영역"을 "주파수 시프트 영역"이라고 적절하게 칭한다)은 인버터 회로에 가장 적절한 다이오드 역회복 특성을 고려한 유도성 영역으로 결정하는 것이 바람직하다.
바꾸어 말하면, 공진 주파수 보다 떨어진 주파수의 기점은, 주파수 시프트 영역이 인버터 회로의 다이오드 역회복 특성에 기초하여 유도성 영역으로 되도록 결정하는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 공진 부하에 접속하여 PWM 제어되는 전압형 인버터인 인버터 장치에 있어서, 공진 부하에 접속되어 인버터 구동 신호에 따라 구동되는 인버터부와, 상기 인버터부의 동작을 제어하는 제어 수단을 가지며, 상기 제어 수단은, 상기 공진 부하의 공진 주파수의 주기 보다 짧은 펄스 폭의 펄스 신호를 상기 인버터 구동 신호로 하고, 상기 공진 주파수 보다 떨어진 주파수를 기점으로 하여 상기 인버터부의 구동을 개시한 후에, 상기 인버터 구동 신호의 주파수를 상기 공진 주파수 또는 상기 공진 주파수 근방까지 주파수 시프트 시켜서, 상기 인버터 구동 신호의 주파수가 상기 공진 주파수와 대략 일치하도록 제어하도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 짧은 펄스 폭은 상기 인버터부의 출력이 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 최저 설정 출력 값으로 되는 펄스 폭이도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 기점은 상기 주파수 시프트 하는 영역이 상기 인버터부를 구성하는 인버터 회로의 다이오드 역회복 특성에 기초하여 유도성 영역으로 되도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 공진 부하는 병렬 공진 부하이며, 상기 기점은 상기 공진 주파수 보다 낮은 주파수이도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 인버터부의 출력단에 인덕터를 접속한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 인덕터에 의한 전압 위상의 지연을 보정하는 지연 보정 수단을 가지도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 공진 부하는 직렬 공진 부하이며, 상기 기점은 상기 공진 주파수 보다 높은 주파수이도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 인버터부의 회로 지연을 보정하는 지연 보정 수단을 가지도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 공진 부하는 직렬 공진 부하이며, 상기 인버터부는 인버터 스위칭 소자에 있어서 프리휠 다이오드로서 SiC 다이오드를 이용하고, 상기 기점은 상기 공진 주파수 보다 낮은 주파수이도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 기점은 상기 공진 주파수의 주파수에 대하여 5% 이상 떨어진 주파수이도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 인버터 구동 신호의 주파수가 상기 공진 주파수와 대략 일치하도록 제어한 후에, PWM 제어에 의해 상기 인버터 구동 신호의 펄스 폭을 넓게 하도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 인버터부의 출력이 위상 검지가 가능하게 되는 출력 레벨로 된 것을 검지하는 최저 레벨 검지 수단을 가지도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 인버터부의 출력이 위상 검지가 가능하게 되는 출력 레벨의 주파수로 된 것을 검지하는 주파수 검지 수단을 가지도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 인버터 장치의 출력 단자와 병렬 공진 콘덴서 박스를 공냉 동축 케이블로 접속하고, 상기 병렬 공진 콘덴서 박스에 변류기를 접속하며, 가열 코일에 고주파 전류를 전송하도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치는, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치에 있어서, 상기 공진 부하는 유도 가열용의 가열 코일과 공진 콘덴서로 이루어진 공진 회로에 의해 구성되도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 공진 부하에 접속하여 PWM 제어되는 전압형 인버터인 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 공진 부하의 공진 주파수의 주기 보다 짧은 펄스 폭의 펄스 신호를 인버터 구동 신호로 하고, 상기 공진 주파수 보다 떨어진 주파수를 기점으로 하여 인버터부의 구동을 개시한 후에, 상기 인버터 구동 신호의 주파수를 상기 공진 주파수 또는 상기 공진 주파수 근방까지 주파수 시프트 시켜서, 상기 인버터 구동 신호의 주파수가 상기 공진 주파수와 대략 일치하도록 제어하도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 짧은 펄스 폭은 상기 인버터부의 출력이 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 최저 설정 출력 값으로 되는 펄스 폭이도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 기점은 상기 주파수 시프트 하는 영역이 상기 인버터부를 구성하는 인버터 회로의 다이오드 역회복 특성에 기초하여 유도성 영역으로 되도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 공진 부하는 병렬 공진 부하이며, 상기 기점은 상기 공진 주파수 보다 낮은 주파수이도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 인버터부의 출력단에 인덕터를 접속하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 인덕터에 의한 전압 위상의 지연을 보정하도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 공진 부하는 직렬 공진 부하이며, 상기 기점은 상기 공진 주파수 보다 높은 주파수이도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 인버터부의 회로 지연을 보정하도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 공진 부하는 직렬 공진 부하이며, 상기 인버터부는 인버터 스위칭 소자에 있어서 프리휠 다이오드로서 SiC 다이오드를 이용하고, 상기 기점은 상기 공진 주파수 보다 낮은 주파수이도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 기점은 상기 공진 주파수의 주파수에 대하여 5% 이상 떨어진 주파수이도록 한 것이다 .
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 인버터 구동 신호의 주파수가 상기 공진 주파수와 대략 일치하도록 제어한 후에, PWM 제어에 의해 상기 인버터 구동 신호의 펄스 폭을 넓게 하도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 인버터부의 출력이 위상 검지가 가능하게 되는 출력 레벨로 된 것을 검지하도록 한 것에 있다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 인버터부의 출력이 위상 검지가 가능하게 되는 출력 레벨의 주파수로 된 것을 검지하도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 인버터 장치의 출력 단자와 병렬 공진 콘덴서 박스를 공냉 동축 케이블로 접속하고, 상기 병렬 공진 콘덴서 박스에 변류기를 접속하여, 가열 코일에 고주파 전류를 전송하도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법은, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 공진 부하는 유도 가열용의 가열 코일과 공진 콘덴서로 이루어진 공진 회로에 의해 구성되도록 한 것이다.
본 발명은 이상 설명한 바와 같이 구성되어 있으므로, 출력 제어를 행하여도 인버터부의 출력 주파수가 공진 주파수로부터 벗어나는 일이 없고, 또한 공진 주파수가 변동하는 부하로의 추종 특성을 개선하는 것이 가능하게 된다는 뛰어난 효과를 나타낸다.
도 1 (a)(b)는 PLL 회로를 이용하여 제어되는 종래로부터 공지된 인버터 장치의 구성 설명도이다. 보다 상세하게는, 도 1 (a)는 PLL 회로를 이용한 인버터 제어부에 의해 제어되는 동시에 공진 부하에 접속된 인버터 장치의 전체 구성을 나타내는 구성 설명도이다. 또한, 도 1 (b)는 도 1 (a)에 나타낸 인버터 장치에 있어서 인버터 제어부의 상세한 구성 설명도이다.
도 2는 PWM 제어 방식에 의해 출력 제어가 행해지는 동시에 공진 부하에 접속된 종래로부터 공지된 인버터 장치의 전체 구성을 나타내는 구성 설명도이다.
도 3 (a)(b)(c)는 도 2에 도시한 인버터 장치에 있어서 동작을 나타내는 모식적인 파형도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치의 구성 설명도이다. 보다 상세하게는, 도 4는 제어부에 의해 제어되는 동시에 공진 부하에 접속된 인버터 장치의 전체 구성을 나타내는 구성 설명도이다.
도 5는 도 4에 도시한 인버터 장치에 있어서 제어부의 상세한 구성 설명도이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치의 구성 설명도이다. 보다 상세하게는, 도 6은 제어부에 의해 제어되는 동시에 병렬 공진 부하에 접속된 인버터 장치의 전체 구성을 나타내는 구성 설명도이다.
도 7 (a)(b)(c)(d)(e)는 도 6에 도시한 인버터 장치에 있어서 동작을 나타내는 모식적인 파형도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치의 구성 설명도이다. 보다 상세하게는, 도 8은 제어부에 의해 제어되는 동시에 직렬 공진 부하에 접속된 인버터 장치의 전체 구성을 나타내는 구성 설명도이다.
도 9 (a)(b)(c)(d)(e)는 도 8에 도시한 인버터 장치에 있어서 동작을 나타내는 모식적인 파형도이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치에 있어서 제어부의 구성 설명도이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치에 있어서 제어부의 구성 설명도이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치의 구성 설명도이다. 보다 상세하게는, 도 12는 제어부에 의해 제어되는 동시에 직렬 공진 부하에 접속된 인버터 장치의 전체 구성을 나타내는 구성 설명도이다.
도 13은 도 12에 도시한 인버터 장치에 있어서 인버터부의 확대 설명도이다.
도 14 (a)는 공진 부하에 접속되는 본 발명에 따른 인버터 장치를 이용한 전원 구성을 모식적으로 나타낸 구성 설명도이다. 또한, 도 14 (b)는 직렬 공진 부하에 접속되는 종래 기술에 따른 인버터 장치를 이용한 전원 구성을 모식적으로 나타낸 구성 설명도이다. 또한, 도 14 (c)는 병렬 공진 부하에 접속되는 종래 기술에 따른 인버터 장치를 이용한 전원 구성을 모식적으로 나타낸 구성 설명도이다.
도 15 (a)(b)는 공진 부하의 일 예로서 유도 가열용 공진 부하를 나타내는 구성 설명도이다. 보다 상세하게는, 도 15 (a)는 직렬 공진 부하의 경우인 유도 가열용 직렬 공진 부하를 나타내는 구성 설명도이다. 도 15 (b)는 병렬 공진 부하의 경우인 유도 가열용 병렬 공진 부하를 나타내는 구성 설명도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 인버터 장치 및 인버터 장치의 제어 방법의 실시 형태의 일 예를 상세하게 설명하는 것으로 한다.
또한, 이하의 "발명을 실시하기 위한 형태" 항목의 설명에 있어서는, 도 1 (a)(b), 도 2 및 도 3 (a)(b)(c)의 각 도면을 참조하면서 설명한 구성 및 작용, 혹은 도 4 이하의 각 도면을 참조하면서 설명하는 구성 및 작용과 동일 혹은 상당하는 구성 및 작용에 대해서는, 도 1 (a)(b), 도 2 및 도 3 (a)(b)(c) 혹은 도 4 이하에 있어서 이용한 부호와 동일한 부호를 각각 부여하여 도시함으로써, 그 상세한 구성 및 작용의 설명은 생략한다.
(I) 제1 실시 형태
(I-1) 구성
도 4에는 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치의 구성 설명도가 나타나 있다. 또한, 도 4에는 제어부에 의해 제어되는 동시에 공진 부하에 접속된 인버터 장치의 전체 구성이 나타나 있다.
또한, 도 5에는 도 4에 도시한 인버터 장치에 있어서 제어부의 상세한 구성 설명도가 나타나 있다.
이러한 도 4 및 도 5를 참조하면서, 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치(10)에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치(10)는, 공진 부하(200)에 접속하는 PWM 제어의 전압형 인버터이다.
즉, 인버터 장치(10)는, 교류 전원(102)으로부터 공급되는 교류 전압을 소망하는 전압의 고주파 교류 전압으로 변환하여, 유도 가열 회로 등과 같은 공진 부하(200)에 공급하는 것이다.
또한, 교류 전원(102)으로는, 종래의 인버터 장치(100)와 마찬가지로, 예를 들면, 상용 교류 전원을 이용하는 것이 가능하며, 그 경우에는, 인버터 장치(10)는 상용 교류 전압을 고주파 교류 전압으로 변환하여 공진 부하(200)에 공급한다.
보다 상세하게는, 인버터 장치(10)는, 교류 전원(102)으로부터 공급되는 교류 전압을 입력하여 다이오드에 의한 정류에 의해 직류 전압으로 변환하여 출력하는 컨버터부(302)를 구비하고 있다.
즉, 인버터 장치(10)의 컨버터부(302)는, 컨버터 제어부를 사용하지 않는 다이오드 정류 회로로 구성되어 있으며, 교류 전원(102)으로부터 교류 전압이 입력되고, 입력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 인버터부(106)로 출력한다.
인버터부(106)는, 컨버터부(302)로부터 출력된 직류 전압을 입력하여 고주파 교류 전압으로 역변환 하여 출력한다.
인버터부(106)의 출력단에는, 인버터부(106)로부터의 출력(여기에서, 인버터부(106)로부터의 "출력"이란 인버터부(106)로부터 출력되는 전압인 "출력 전압(Vh)", 또는 인버터부(106)로부터 출력되는 전류인 "출력 전류(Ih)", 또는 인버터부(106)로부터 출력되는 전력인 "출력 전력"이다)을 검출하고 그 검출 결과를 출력 센서 신호로 하여 출력하는 출력 센서(108)가 마련되어 있다.
인버터 장치(10)는, 인버터부(106)의 동작을 제어하는 제어 수단으로서 제어부(12)를 구비하고 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제어부(12)는 PWM 제어부(12a)와 주파수 시프트 제어부(12b)를 가지고 구성되어 있다.
제어부(12)는, 외부로부터 인버터부(106)의 출력을 설정하는 신호인 출력 설정 신호와 출력 센서(108)로부터 출력된 출력 센서 신호에 기초하여 인버터부(106)를 피드백 제어한다.
즉, 제어부(12)는 인버터부(106)로부터의 출력이 출력 설정 신호가 나타내는 출력 설정 값이 되도록, PWM 제어부(12a)의 PWM 제어에 의해 인버터부(106)를 구성하는 전압형 인버터의 트랜지스터를 구동하는 인버터 구동 신호인 방형파 인버터 구동 신호(Q, NQ)의 펄스 폭을 가변하여, 인버터부(106)에서 변환된 고주파 교류 전압의 출력을 가변한다.
또한, 인버터부(106)로부터의 출력은 출력 센서(108)를 매개로 하여 외부의 공진 부하(200)에 입력된다.
(I-2) 동작
이상의 구성에 있어서, 인버터 장치(10)의 제어부(12)는, 본 발명의 실시에 관련하는 동작으로서 이하에 설명하는 동작을 행한다.
즉, 인버터 장치(10)로부터의 출력을 개시하는 구동 개시 시(스타트 시)는, 공진 주파수 주기 보다 충분히 짧은 펄스 폭, 예를 들면, 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 최저 설정 출력 값(출력 전압 또는 출력 전류 또는 출력 전력이다)으로 되는 펄스 폭(본 명세서 및 본 특허 청구에 있어서는 "외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 최저 설정 출력 값으로 되는 펄스 폭"을 "최저 펄스 폭"이라 적절하게 칭한다)이며, 또한, 공진 부하(200)의 공진 주파수 보다 떨어진 주파수를 기점으로 하는 방형파 인버터 구동 신호(Q, NQ)에 의해 구동 개시(스타트) 시킨다.
이에 따라, 공진 부하(200)의 공진 주파수가 변동하여도, 구동 개시 시(스타트 시)로부터 제어부(12)의 주파수 시프트 제어부(12b)에 의한 방형파 인버터 구동 신호(Q, NQ)의 주파수를 공진 주파수로 시프트 하는 주파수 시프트에 의해, 변동하는 공진 주파수로의 자동 추종이 가능하게 된다.
그리고, 인버터 장치(10)에 있어서는, 제어부(12)의 PWM 제어부(12a)가, 방형파 인버터 구동 신호(Q, NQ)의 주파수가 공진 주파수(공진점) 또는 공진 주파수 근방으로 된 후에, 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 출력으로 되도록, PWM 제어에 의해 방형파 인버터 구동 신호(Q, NQ)의 펄스 폭을 넓힌다.
즉, 인버터 장치(10)는, 인버터 구동 신호인 방형파 인버터 구동 신호(Q, NQ)로서 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 최저 설정 출력 값(출력 전압 또는 출력 전류 또는 출력 전력이다)을 출력하는 동시에 공진 주파수 주기 보다 충분히 짧은 펄스 폭(예를 들면, 상기한 최저 펄스 폭이다)의 펄스 신호(좁은 폭 펄스 신호)를 이용하고, 그 좁은 폭 펄스 신호를 공진 주파수 보다 떨어진 주파수를 기점으로 스타트 시킴으로써 공진 주파수 또는 공진 주파수 근방까지 주파수를 시프트 시킨 후, 주파수 제어에 의해 공진 주파수로 제어한다.
그 후에, 인버터 장치(10)는 PWM 제어에 의해 좁은 폭 펄스 신호의 펄스 폭을 넓게 하고, 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 출력(출력 전압 또는 출력 전류 또는 출력 전력이다)으로 되도록 한다.
(I-3) 작용 효과
따라서, 상기에 있어서 설명한 인버터 장치(10)에 따르면, 출력 제어를 행하여도 인버터부의 출력 주파수가 공진 주파수로부터 벗어나는 일이 없고, 또한 공진 주파수가 변동하는 부하로의 추종 특성을 개선하는 것이 가능하다.
또한, 상기에 있어서 설명한 인버터 장치(10)에 있어서는, 인버터부(106)에 있어서 출력 제어가 가능하기 때문에, 종래 기술과 같이 컨버터부의 컨버터 회로로서 사이리스터 정류 회로나 초퍼 회로를 사용하지 않는다.
이 때문에, 인버터 장치(10)는 사이리스터 정류 회로나 초퍼 회로를 사용하는 종래 기술과 비교하면, 전원 역률의 개선, 출력 응답 속도의 대폭적인 개선(본원 발명자의 실험에 따르면, 응답 속도는 종래 기술에 있어서 100ms로부터 10ms로 큰 폭으로 개선되었다), 부품 수의 대폭 삭감에 따른 비용 저감 및 신뢰성 향상을 도모하는 것이 가능하게 된다.
또한, 인버터 장치(10)는 인버터 구동 신호의 구동 개시 시(스타트 시)의 주파수인 스타트 주파수를 공진 주파수 보다 떨어진 주파수로 하고, 그에 따라 인버터 구동 신호의 주파수를 공진 주파수에 가까워지도록 주파수 시프트 시키기 때문에, 공진 주파수가 변동하는 공진 부하(200)로의 추종 특성이 큰 폭으로 개선되고, 또한 공진 주파수가 다른 복수의 공진 부하(200)를 절환하여 접속하는 경우에도 문제없이 대응하는 것이 가능하다.
추가로, 공진 부하(200)가 병렬 공진 부하이어도 직렬 공진 부하이어도 동일 전압형 인버터로 하여 사용하는 것이 가능하므로, 인버터 장치의 공통화를 도모하는 것이 가능하도록 된다.
여기에서, 주파수 시프트 제어부(12b)에 의해 주파수 시프트 하는 영역(주파수 시프트 영역)은 인버터 회로에 가장 적절한 다이오드 역회복 특성을 고려한 유도성 영역으로 결정하는 것이 바람직하다.
바꾸어 말하면, 스타트 주파수는, 주파수 시프트 영역이 인버터 회로의 다이오드 역회복 특성에 기초하여 유도성 영역으로 되도록 결정하는 것이 바람직하다.
본원 발명자에 의한 실험에 따르면, 인버터 구동 신호의 구동 개시 시(스타트 시)의 주파수인 스타트 주파수로는, 공진 주파수의 주파수에 대하여 5% 이상 떨어진 주파수(예를 들면, 공진 주파수가 20kHz라고 하면, 공진 주파수의 주파수에 대하여 5% 이상 떨어진 주파수는 19kHz 이하의 주파수 또는 21kHz 이상의 주파수로 된다)로 하면 양호한 결과가 얻어졌다.
또한, 스타트 주파수를 공진 주파수의 주파수에 대하여 5% 이상 떨어진 주파수로 하는 경우, 즉, 스타트 주파수를 공진 주파수의 주파수로부터 5% 이상 떨어트린 경우에는, 공진 주파수의 저역 측(공진 주파수 보다도 낮은 주파수 방향)으로 떨어져도 좋고(예를 들면, 공진 주파수가 20kHz라고 하면, 공진 주파수의 저역 측으로 5% 이상 떨어진 주파수는 19kHz 이하의 주파수로 된다), 혹은 공진 주파수의 고역 측(공진 주파수 보다도 높은 주파수 방향)으로 떨어져도 좋다(예를 들면, 공진 주파수가 20kHz라고 하면, 공진 주파수의 고역 측으로 5% 이상 떨어진 주파수는 21kHz 이상의 주파수로 된다).
또한, 본원 발명자의 연구 결과에 따르면, 상기한 본 발명에 따른 인버터 장치(10)와 같이, 스타트 주파수를 공진 주파수의 주파수로부터 떨어지도록 하고(예를 들면, 공진 주파수의 주파수에 대하여 5% 이상 떨어지도록 한다), 해당 스타트 주파수로부터 좁은 폭 펄스 신호에 따라 인버터부의 구동을 개시한 후에, 해당 좁은 폭 펄스 신호를 공진 주파수로 주파수 시프트 시키고, 그 후에 공진 주파수에 좁은 폭 펄스 신호의 펄스 폭을 넓히는 PWM 제어를 개시 시키도록 하는 종래 기술은 존재하지 않는다.
(II) 제2 실시 형태
(II-1) 구성
도 6에는, 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치의 구성 설명도가 나타나 있다. 또한, 도 6에는 제어부에 의해 제어되는 동시에 병렬 공진 부하에 접속된 인버터 장치의 전체 구성이 나타나 있다.
도 6을 참조하면서 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치(20)에 대하여 설명하면, 인버터 장치(20)는 병렬 공진 부하(22)에 접속되어 있다.
그런데, 병렬 공진 부하에서는 공진 주파수 보다 주파수가 낮은 범위에서는 유도성으로 되는 특성이 있으며, 한편, 전압형 인버터는 인버터 소자에 병렬로 접속되어 있는 다이오드의 전류 역회복 특성 보다 유도성에서의 스위칭 동작은 용량성에 비교하여 안정된 것으로 알고 있다.
따라서, 본 발명에 따른 인버터 장치(20)는, 병렬 공진 회로(22)의 공진 주파수 보다도 낮은 주파수(예를 들면, 공진 주파수 보다 5% 이상 낮은 주파수이다)를 인버터 구동 신호의 스타트 주파수로 하고, 이 스타트 주파수로부터 주파수 시프트 시켜 인버터 구동 신호의 주파수를 공진 주파수까지 상승시키고, 공진 주파수에서 인버터 구동 신호의 주파수를 로크 시키도록 하고 있다.
이하에서, 인버터 장치(20)에 대하여 설명하면, 부호 24는 인덕터이며, 부호 26은 전압 센서이고, 부호 28은 제어부이다.
또한, 전압 센서(26)는, 상기한 출력 센서(108)에 상당하는 구성 요소이며, 전압을 검지하고, 출력 센서 신호로서 검지한 전압을 나타내는 신호를 출력한다.
제어부(28)는 주파수 시프트 회로(30)와, 전압 제어 발진기(VCO : Voltage-controlled oscillator) 회로(32)와, 좁은 폭 펄스 신호 발생 회로(34)와, 출력 회로(36)와, 위상 비교 회로(38)와, 지연 설정 회로(40)와, 로크 완료 회로(42)와, 검파 회로(44)와, 오차 앰프 필터(46)와, 삼각파 발생 회로(48)와, PWM 회로(50)를 가지고 구성되어 있다.
여기에서, 인버터 장치(20)는, 본 발명의 실시에 관련하여 제어부(28)가 주파수 시프트 회로(30)를 구비하고 있어 인버터 구동 신호의 주파수를 주파수 시프트 한다는 점과 신호 절환한다는 점을 제외하고, 종래로부터 공지된 인버터 장치의 기술을 적용하는 것이 가능하므로, 인버터 구동 신호의 주파수를 주파수 시프트 한다는 점과 신호 절환한다는 점을 제외한 다른 구성에 관한 상세한 설명은 생략한다.
(II-2) 동작
이상의 구성에 있어서, 인버터 장치(20)의 동작에 대하여 본 발명의 실시에 관련된 제어부(28)의 동작을 중심으로 설명한다.
제어부(28)에 있어서는, 외부로부터의 출력 온(ON) 신호를 주파수 시프트 회로(30)에 입력하고, 병렬 공진 부하(22)의 공진 주파수 보다 낮은 주파수(예를 들면, 공진 주파수 보다 5% 이상 낮은 주파수이다)로부터 인버터부(106)의 구동을 개시하도록 VCO 회로(32)에 신호를 출력하며, VCO 회로(32)의 출력으로부터의 주파수 신호는 좁은 폭 펄스 신호 발생 회로(34)에 입력되고, VCO 회로(32)의 출력 주파수의 좁은 폭 펄스 신호가 좁은 폭 펄스 신호 발생 회로(34)에 의해 발생되어 출력 회로(36)로 출력된다. 출력 회로(36)에서는, 로크 완료 회로(42)의 신호에 따라, 좁은 폭 펄스 신호 발생 회로(34)의 신호로부터 PWM 회로(50)의 신호로 절환된다.
여기에서, 좁은 폭 펄스 신호 발생 회로(34)에 의해 발생되는 좁은 폭 펄스 신호의 펄스 폭은, 인버터부(106)로부터 출력되는 출력 값이 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 최저 설정 출력 값(출력 전압 또는 출력 전류 또는 출력 전력이다)이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
도 7 (a)(b)(c)(d)(e)에는 인버터 장치(20)에 있어서 동작을 모식적으로 나타내는 파형도가 나타나 있다.
또한, 도 7 (a)(b)(c)(d)(e)에 있어서, 파형 D, 파형 E, 파형 F, 파형 G 및 파형 H는 전압 센서(26)에 의해 검지된 전압(콘덴서 전압(Vc)) 파형이다.
도 7 (a)는 구동 개시 시(스타트 시)의 스타트 주파수에 있어서 인버터부(106)의 출력으로서 전압 센서(26)에 의해 검지된 전압(콘덴서 전압(Vc)) 파형(파형 D)과 인버터 구동 신호인 좁은 폭 펄스 신호의 위상차를 나타낸다.
인버터 장치(20)에 병렬 공진 부하(22)가 접속되어 있는 경우에는, 공진 주파수 이하의 주파수 영역에서는 인버터 구동 신호의 위상은 콘덴서 전압(Vc)의 위상 보다 지연되는 것으로 알고 있다.
여기에서, 위상 비교 회로(38)에 있어서, 인버터 구동 신호의 펄스 주기의 1/4 지연된 위치인 A점을 위상 검파 펄스의 펄스 위치로 하고, 비교하는 콘덴서 전압(Vc) 위상 파형(파형 E)의 제로 크로스 점을 B점으로 하며(도 7 (b)를 참조한다), A점과 B점의 위상차를 비교하고, 위상차가 제로(0) 또는 미리 설정되어 있는 위상차로 되는 주파수에서 로크 한다(도 7 (c)를 참조한다).
한편, 전압 센서(26)로부터의 파형 신호와 VCO 회로(32)로부터의 주파수 신호를 위상 비교 회로(16)에 입력하여 각각의 위상을 비교하고, 공진 주파수가 되도록 VCO 회로(32)의 주파수를 제어한다.
구체적으로는, 공진 주파수로부터 떨어진 주파수, 예를 들면, 공진 주파수 보다 5% 이상 낮은 주파수를 스타트 주파수로 하는 좁은 폭 펄스 신호의 인버터 구동 신호에 따라 인버터부(106)의 구동을 개시하고(도 7 (a)를 참조한다), 해당 인버터 신호의 주파수를 주파수 시프트 하여 상승 시킨다(도 7 (b)를 참조한다).
그리고, 위상 비교 회로(38)에 의해 인버터 구동 신호의 주파수를 공진 주파수로 로크 시켜(도 7 (c)를 참조한다), 로크 완료 회로(42)가 로크 완료를 검지하여 출력 회로(36)로 신호를 출력한다. 이 신호에 따라, 출력 회로(36)로부터는 좁은 폭 펄스 신호로부터 PWM 제어에 의해 펄스 폭(tw)이 넓어진 인버터 구동 신호가 출력되고, 인버터부(106)의 출력이 출력 설정 신호에 따라 설정된 설정 값의 출력까지 상승한다(도 7 (d)(e)를 참조한다).
즉, 인버터 장치(20)는 공진 부하로서 병렬 공진 부하(22)를 접속하고, 인버터 구동 신호인 방형파 인버터 구동 신호(Q, NQ)로 하여 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 최저 설정 출력 값(출력 전압 또는 출력 전류 또는 출력 전력이다)을 출력하는 공진 주파수 주기 보다 충분히 짧은 펄스 폭의 펄스 신호(좁은 폭 펄스 신호)를 이용하며, 그 좁은 폭 펄스 신호를 공진 주파수 보다 떨어진 주파수(예를 들면, 공진 주파수 보다 5% 이상 낮은 주파수이다)를 기점으로 스타트 시킴으로써 공진 주파수 또는 공진 주파수 근방까지 주파수를 상승시키는 주파수 시프트에 의한 주파수 제어를 행하며, 인버터 구동 신호의 주파수를 공진 주파수로 제어한다.
그 후에, 인버터 장치(20)는, PWM 제어에 의해 좁은 폭 펄스 신호의 펄스 폭을 넓게 하고, 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 출력(출력 전압 또는 출력 전류 또는 출력 전력이다)으로 되도록 한다.
(II-3) 작용 효과
따라서, 인버터 장치(20)에 있어서도, 인버터 장치(10)에 관하여 상기 (I-3)에 있어서 설명한 바와 동일한 작용 효과가 얻어진다.
(II-4) 제2 실시 형태에 있어서 그 외의 특징적인 구성
(가) 인버터 장치(20)에 있어서는, 인버터부(106)의 출력단, 즉 인버터부(106)와 전압 센서(26)의 사이에 고조파(高調波) 전류를 방지하는 인덕터(24)가 접속되어 있다.
즉, 인버터 장치(20)에 있어서는, 병렬 공진 부하(22)에 전압형 인버터인 인버터부(106)를 접속한 경우에, 방형파 전압의 고조파 성분의 전압에 의해 고조파 전류가 흐르므로, 이를 방지하기 위한 인덕터(24)를 인버터부(106)의 출력단에 직렬 접속하고 있다.
인버터부(106)의 출력 전압은 방형파로 되지만, 방형파는 사인파와 홀수 고조파의 합성 파형으로 이루어지는 것은 일반적으로 알려져 있으며, 방형파 그대로 병렬 공진 부하(22)에 접속하면 홀수 고조파 성분은 주파수가 높기 때문에 콘덴서의 리액턴스가 작아지게 되어, 고조파 전류가 증대하여 전류 파형 왜곡을 일으키거나, 인버터부(106)의 스위칭 소자인 트랜지스터의 손실 악화 등을 초래한다.
이 때문에, 이러한 고조파 전류를 억제할 목적으로, 인버터 장치(20)에는 인버터부(106)의 출력단에 인덕터(24)가 접속되어 있다.
(나) 인버터 장치(20)의 제어부(28)에 있어서는, VCO 회로(32)로부터의 출력 신호를 위상 비교 회로(38)에 입력하여 위상 비교를 행하는 경우에, 신호 지연 시간을 설정하기 위한 지연 설정 회로(40)를 마련하고 있다.
즉, 인버터 장치(20)에 있어서는, 병렬 공진 부하(22)에 전압형 인버터인 인버터부(106)를 접속한 경우에, 방형파 전압의 고조파 성분의 전압에 의해 고조파 전류가 흐르므로, 이를 방지하기 위해 인덕터(24)를 직렬 접속하였지만, 이 인덕터(24)의 직렬 접속에 의한 인덕터 성분에 의해 공진 시의 전압 위상에 지연이 발생한다.
인버터 장치(20)의 제어부(28)에 있어서는, 이 전압 위상의 지연을 보정하기 위하여, 위상 비교 회로(38)에 입력하는 구동 측의 펄스 위상을 지연시키는 지연 설정 회로(40)를 마련하여 지연 보정을 행하고 있다.
(III) 제3 실시 형태
(III-1) 구성
도 8에는 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치의 구성 설명도가 나타나 있다. 또한, 도 8에는 제어부에 의해 제어되는 동시에 직렬 공진 부하에 접속된 인버터 장치의 전체 구성이 나타나 있다.
도 8을 참조하면서 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치(60)에 대하여 설명하면, 인버터 장치(60)는 직렬 공진 부하(62)에 접속되어 있다.
그런데, 직렬 공진 부하에서는 공진 주파수 보다 주파수가 높은 범위에서는 유도성으로 되는 특성이 있고, 한편, 전압형 인버터는 인버터 소자에 병렬로 접속되어 있는 다이오드의 전류 역회복 특성보다, 유도성으로의 스위칭 동작은 용량성에 비교하여 안정적인 것으로 알고 있다.
따라서, 본 발명에 따른 인버터 장치(60)는, 직렬 공진 회로(22)의 공진 주파수 보다도 높은 주파수(예를 들면, 공진 주파수 보다 5% 이상 높은 주파수이다)를 인버터 구동 신호의 스타트 주파수로 하고, 이 스타트 주파수로부터 주파수 시프트 시켜서 인버터 구동 신호의 주파수를 공진 주파수까지 하강시키고, 공진 주파수에서 인버터 구동 신호의 주파수를 로크 시키도록 하고 있다.
이하에, 인버터 장치(60)에 대하여 설명하면, 부호 64는 전류 센서이며, 부호 66은 직렬 공진 부하(62)의 공진 콘덴서이다.
또한, 전류 센서(64)는 상기한 출력 센서(108)에 상당하는 구성 요소이며, 전류를 검지하고, 출력 센서 신호로서 검지한 전류를 나타내는 신호를 출력한다.
제어부(28)의 구성은, 상기에 있어서 설명한 인버터 장치(20)에 있어서의 구성과 마찬가지 이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
(III-2) 동작
이상의 구성에 있어서, 인버터 장치(60)의 동작에 대하여, 본 발명의 실시에 관련한 제어부(28)의 동작을 중심으로 설명한다.
제어부(28)에 있어서는, 외부로부터의 출력 온(ON) 신호를 주파수 시프트 회로(30)에 입력하고, 직렬 공진 부하(62)의 공진 주파수 보다 높은 주파수(예를 들면, 공진 주파수 보다 5% 이상 높은 주파수이다)로부터 인버터부(106)의 구동을 개시하도록 VCO 회로(32)에 신호를 출력하며, VCO 회로(32)의 출력으로부터의 주파수 신호는 좁은 폭 펄스 신호 발생 회로(34)에 입력되고, VCO 회로(32)의 출력 주파수의 좁은 폭 펄스 신호가 좁은 폭 펄스 신호 발생 회로(34)에 의해 발생되어 출력 회로(36)로 출력된다. 출력 회로(36)에서는, 로크 완료 회로(42)의 신호에 따라, 좁은 폭 펄스 신호 발생 회로(34)의 신호로부터 PWM 회로(50)의 신호로 절환된다.
여기에서, 좁은 폭 펄스 신호 발생 회로(34)에 의해 발생되는 좁은 폭 펄스 신호의 펄스 폭은, 인버터부(106)로부터 출력되는 출력 값이 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 최저 설정 출력 값(출력 전압 또는 출력 전류 또는 출력 전력이다)으로 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
도 9 (a)(b)(c)(d)(e)에는 인버터 장치(60)에 있어서의 동작을 모식적으로 나타내는 파형도가 나타나 있다.
또한, 도 9 (a)(b)(c)(d)(e)에 있어서, 파형 I, 파형 J, 파형 K, 파형 L 및 파형 M은 전류 센서(64)에 의해 검지된 전류(출력 전류) 파형이다.
도 9 (a)는 구동 개시 시(스타트 시)의 스타트 주파수에 있어서 인버터부(106)의 출력으로서 전류 센서(64)에 의해 검지된 전류(출력 전류) 파형(파형 I)과 인버터 구동 신호인 좁은 폭 펄스 신호의 위상차를 나타낸다.
인버터 장치(60)에 직렬 공진 부하(62)가 접속되어 있는 경우에는, 공진 주파수 이상의 주파수 영역에서는 출력 전류의 위상은 인버터 구동 신호의 위상 보다 지연되는 것으로 알고 있다.
여기에서, 위상 비교 회로(38)에 있어서, 인버터 구동 신호의 펄스 주기의 1/4 지연된 위치인 C점을 위상 검파 펄스의 펄스 위치로 하고, 비교하는 출력 전류 위상 파형(파형 J)의 제로 크로스 점을 D점으로 하며(도 9 (b)를 참조한다), C점과 D점의 위상차를 비교하여, 위상차가 제로(0) 또는 미리 설정되어 있는 위상차로 되는 주파수에서 로크 한다(도 9 (c)를 참조한다).
한편, 전류 센서(64)로부터의 파형 신호와 VCO 회로(32)로부터의 주파수 신호를 위상 비교 회로(16)에 입력하여 각각의 위상을 비교하고, 공진 주파수로 되도록 VCO 회로(32)의 주파수를 제어한다.
구체적으로는, 공진 주파수로부터 떨어진 주파수, 예를 들면, 공진 주파수 보다 5% 이상 높은 주파수를 스타트 주파수로 하는 좁은 폭 펄스 신호의 인버터 구동 신호에 따라 인버터부(106)의 구동을 개시하고(도 9 (a)를 참조한다), 해당 인버터 신호의 주파수를 주파수 시프트 하여 하강시킨다(도 9 (b)를 참조한다).
그리고, 위상 비교 회로(38)에 의해 인버터 구동 신호의 주파수를 공진 주파수에서 로크 시키고(도 9 (c)를 참조한다), 로크 완료 회로(42)가 로크 완료를 검지하여 출력 회로(36)로 신호를 출력한다. 이 신호에 따라, 출력 회로(36)로부터는 좁은 폭 펄스 신호로부터 PWM 제어에 의해 펄스 폭(tw)이 넓어진 인버터 구동 신호가 출력되고, 인버터부(106)의 출력이 출력 설정 신호에 따라 설정된 설정 값의 출력까지 상승한다(도 9 (d)(e)를 참조한다).
또한, 지연 설정 회로(40)는, 직렬 공진 부하(62)를 접속하는 인버터 장치(60)에 있어서는, 인버터부(106)의 회로 지연을 보정하기 위하여 사용된다.
즉, 인버터 장치(60)는, 공진 부하로서 직렬 공진 부하(62)를 접속하고, 인버터 구동 신호인 방형파 인버터 구동 신호(Q, NQ)로 하여, 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 최저 설정 출력 값(출력 전압 또는 출력 전류 또는 출력 전력이다)을 출력하는 공진 주파수 주기 보다 충분히 짧은 펄스 폭의 펄스 신호(좁은 폭 펄스 신호)를 이용하며, 그 좁은 폭 펄스 신호를 공진 주파수 보다 떨어진 주파수(예를 들면, 공진 주파수 보다 5% 이상 높은 주파수이다)를 기점으로 스타트 시킴으로써 공진 주파수 또는 공진 주파수 근방까지 주파수를 하강하는 주파수 시프트에 의한 주파수 제어를 행하고, 인버터 구동 신호의 주파수를 공진 주파수로 제어한다.
그 후에, 인버터 장치(60)는, PWM 제어에 의해 좁은 폭 펄스 신호의 펄스 폭을 넓게하고, 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 출력(출력 전압 또는 출력 전류 또는 출력 전력이다)으로 되도록 한다.
(III-3) 작용 효과
따라서, 인버터 장치(60)에 있어서도, 인버터 장치(10)에 관하여 상기 (I-3)에 있어서 설명한 바와 동일한 작용 효과가 얻어진다.
(IV) 제4 실시 형태
도 10에는 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치에 있어서 제어부의 구성 설명도가 나타나 있다.
또한, 이 제4 실시 형태에 있어서는, 제어부를 제외한 다른 구성에 대해서는 상기한 제2, 3의 각 실시 형태에 따른 인버터 장치(20, 60) 및 후술하는 제7 실시 형태에 따른 인버터 장치(400)의 구성과 다른 것이 없으므로, 제어부를 제외한 다른 구성의 도시 및 설명은 생략한다.
이 제4 실시 형태에 따른 인버터 장치의 제어부(70)는, 상기한 각 실시 형태(제2, 3, 7 실시 형태)에 있어서의 제어부(28)와 비교하면, 제어부(28)의 구성에 더하여 최저 레벨 검지 회로(72)를 구비하고 있으며, 이 점에 있어서 양자는 다르다.
제2, 3, 7 실시 형태에 따른 인버터 장치(20, 60, 400)에 있어서는, 주파수가 공진 주파수로부터 떨어지면 출력 레벨(공진 전압 또는 공진 전류)이 저하하고, 인버터부(106)의 출력으로부터 정확한 위상 검지가 가능하지 않게 된다.
이 때문에, 제4 실시 형태에 따른 인버터 장치에 있어서는, 제어부(70)에 최저 레벨 검지 회로(72)를 마련하고, 인버터부(106)의 출력이 최저 레벨 검지 회로(72)에서 위상 검지가 가능하게 되는 출력 레벨로 된 것을 검지하여 위상 비교를 개시하도록 한다.
즉, 제4 실시 형태에 따른 인버터 장치는, 제어부(70)의 최저 레벨 검지 회로(72)에 의해, 인버터 구동 신호인 펄스 구동 신호에 의한 공진 부하의 출력(출력 전압 또는 출력 전류 또는 출력 전력이다) 레벨을 검지하고, 미리 설정된 레벨 이상으로 되는 경우에 공진 주파수 근방으로 제어하는 위상 비교 회로(38)를 동작 개시 시키는 것이다.
(V) 제5 실시 형태
도 11에는 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치에 있어서 제어부의 구성 설명도가 나타나 있다.
또한, 이 제5 실시 형태에 있어서는, 제어부를 제외한 다른 구성에 대해서는 상기한 제2, 3의 각 실시 형태에 따른 인버터 장치(20, 60) 및 후술할 제7 실시 형태에 따른 인버터 장치(400)의 구성과 다른 것이 없으므로, 제어부를 제외한 다른 구성의 도시 및 설명은 생략한다.
이 제5 실시 형태에 따른 인버터 장치의 제어부(80)는, 상기한 각 실시 형태(제2, 3, 7 실시 형태)에 있어서의 제어부(28)와 비교하면, 제어부(28)의 구성에 더하여 최저 레벨 주파수 검지 회로(82)를 구비하고 있어, 이 점에 있어서 양자는 다르다.
제2, 3, 7 실시 형태에 따른 인버터 장치(20, 60, 400)에 있어서는, 주파수가 공진 주파수로부터 떨어지면 출력 레벨(공진 전압 또는 공진 전류)이 저하하고, 인버터부(106)의 출력으로부터 정확한 위상 검지가 가능하지 않게 된다.
이 때문에, 제5 실시 형태에 따른 인버터 장치에 있어서는, 제어부(80)에 최저 레벨 주파수 검지 회로(82)를 마련하여, 인버터부(106)의 출력이 최저 레벨 주파수 검지 회로(82)에서 위상 검지가 가능하게 되는 출력 레벨의 주파수(최저 레벨 주파수)로 된 것을 검지하여 위상 비교를 개시하도록 한다.
즉, 제5 실시 형태에 따른 인버터 장치는, 제어부(80)의 최저 레벨 주파수 검지 회로(82)에 의해, 인버터 구동 신호인 펄스 구동 신호의 주파수를 주파수 시프트 시키는 경우에 미리 설정된 주파수(최저 레벨 주파수)로 된 것을 검지하고, 그 검지 시점에서 위상 비교 회로(38)를 동작 개시 시키는 것이다.
(VI) 제6 실시 형태
본 발명에 따른 제6 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치는, 상기한 제4 실시 형태에 있어서의 최저 레벨 검지 회로(72)와 상기한 제5 실시 형태에 있어서의 최저 레벨 주파수 검지 회로(82)의 양자를 구비한 것이다.
또한, 이 제6 실시 형태에 있어서는, 제어부에 최저 레벨 검지 회로와 최저 레벨 주파수 검지 회로의 양자를 마련한 점을 제외하고, 그 외의 구성에 대해서는 상기한 각 실시 형태(제2, 3, 4, 5의 각 실시 형태) 및 후술할 제7 실시 형태에 있어서의 구성과 다른 것이 없으므로, 상기한 각 실시 형태(제2, 3, 4, 5의 각 실시 형태) 및 후술할 제7 실시 형태에 있어서의 설명을 원용하는 것으로써, 그 도시 및 설명은 생략한다.
(VII) 제7 실시 형태
도 12에는 본 발명의 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치의 구성 설명도가 나타나 있다. 또한, 도 12에는 제어부에 의해 제어되는 동시에 직렬 공진 부하에 접속된 인버터 장치의 전체 구성이 나타나 있다.
또한, 도 13에는 도 12에 도시한 인버터 장치에 있어서 인버터부의 확대 설명도가 나타나 있다.
이 도 12에 도시한 인버터 장치(본 발명에 따른 제7 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치)(400)는, 도 8에 도시된 상기한 제3 실시 형태에 따른 인버터 장치(60)의 구성과 비교하면, 인버터부(106)에 대신하여 인버터부(406)를 구비하고 있다는 점에 있어서 양자는 다르다.
도 13에 도시한 바와 같이, 인버터 장치(400)의 인버터부(406)는 인버터 스위칭 소자(406a)에 있어서 환류 다이오드(프리휠 다이오드)(406b)로서 SiC 다이오드를 이용하도록 한 것이다.
보다 상세하게는, 도 13에 도시한 바와 같이, 인버터부(406)의 인버터 스위칭 소자(406a)에 있어서 반도체 스위칭 소자(406c)와 역방향 병렬로 접속된 프리휠 다이오드(406b)로서 SiC 다이오드를 이용하도록 하고 있다.
이 제7 실시 형태의 인버터 장치(400)에 있어서는, 공진 부하는 직렬 공진 회로(62)를 형성하고, 최저 설정 출력 값(출력 전압 또는 출력 전류 또는 출력 전력이다)을 확보 가능한 충분히 짧은 인버터 구동 신호인 펄스 구동 신호의 주파수를 공진 주파수 보다도 낮은 주파수(예를 들면, 공진 주파수 보다 5% 이상 낮은 주파수이다)를 기점으로 스타트 시키고, 공진 주파수 근방까지 주파수를 상승시키는 주파수 시프트에 의한 주파수 제어를 행한다. 인버터 구동 신호인 펄스 구동 신호의 주파수를 공진 주파수로 제어한다.
즉, 인버터 장치(400)에 있어서는, 인버터 스위칭 소자(106a)의 프리휠 다이오드(106b)로서 SiC 다이오드를 이용하고 있다.
이 때문에, 그 특성으로부터 전류 회생 시의 리커버리 시간이 거의 없으므로, 직렬 공진 회로에서 용량성(C성)에서의 인버터 작동이 가능하게 되며, 낮은 주파수(C성 영역)를 기점으로 하여 주파수가 높은 공진 주파수까지 시프트 시키는 것이 가능하다.
(VIII) 제8 실시 형태
다음으로, 도 14 (a)(b)(c)를 참조하면서 본 발명에 따른 제8 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치에 대하여 설명한다.
여기에서, 도 14 (a)에는 공진 부하에 접속되는 본 발명에 따른 인버터 장치를 이용한 전원 구성을 모식적으로 나타낸 구성 설명도가 나타나 있다.
또한, 도 14 (b)에는 직렬 공진 부하에 접속되는 종래 기술에 따른 인버터 장치를 이용한 전원 구성을 모식적으로 나타낸 구성 설명도가 나타나 있다.
추가로, 도 14 (c)에는 병렬 공진 부하에 접속되는 종래 기술에 따른 인버터 장치를 이용한 전원 구성을 모식적으로 나타낸 구성 설명도가 나타나 있다.
도 14 (a)에 나타낸 상기한 본 발명에 따른 공진 부하에 접속되는 인버터 장치(10, 20, 60, 400)를 이용한 전원 구성은, 유도 가열의 용도로 이용하는 것이 가능한 것이며, 공진 부하에 접속되는 본 발명에 따른 인버터 장치(10, 20, 60, 400)의 출력 단자(500)와 병렬 공진 콘덴서 박스(502)를 공냉 동축 케이블(504)로 접속하고, 병렬 공진 콘덴서 박스(502)에 소형의 변류기(핸디 타입의 변류기)(506)를 접속하여, 가열 코일(508)에 고주파 전류를 전송하도록 한 것이다.
유도 가열의 용도에 있어서는, 인버터 장치로부터 가열 코일까지의 거리를 길게하여 일손에 의해 가열 작업을 행하는 일이 있으며, 종래에는 도 14 (b)에 도시한 바와 같이, 직렬 공진 부하에 접속되는 종래 기술에 따른 인버터 장치(600)의 출력 단자(600a)에 수냉 케이블(602)을 접속하여 연장하고, 중계 박스(604)를 통하여 소형의 변류기(핸디 타입의 변류기)(606)에서 임피던스 변환하여 가열 코일(608)에 고주파 전류를 전송하고 있었다.
혹은, 종래에 있어서는, 도 14 (c)에 도시한 바와 같이, 병렬 공진 부하에 접속되는 종래 기술에 따른 인버터 장치(700)를 이용하며, 인버터 장치(700)의 출력 단자(700a)에 공냉 동축 케이블(702)을 접속하여 연장하고, 중계 박스(704)를 통하여 소형의 변류기(핸디 타입의 변류기)(706)에서 임피던스 변환하여 가열 코일(708)에 고주파 전류를 전송하고 있었다.
그렇지만, 도 14 (b)에 도시한 직렬 공진 부하에 접속되는 종래 기술에 따른 인버터 장치(600)를 이용하는 경우에는, 수냉 케이블(602)의 왕복 부유 용량에 고조파 전류가 흐르기 때문에 연장 거리에 한계가 있어, 일반적으로는 연장 거리의 한계는 50m 정도였다.
또한, 도 14 (c)에 나타낸 병렬 공진 부하에 접속되는 종래 기술에 따른 인버터 장치(700)를 이용하며, 공냉 동축 케이블(702)의 거리를 연장하는 경우에는 인버터 장치(700) 내부의 직렬 리액터가 크고 무거워지기 때문에, 전원 자체도 크고 무거워져 소형 전원으로서 작업 현장에서 용이하게 사용하는 것이 가능하지 않은 것이었다.
한편, 도 14 (a)에 도시한 공진 부하에 접속되는 본 발명에 따른 인버터 장치(10, 20, 60, 400)를 이용한 구성에 있어서는, 큰 직류 리액터가 필요하지 않은 전압형 인버터를 사용하고 있기 때문에, 소형의 전원 구성이 가능하며, 이러한 공냉 동축 케이블(504)을 접속하는 것으로, 200m 이상에서도 용이하게 공냉 동축 케이블(504)을 연장하는 것이 가능한 소형 전원을 구성하는 것이 가능하다.
또한, 병렬 공진 콘덴서 박스(502)는 병렬 공진용 콘덴서로 이루어진 것이다.
또한, 소형의 변류기(핸디 타입의 변류기)(506)로는, 종래의 구성, 즉 소형의 변류기(핸디 타입의 변류기)(606, 706)와 동일한 것을 사용하는 것이 가능하다.
마찬가지로, 가열 코일(508)도 종래의 구성, 즉 가열 코일(608, 708)과 동일한 것을 사용하는 것이 가능하다.
(IX) 제9 실시 형태
본 발명에 따른 제9 실시 형태의 일 예에 따른 인버터 장치는, 상기한 각 실시 형태에 있어서 공진 부하(200), 병렬 공진 부하(22) 혹은 직렬 공진 부하(62)를 구성하는 공진 회로가, 유도 가열용의 가열 코일과 공진 콘덴서로 이루어진 공진 회로에 의해 구성되도록 한 것이다.
즉, 인버터 장치(10, 20, 60, 400)를 포함하는 본 발명에 따른 인버터 장치에 접속하는 공진 부하(200), 병렬 공진 부하(22) 혹은 직렬 공진 부하(62)로는 다양한 구성의 것을 이용하는 것이 가능하며, 예를 들면, 도 15 (a)(b)에 도시한 바와 같은 유도 가열용 공진 부하를 본 발명에 따른 인버터 장치에 접속하도록 하여도 좋다.
여기에서, 도 15 (a)에는 직렬 공진 부하의 경우인 유도 가열용 직렬 공진 부하를 나타내는 구성 설명도가 나타나 있다.
또한, 도 15 (b)에는 병렬 공진 부하의 경우인 유도 가열용 병렬 공진 부하를 나타내는 구성 설명도가 나타나 있다. 이 도 15 (b)에 도시한 구성에 있어서는, 유도 가열용 병렬 공진 부하에 고조파 제거용의 필터가 직렬로 접속되어 있다.
또한, 도 6에 도시한 인버터 장치(20)에 있어서는, 필터는 인버터 장치(20) 내에 인덕터(24)로서 접선되어 있다.
(X) 그 외의 실시 형태 및 변형예의 설명
또한, 상기한 실시 형태는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 다른 다양한 형태로 실시하는 것이 가능하다. 즉, 본 발명은 상기한 실시 형태로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 행하는 것이 가능하다.
예를 들면, 상기한 실시 형태는 이하의 (X-1) 내지 (X-4)에 나타낸 바와 같이 변형하도록 하여도 좋다.
(X-1) 상기한 실시 형태에 있어서, 스타트 주파수를 공진 주파수로부터 떨어트린 경우에, 구체적으로는 공진 주파수로부터 5% 이상 떨어진 것을 예시하였다.
그렇지만, 본 발명은 공진 주파수로부터 5% 이상 떨어진 것에 한정되는 것은 아니며, 공진 주파수로부터 5% 미만 떨어지도록 하여도 좋다.
즉, "5%"라는 수치는 본원 발명자가 실험에 의해 실증적으로 구해낸 바람직한 수치이지만, 본 발명은 "5%"의 수치로 한정되는 것은 아니며, 스타트 주파수가 공진 주파수로부터 떨어져 있으면 좋다.
스타트 주파수를 공진 주파수로부터 떨어트림으로써, 공진 부하 측의 공진 주파수가 아무렇게 벗어나도 주파수 시프트에 의해 자동으로 공진 주파수를 찾아내는 것이 가능하게 된다.
여기에서, 주파수 시프트 하는 영역(주파수 시프트 영역)은, 인버터 회로에 가장 적절한 다이오드 역회복 특성을 고려한 유도성 영역으로 결정하는 것이 바람직하며, 본원 발명자의 실험에 따르면 공진 주파수로부터 5% 이상의 영역이었다.
(X-2) 상기한 실시 형태에 있어서는, 각 구성에 있어서 구체적인 회로 구성 등은 설명을 생략하였지만, 각 구성에 대응하는 종래로부터 공지된 회로 구성을 이용하여도 좋은 것은 물론이다.
(X-3) 상기한 실시 형태에 있어서는, 각 구성에 있어서 구체적인 회로 정수 등의 설명을 생략하였지만, 각 구성에 대응하는 종래로부터 공지된 회로 정수를 이용하여도 좋은 것은 물론이다.
(X-4) 상기한 각 실시 형태 및 상기한 (X-1) 내지 (X-3)에 나타낸 각 실시 형태는 적절하게 조합시키도록 하여도 좋은 것은 물론이다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 유도 가열 회로 등과 같은 공진 부하에 접속하는 전원 장치인 인버터 장치에 이용하는 것이 가능하다.
10 : 인버터 장치
12 : 제어부(제어 수단)
12a : PWM 제어부(제어 수단)
12b : 주파수 시프트 제어부(제어 수단)
20 : 인버터 장치
22 : 병렬 공진 회로
24 : 인덕터
26 : 전압 센서
28 : 제어부(제어 수단)
30 : 주파수 시프트 회로
32 : 전압 제어 발진기(VCO : Voltage-controlled oscillator) 회로
34 : 좁은 폭 펄스 신호 발생 회로
36 : 출력 회로
38 : 위상 비교 회로
40 : 지연 설정 회로
42 : 로크 완료 회로
44 : 검파 회로
46 : 오차 앰프 필터
48 : 삼각파 발생 회로
50 : PWM 회로
60 : 인버터 장치
62 : 직렬 공진 부하
64 : 전류 센서
66 : 공진 콘덴서
70 : 제어부(제어 수단)
72 : 최저 레벨 검지 회로(최저 레벨 검지 수단)
80 : 제어부(제어 수단)
82 : 최저 레벨 주파수 검지 회로(주파수 검지 수단)
100 : 인버터 장치
102 : 교류(AC) 전원
104 : 컨버터부
106 : 인버터부
108 : 출력 센서
110 : 컨버터 제어부
112 : 제어부
112a : PLL 회로
200 : 공진 부하
300 : 인버터 장치
302 : 컨버터부
304 : PWM 제어부
400 : 인버터 장치
406 : 인버터부
406a : 인버터 스위칭 소자
406b : 환류 다이오드(프리휠 다이오드)
406c : 반도체 스위칭 소자
500 : 출력 단자
502 : 병렬 공진 콘덴서 박스
504 : 공냉 동축 케이블
506 : 변류기
508 : 가열 코일
600 : 인버터 장치
600a : 출력 단자
602 : 수냉 케이블
604 : 중계 박스
606 : 변류기
608 : 가열 코일
700 : 인버터 장치
700a : 출력 단자
702 : 공냉 동축 케이블
704 : 중계 박스
706 : 변류기
708 : 가열 코일
Vh : 출력 전압
Ih : 출력 전류
Q : 방형파 인버터 구동 신호
NQ : 방형파 인버터 구동 신호
T : 인버터부의 출력(출력 전압 또는 출력 전류)의 기본파 성분의 1주기
T/4 : 인버터부의 출력(출력 전압 또는 출력 전류)의 기본파 성분의 1/4주기
tw : 방형파 인버터 구동 신호(Q, NQ)의 펄스 폭

Claims (30)

  1. 공진 부하에 접속하여 PWM 제어되는 전압형 인버터인 인버터 장치에 있어서,
    공진 부하에 접속되어 인버터 구동 신호에 따라 구동되는 인버터부와,
    상기 인버터부의 동작을 제어하는 제어 수단을 가지며,
    상기 제어 수단은, 상기 공진 부하의 공진 주파수의 주기 보다 짧은 펄스 폭의 펄스 신호를 상기 인버터 구동 신호로 하고, 상기 공진 주파수 보다 낮거나 높은 주파수를 기점으로 하여 상기 인버터부의 구동을 개시한 후에, 상기 인버터 구동 신호의 주파수를 상기 공진 주파수 또는 상기 공진 주파수에서 미리 결정된 범위 내의 주파수까지 주파수 시프트 시켜서, 상기 인버터 구동 신호의 주파수가 상기 공진 주파수와 일치하도록 제어하고,
    상기 제어 수단은, 상기 인버터 구동 신호의 주파수가 상기 공진 주파수와 일치하도록 제어한 후에, PWM 제어에 의해 상기 인버터 구동 신호의 펄스 폭을 넓게 하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 짧은 펄스 폭은, 상기 인버터부의 출력이 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 최저 설정 출력 값으로 되는 펄스 폭인 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기점은, 상기 주파수 시프트 하는 영역이 상기 인버터부를 구성하는 인버터 회로의 다이오드 역회복 특성에 기초하여 유도성 영역으로 되도록 한 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 부하는, 병렬 공진 부하이며,
    상기 기점은, 상기 공진 주파수 보다 낮은 주파수인 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인버터부의 출력단에 인덕터를 접속한 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 인덕터에 의한 전압 위상의 지연을 보정하는 지연 보정 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 부하는, 직렬 공진 부하이며,
    상기 기점은, 상기 공진 주파수 보다 높은 주파수인 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 인버터부의 회로 지연을 보정하는 지연 보정 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공진 부하는 직렬 공진 부하이며,
    상기 인버터부는, 인버터 스위칭 소자에 있어서 프리휠 다이오드로서 SiC 다이오드를 이용하고,
    상기 기점은, 상기 공진 주파수 보다 낮은 주파수인 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기점은, 상기 공진 주파수의 주파수에 대하여 5% 이상 떨어진 주파수인 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 인버터부의 출력이 위상 검지가 가능하게 되는 출력 레벨로 된 것을 검지하는 최저 레벨 검지 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 인버터부의 출력이 위상 검지가 가능하게 되는 출력 레벨의 주파수로 된 것을 검지하는 주파수 검지 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 장치의 출력 단자와 병렬 공진 콘덴서 박스를 공냉 동축 케이블로 접속하고, 상기 병렬 공진 콘덴서 박스에 변류기를 접속하며, 가열 코일에 고주파 전류를 전송하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 공진 부하는, 유도 가열용의 가열 코일과 공진 콘덴서로 이루어진 공진 회로에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  16. 공진 부하에 접속하여 PWM 제어되는 전압형 인버터인 인버터 장치의 제어 방법에 있어서,
    공진 부하의 공진 주파수의 주기 보다 짧은 펄스 폭의 펄스 신호를 인버터 구동 신호로 하고, 상기 공진 주파수 보다 낮거나 높은 주파수를 기점으로 하여 인버터부의 구동을 개시한 후에, 상기 인버터 구동 신호의 주파수를 상기 공진 주파수 또는 상기 공진 주파수에서 미리 결정된 범위 내의 주파수까지 주파수 시프트 시켜서, 상기 인버터 구동 신호의 주파수가 상기 공진 주파수와 일치하도록 제어하며,
    상기 인버터 구동 신호의 주파수가 상기 공진 주파수와 일치하도록 제어한 후에, PWM 제어에 의해 상기 인버터 구동 신호의 펄스 폭을 넓게 하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 짧은 펄스 폭은, 상기 인버터부의 출력이 외부로부터의 출력 설정 신호가 나타내는 설정 값의 최저 설정 출력 값으로 되는 펄스 폭인 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 기점은, 상기 주파수 시프트 하는 영역이 상기 인버터부를 구성하는 인버터 회로의 다이오드 역회복 특성에 기초하여 유도성 영역으로 되도록 하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 공진 부하는, 병렬 공진 부하이며,
    상기 기점은, 상기 공진 주파수 보다 낮은 주파수인 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 인버터부의 출력단에 인덕터를 접속하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 인덕터에 의한 전압 위상의 지연을 보정하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 공진 부하는, 직렬 공진 부하이며,
    상기 기점은, 상기 공진 주파수 보다 높은 주파수인 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 인버터부의 회로 지연을 보정하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  24. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 공진 부하는 직렬 공진 부하이며,
    상기 인버터부는, 인버터 스위칭 소자에 있어서 프리휠 다이오드로서 SiC 다이오드를 이용하고,
    상기 기점은, 상기 공진 주파수 보다 낮은 주파수인 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 기점은, 상기 공진 주파수의 주파수에 대하여 5% 이상 떨어진 주파수인 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  26. 삭제
  27. 제16항에 있어서,
    상기 인버터부의 출력이 위상 검지가 가능하게 되는 출력 레벨로 된 것을 검지하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  28. 제16항에 있어서,
    상기 인버터부의 출력이 위상 검지가 가능하게 되는 출력 레벨의 주파수로 된 것을 검지하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  29. 제16항에 있어서,
    상기 인버터 장치의 출력 단자와 병렬 공진 콘덴서 박스를 공냉 동축 케이블로 접속하고, 상기 병렬 공진 콘덴서 박스에 변류기를 접속하여, 가열 코일에 고주파 전류를 전송하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  30. 제16항에 있어서,
    상기 공진 부하는, 유도 가열용의 가열 코일과 공진 콘덴서로 이루어진 공진 회로에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
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