TWI703899B

TWI703899B - 感應加熱系統

Info

Publication number: TWI703899B
Application number: TW105106094A
Authority: TW
Inventors: 外村徹
Original assignee: 日商特電股份有限公司
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2020-09-01
Also published as: EP3065504B9; US20160262212A1; TW201633842A; CN105939548A; CN205454132U; EP3065504A9; KR20160106500A; EP3065504A1; CN105939548B; US10314117B2; EP3065504B1

Abstract

本發明的目的在於不使用斯科特接線變壓器而降低相電流的不平衡。本發明提供一種感應加熱系統，該感應加熱系統利用三相交流電源，使具有第一感應線圈的第一感應加熱裝置和具有第二感應線圈的第二感應加熱裝置運轉，第二感應線圈的纏繞圈數是偶數，第一感應線圈的纏繞始端部和纏繞終端部的一方與三相交流電源的一相電連接，另一方與所述第二感應線圈的中點部電連接，第二感應線圈的纏繞始端部和纏繞終端部與三相交流電源的剩餘兩相電連接。

Description

感應加熱系統

本發明係關於一種感應加熱系統，特別是一種使用兩組感應加熱裝置的感應加熱系統。

如果感應加熱裝置的感應線圈在同一磁路內相位不同的磁通混雜在一起，則引起功率因數下降或發熱分佈不均勻，所以希望提供單相交流電。

但是，一般來說感應加熱裝置的動力源是三相交流電源，所以通常大多從三相交流電中提取單相交流電。

在此，如果將同一規格的兩組感應加熱裝置的感應線圈直接與U-V端子和V-W端子連接，則U相、V相和W相的相電流的平衡成為1：√3：1，因此產生1.732倍的不平衡。這違反了低壓和高壓受電的內線規定（JEAC）的不平衡負載的限制和特殊機械器具中的“利用單相連接負載計算，以設備不平衡率30%以下為原則”的規定。

為了防止上述情況，如專利文獻1所示，可以採用如下方法：在三相交流電源和感應線圈之間設置斯科特接線變壓器，從三相交流電中提取兩個電路的單相交流電。

但是，由於需要斯科特接線變壓器，所以從成本和空間的觀點出發，存在較大的缺點。

專利文獻1：日本專利公開公報特開2001-297867號。

為了解決上述問題點，本發明的主要課題在於，在利用三相交流電源使兩個感應加熱裝置運轉的裝置中，不使用斯科特接線變壓器而降低相電流的不平衡。

即，本發明提供一種感應加熱系統，利用三相交流電源使具有第一感應線圈的第一感應加熱裝置和具有第二感應線圈的第二感應加熱裝置運轉，所述第二感應加熱裝置具有與所述第一感應加熱裝置不同的磁路，所述感應加熱系統的特徵在於，至少所述第二感應線圈的纏繞圈數是偶數，所述第一感應線圈的纏繞始端部和纏繞終端部的一方與所述三相交流電源的一相電連接，另一方與所述第二感應線圈的中點部電連接，並且所述第二感應線圈的纏繞始端部和纏繞終端部與所述三相交流電源的剩餘兩相電連接。

按照這種結構，作為兩個感應加熱裝置各自的感應線圈的第一感應線圈和第二感應線圈為斯科特接線，所以可以不使用斯科特接線變壓器而降低相電流的不平衡。詳細內容如後所述。

在一實施例中，各所述感應線圈的纏繞圈數是偶數，在各所述感應線圈的中點部上設置有連接端子。

按照這種結構，可以使第一感應線圈和第二感應線圈的結構相同而具有互換性。

在一實施例中，所述第一感應加熱裝置和所述第二感應加熱裝置在電氣上是同一規格，纏繞圈數是偶數的感應線圈的層數是偶數，所述纏繞始端部、所述纏繞終端部和所述中點部位於所述感應線圈的軸向端部。

按照這種結構，第一感應線圈的電流從第二感應線圈的中點部進入並向纏繞始端部和纏繞終端部分別分流1/2而流動。由於向第二感應線圈的纏繞始端部流動的電流和向第二感應線圈的纏繞終端部流動的電流的方向相反，所以產生的磁通抵消而消失。

在此，如果至少使第二感應線圈的層數為偶數，並且使纏繞始端部、纏繞終端部和中點部位於感應線圈的軸向端部，則從中點部到纏繞始端部的繞線部分和從中點部到纏繞終端部的繞線部分的磁耦合良好，從而可以有效地消除磁通。

在一實施例中，在各所述感應線圈的一端側和所述三相交流電源之間設置有控制各所述感應線圈的施加電壓的電壓控制設備。

按照這種結構，能夠進行第一感應加熱裝置和第二感應加熱裝置的單獨輸出控制。

即使利用設置在第二感應線圈一端側的電壓控制設備，將在第二感應線圈中流動的電流調整為零，但在第一感應線圈中流動的電流流向第二感應線圈的另一端側，所以不能使第二感應加熱裝置的輸出為零。因此，通過使所述第二感應加熱裝置的負載容量比所述第一感應加熱裝置的負載容量大，就不會發生上述現象，從而能夠良好地進行第一感應加熱裝置和第二感應加熱裝置的單獨控制。

在一實施例中，以如下方式調整所述電壓控制設備：使所述第二感應線圈的最大施加電壓為減去最大輸出時的所述電壓控制設備的電壓下降部分後的電源電壓的2/（2√3-1）倍。

按照這種結構，可以進一步降低相電流的不平衡。詳細內容如後所述。

在一實施例中，各所述感應線圈的纏繞圈數是2N（N是自然數），在各所述感應線圈的纏繞始端部和纏繞終端部上分別連接有纏繞圈數為（2/√3-1）N的追加繞線，所述第一感應線圈的纏繞始端部和纏繞終端部的一方與所述第二感應線圈的中點部連接，另一方與所述三相交流電源的一相連接，並且通過使與所述第二感應線圈的兩端部連接的追加繞線與所述三相交流電源的剩餘兩相連接，所述第二感應線圈的兩端部與所述三相交流電源的剩餘兩相電連接。

按照這種結構，可以使相電流相同，從而可以消除不平衡。詳細內容如後所述。

在一實施例中，所述第二感應線圈的纏繞圈數是2N（N是自然數），所述第一感應線圈的纏繞圈數是√3N。

按照這種結構，當使電氣上同一規格的兩個感應加熱裝置運轉時，可以不需要分接頭而使相電流相同，從而可以消除不平衡。

三相交流電源用作工業設備，被感應加熱的物件物由於是工業設備所以基本上由厚壁金屬構成。因此，通過使所述三相交流電源的電源頻率是50Hz或60Hz的商用頻率，可以使厚壁金屬的感應加熱中的電流滲透度變大，從而可以效率良好地進行物件物的加熱。

作為感應加熱系統的具體的實施方式，可以是感應發熱輥系統。具體地說，所述第一感應加熱裝置是設置有第一感應發熱機構的第一感應發熱輥裝置，所述第一感應發熱機構在被支撐成轉動自如的第一輥主體的內部具有所述第一感應線圈，所述第二感應加熱裝置是設置有第二感應發熱機構的第二感應發熱輥裝置，所述第二感應發熱機構在被支撐成轉動自如的第二輥主體的內部具有所述第二感應線圈。

按照以上述方式構成的本發明，由於使兩個感應加熱裝置的感應線圈為斯科特接線，所以可以不使用斯科特接線變壓器而降低相電流的不平衡。

＜第一實施方式＞

下面，參照附圖，對本發明感應加熱系統的第一實施方式的感應發熱輥系統進行說明。

第一實施方式的感應發熱輥系統100利用單一的三相交流電源4使兩組感應發熱輥裝置2、3運轉，其具有：第一感應發熱輥裝置2，具有第一感應線圈21；以及第二感應發熱輥裝置3，具有第二感應線圈31。上述第一感應發熱輥裝置2和第二感應發熱輥裝置3具有相互不同且獨立的磁路，第一感應發熱輥裝置2設置有第一感應發熱機構，該第一感應發熱機構在被支撐成轉動自如的第一輥主體20的內部具有第一感應線圈21，第二感應發熱輥裝置3設置有第二感應發熱機構，該第二感應發熱機構在被支撐成轉動自如的第二輥主體30的內部具有第二感應線圈31。

另外，各感應發熱輥裝置2、3構成為在電氣上同一規格，感應線圈21、31纏繞並設置在鐵心22、32上而構成感應發熱機構。此外，三相交流電源的電源頻率是50Hz或60Hz的商用頻率。由此，可以使作為厚壁金屬的輥主體的感應加熱的電流滲透度變大，從而可以效率良好地進行輥主體的加熱。

並且，第一感應發熱輥裝置2、第二感應發熱輥裝置3和三相交流電源4為斯科特接線。具體地說，第一感應線圈21的纏繞始端部21x與三相交流電源4的U相電連接，第一感應線圈21的纏繞終端部21y與第二感應線圈31的中點部31z電連接。此外，第二感應線圈31的纏繞始端部31x與三相交流電源4的V相電連接，第二感應線圈31的纏繞終端部31y與三相交流電源4的W相電連接。

在本實施方式中，在各感應線圈21、31的兩端部21x、21y、31x、31y上設置有連接端子，並且在各感應線圈21、31的中點部21z、31z上設置有連接端子。另外，設置在第一感應線圈21的中點部21z上的連接端子，雖然在本實施方式中未使用，但是為了使兩個感應線圈21、31為同一規格而具有互換性而設置。

此外，各感應線圈21、31的纏繞圈數相同且為偶數｛2N（N是自然數）｝。即，從各感應線圈21、31的中點部21z、31z到纏繞始端部21x、31x的纏繞圈數是N，從中點部21z、31z到纏繞終端部21y、31y的纏繞圈數也是N。

在本實施方式中，纏繞圈數是偶數的各感應線圈的層數為偶數。具體地說，在圖1中，各感應線圈21、31構成為兩層。由此，在各感應線圈21、31中，纏繞始端部21x、31x和纏繞終端部21y、31y位於感應線圈21、31的軸向一端側，中點部21z、31z位於感應線圈21、31的軸向另一端側。

此外，在各感應線圈21、31的一端部和三相交流電源4之間設置有控制各感應線圈21、31的施加電壓的電壓控制設備51、52。在本實施方式中，在第一感應線圈21的纏繞始端部21x和三相交流電源4之間（U相）設置有第一電壓控制設備51，並且在第二感應線圈31的纏繞始端部31x和三相交流電源4之間（V相）設置有第二電壓控制設備52。另外，電壓控制設備51、52例如是晶閘管等半導體控制元件。由未圖示的控制部控制上述電壓控制設備51、52。

接著，參照圖1與圖2，說明在以上述方式構成的感應發熱輥系統100的各相中流動的電流。

以下，將三相交流電源4的電源電壓作為E，將減去控制設備51、52的電壓下降部分的端子間電壓作為e，將第一感應線圈21的端子作為U-Oa-Ob，將第一感應線圈21的容量作為Pa，將第一感應線圈21的電流作為ia，將第二感應線圈31的端子作為V-Ob’-W，將第二感應線圈31的容量作為Pb，將第二感應線圈31的電流作為ib。此外，以下的計算全部是絕對值計算。

如果將第一感應線圈21的端子U-Ob間電壓作為ea，則ea=√3e/2。

第一感應線圈21的容量Pa為Pa=ia√3e/2。

第一感應線圈21的電流ia為ia=2Pa/e√3。

在此，由於第二感應線圈31的端子V-W間電壓是e，所以將相對於向量e的電流作為ib’時，由於纏繞圈數是與第一感應線圈21相同的2N、且線圈阻抗相同，所以與第一感應線圈21相比，端子V-W間電壓為2/√3倍，電流也為2/√3倍。

因此，ib’=2ia/√3，

第二感應線圈31的容量Pb為Pb=2iae/√3。

第一感應線圈21和第二感應線圈31的容量比如下：

Pb/Pa=（2iae/√3）/（ia√3e/2）

=4/3

第二感應線圈的電流ib如下：

ib =√｛（ib’）2＋（ia/2）2｝

=ia√（4/3＋1/4）

=ia√（19/12）

因此，各相電流的電流比為1：1.258：1.258，不平衡降低至1.258倍。

此外，第一感應線圈21的電流ia從第二感應線圈31的中點部31z的端子Ob’進入，並且向端子V和端子W分別分流ia/2而流動。此時，向端子V流動的電流和向端子W流動的電流方向相反，所以產生的磁通抵消而消失。

在此，由於第二感應線圈31是偶數層（兩層），並且纏繞始端部31x、纏繞終端部31y和中點部31z位於第二感應線圈31的軸向端部，所以由在端子Ob’-V間的線圈部分中流動的電流產生的磁通和由在端子Ob’-W間的線圈部分中流動的電流產生的磁通的耦合良好，從而能夠有效地消除磁通。

此外，如上所述，由於由第二感應線圈31產生的磁通的大部分相互抵消而消失，所以第二感應線圈31的發熱電力僅由ib’產生。因此，可以僅通過第二控制設備52來進行第二感應發熱輥裝置3的電力控制。

但是，根據端子V-Ob’間的線圈部分和端子Ob’-W間的線圈部分的連接狀態會殘留一部分磁通，上述磁通對發熱電力產生影響。但是，感應發熱輥裝置3是基本上對負載溫度進行控制，因此對包含了由殘留磁通產生的影響部分的合計電力進行控制，所以能夠很好地控制感應加熱溫度。

此外，即使利用第二電壓控制設備52將由向量e產生的電流ib’調整為零，但在未連接第二電壓控制設備52的端子側（W相）有電流ia流動，所以不能將第二感應發熱輥裝置3的輸出調整到零。因此，只要在負載容量大的一側配置第二感應發熱輥裝置3，則在第一感應發熱輥裝置2的電流ia流動的狀態下，不會發生第二感應發熱輥裝置3的輸出被調整為零的情況，所以能夠良好地單獨控制第一感應發熱輥裝置2和第二感應發熱輥裝置3。

接著，將減去最大輸出時的電壓控制設備的電壓下降部分的電源電壓作為e，將利用第二電壓控制設備52向第二感應線圈31的端子V-W間施加的最大施加電壓作為eb。

在此，如果ea=e/√3＋ec，则ec=ea-e/√3。

此外，由于ec=eb/2√3，所以eb/2√3=ea-e/√3。

因此，eb=2/√3（ea-e/√3）=2/√3ea-2e。

在此，如果計算成為ea=eb的條件，則

eb=2/√3eb-2e

（2√3-1）eb=2e

eb=2e/（2√3-1）。

即，如果設定為eb=2e/（2√3-1），則向第一感應線圈21施加的最大施加電壓ea也同樣為ea=2e/（2√3-1）。

最大容量也同样为Pa=Pb =2eia/（2√3-1）。

电流ia=（2√3-1）Pa/2e

電流ib =√｛ia2＋（ia/2）2｝

=ia√5/2

=1.118ia

因此，各相電流的電流比成為1：1.118：1.118，不平衡降低至1.118倍。即，通過相對於減去最大輸出時的電壓控制設備52的電壓下降部分的電源電壓e，將第二感應線圈31的最大施加電壓eb調整為2/（2√3-1）倍，可以進一步降低相電流的不平衡。

另外，將ia代入上述的ib的公式，如果求出ib，則成為如下公式。

ib=ia√5/2

=√5（2√3-1）Pa/（2×2e）

=（2√15-√5）Pa/4e

＜第一實施方式的效果＞

按照以上述方式構成的感應發熱輥系統100，在利用單一的三相交流電源4向第一感應線圈21和第二感應線圈31提供電力的裝置中，由於使第一感應發熱輥裝置2的感應線圈21和第二感應發熱輥裝置3的感應線圈31為斯科特接線，所以能夠不使用斯科特接線變壓器而降低相電流的不平衡。

＜第二實施方式＞

接著，參照附圖，對本發明的感應加熱系統的第二實施方式的感應發熱輥系統進行說明。

第二實施方式的感應發熱輥系統100與所述第一實施方式在線圈結構和斯科特接線方式上不同。

本實施方式的第一感應線圈21和第二感應線圈31的纏繞圈數是2N(N是自然數)，各感應線圈21、31的纏繞始端部21x、31x和纏繞終端部21y、31y分別與纏繞圈數為(2/√3-1)N的追加繞線23、33連接。另外，第一感應線圈21和追加繞線23的合計纏繞圈數和第二感應線圈31和追加繞線33的合計纏繞圈數都是2N+2×(2/√3-1)N=N(2+4/√3-2)=4N/√3。

並且，第一感應線圈21的纏繞始端部21x與三相交流電源4的U相電連接，第一感應線圈21的纏繞終端部21y與第二感應線圈31的中點部31z電連接。此外，與第二感應線圈31的纏繞始端部31x連接的追加繞線33與三相交流電源4的V相電連接，與第二感應線圈31的纏繞終端部31y連接的追加繞線33與三相交流電源4的W相電連接。

接著，參照圖3和圖4，對在以上述方式構成的感應發熱輥系統100的各相中流動的電流進行說明。

各電壓、電流和容量如下。

ea=e√3/2

ia=Pa/(e√3/2)

Pa=iae√3/2

eb=e

ib’=Pb/e

在此，如果Pa=Pb，則ib’=ia√3/2

ib=√{(ia√3/2)2+(ia/2)2}=ia

因此，第一感應線圈21和第二感應線圈31為相同容量，各相電流全部為ia而平衡。

<第二實施方式的效果>

按照以上述方式構成感應發熱輥系統100，通過在所述實施方式的感應線圈21、31中追加追加繞線23、33並進行斯科特接線，當使電氣上同一規格的兩個感應發熱輥裝置2、3運轉時，可以不需要分接頭而使相電流相同，從而可以消除不平衡。

<本發明的變形實施方式>

另外，本發明並不限於所述各實施方式。

關於感應線圈的結構，可以使所述第一感應線圈21和第二感應線圈31的結構不同。

具體地說，在所述第一實施方式中，可以不在第一感應線圈21的中點部21z設置連接端子，也可以使第一感應線圈21的纏繞圈數不為偶數。

此外，在所述第二實施方式中，也可以是不在第一感應線圈21的纏繞始端部21x和纏繞終端部21y上連接追加繞線23的結構。

此外，如圖5和圖6所示，可以將第二感應線圈31的纏繞圈數作為2N(N是自然數)，將第一感應線圈21的纏繞圈數作為√3N。在這種情況下，電氣上與所述第二實施方式相同，當使電氣上同一規格的兩個感應發熱輥裝置2、3運轉時，可以不需要分接頭而使相電流相同，從而可以消除不平衡。

此外，在所述實施方式中，各感應加熱裝置是感應發熱輥裝置，但是也可以是其他感應加熱裝置。各感應加熱裝置設置成將感應線圈纏繞在鐵心上。並且，各感應加熱裝置可以是如下流體加熱裝置：例如將感應線圈作為初級線圈，對纏繞在鐵心上的作為次級線圈的導體管進行感應加熱，從而對在該導體管內流動的流體進行加熱。在這種情況下，可以構成如下過熱水蒸氣生成系統：第一感應加熱裝置對水進行加熱而生成飽和水蒸氣，第二感應加熱裝置對由所述第一感應加熱裝置生成的飽和水蒸氣進行加熱而生成過熱水蒸氣。此外，三相交流電源的電源頻率是50Hz或60Hz的商用頻率。由此，可以使導體管等壁厚金屬的感應加熱中的電流滲透度變大，從而可以有效地進行物件物的加熱。

此外，本發明並不限於所述實施方式，可以在不脫離本發明的宗旨的範圍內進行各種變形。

100:感應發熱輥系統(感應加熱系統)

2:第一感應發熱輥裝置(第一感應加熱裝置)

21:第一感應線圈

21x:第一感應線圈的纏繞始端部

21y:第一感應線圈的纏繞終端部

3:第二感應發熱輥裝置(第二感應加熱裝置)

31:第二感應線圈

31x:第二感應線圈的纏繞始端部

31y:第二感應線圈的纏繞終端部

31z:第二感應線圈的中點部

4:三相交流電源

51:第一電壓控制設備

52:第二電壓控制設備

圖1是示意性表示第一實施方式的感應發熱輥系統的結構的圖。圖2是同一實施方式的一個使用例的向量圖。圖3是示意性表示第二實施方式的感應發熱輥系統的結構的圖。圖4是第二實施方式的向量圖。圖5是示意性表示變形實施方式的感應發熱輥系統的結構的圖。圖6是變形實施方式的向量圖。