【手続補正書】
【提出日】平成19年5月7日(2007.5.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  モジュール式高出力誘導加熱及び溶融システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】  金属を溶融し溶融金属を予め選択された温度に保持するためのシステムであって、
最大電力消費を有する誘導炉（２０）、
交流供給電力（１６）入力、及び直流電力出力を有する整流ユニット（１２）、並びに
前記整流ユニット（１２）の前記直流電力出力への入力、及び交流電力出力を有し、金属を予め定められた温度で溶融するか、又は保持するために、前記交流電力出力が前記誘導炉（２０）に電力を供給するインバータユニット（１４）を含み、
前記インバータユニット（１４）が、選択的に並列接続された複数のインバータモジュール（２４）を含み、
前記複数のインバータモジュールの各モジュール（２４）は、前記整流ユニット（１２）の前記直流電力出力へ選択的に接続され、前記交流電力出力へ選択的に接続されて、前記誘導炉（２０）に電力を供給し、
前記複数のインバータモジュールの各モジュール（２４）が、前記誘導炉（２０）の前記最大電力消費より小さい電気的能力を有することを特徴とするシステム。
【請求項２】  前記複数のインバータモジュールの各モジュール（２４）が実質的に同じ量の電力を前記誘導炉（２０）へ供給し、前記複数のインバータモジュールの全てに対する実質的に同じ量の電力の総和が、前記誘導炉（２０）の最大電力消費を越えないことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】  複数のモジュール制御装置（２８）によって更に特徴付けられ、前記複数のモジュール制御装置の各制御装置（２８）が、前記複数のインバータモジュールの関連するモジュール（２４）に独占的に提供され、前記複数のモジュール制御装置の各制御装置（２８）が、
前記複数のモジュール制御装置（２８）の間の連動した運転のために、前記複数のモジュール制御装置（２８）の他の全てと通信するための手段、及び
自動的かつ選択的にサービスから前記複数のインバータモジュールの前記関連するモジュール（２４）を取り除くための手段を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】  前記複数のモジュール制御装置の各制御装置（２８）が、少なくとも前記複数のインバータモジュール（２４）の１つがサービスから取り除かれたとき、自動的かつ連続的に前記複数のインバータモジュール（２４）をシャットダウンするための手段を更に含むことを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】  金属を溶融し溶融金属を予め選択された温度に保持するためのシステムであって、
複数の誘導炉の各誘導炉（２０）が最大電力消費を有する前記複数の誘導炉、
交流供給電力（１６）入力、及び直流電力出力を有する整流ユニット（１２）、並びに
前記複数の誘導炉（２０）と同じ数の複数のインバータユニット（１４）を含み、
前記複数のインバータユニットの各インバータユニット（１４）が、前記整流ユニット（１２）の直流電力出力への入力、及び前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に電力を独占的に届けるための交流電力出力を有し、
前記複数のインバータユニットの各インバータユニット（１４）が、選択的に並列接続された複数のインバータモジュールを更に含み、
前記複数のインバータモジュールの各インバータモジュール（２４）は、前記整流ユニット（１２）の前記直流電力出力へ選択的に接続され、前記交流電力出力へ選択的に接続されることを特徴とするシステム。
【請求項６】  前記整流ユニット（１２）の前記直流電力出力が、全ての前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）の前記最大電力消費の総和より小さいことを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】  前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）が誘導炉最大保持電力を有し、前記整流ユニット（１２）の前記直流電力出力が、全ての前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）の前記誘導炉最大保持電力の総和を越えることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】  前記複数のインバータユニットの各インバータユニット（１４）に接続して作動する制御装置（２７）を更に含み、前記制御装置が、
電力設定点（Ｐｉ）を前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対して入力するための手段、及び
もし前記複数の誘導炉の全体にわたる各誘導炉（２０）に対する前記電力設定点（Ｐｉ）の総和が、前記整流ユニット（１２）の前記直流電力出力より大きければ、各誘導炉（２０）に対する前記電力設定点（Ｐｉ）が前記誘導炉最大保持電力を越えるように、前記複数の誘導炉の各誘導炉に対する電力設定点（Ｐｉ）を減少させるための手段を更に含むことを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】  前記制御装置（２７）が、
システムが利用可能な電力の総和を、需要制限の百分率（Ｄ％）及びシステムが利用可能な最大電力の総和（Ｐｔｏｔａｌ）の積から決定するための手段、
維持のために必要な電力の総和（ΣＰｈｏｌｄ）を前記誘導炉最大保持電力以下の前記電力設定点（Ｐｉ）を有する前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する電力設定点（Ｐｉ）を総計することにより決定するための手段、
溶融に必要な電力の総和（ΣＰｍｅｌｔ）を前記誘導炉最大保持電力より大きい前記電力設定点（Ｐｉ）を有する前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する電力設定点（Ｐｉ）を総計することにより決定するための手段、
溶融のために利用可能な電力の総和（Ｐａｖａｉｌａｂｌｅ）を次の方程式
Ｐａｖａｉｌａｂｌｅ＝［Ｄ％＊Ｐｔｏｔａｌ］−ΣＰｈｏｌｄから決定するための手段、
電力稼働率係数（ｋａｖａｉｌａｂｌｅ）を次の方程式
ｋａｖａｉｌａｂｌｅ＝［Ｐａｖａｉｌａｂｌｅ］／［ΣＰｍｅｌｔ］から決定するための手段、及び
もし前記電力稼働率係数（ｋａｖａｉｌａｂｌｅ）が１より小さければ、前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する前記電力設定点（Ｐｉ）を、前記電力設定点（Ｐｉ）が前記誘導炉最大保持電力より大きくなるように、前記電力稼働率係数（ｋａｖａｉｌａｂｌｅ）及び前記電力設定点（Ｐｉ）の積と実質的に等しい値まで調節するための手段を更に含むことを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】  前記制御装置（２７）が、各誘導炉（２０）に機能する複数のインバータユニット（１４）の少なくとも１つが除去されるか、又は前記複数の誘導炉の全体にわたる各誘導炉（２０）に対する前記電力設定点（Ｐｉ）の総和が、システムが利用可能な最大電力の総和（Ｐｔｏｔａｌ）を超えるときに、前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する電力設定点（Ｐｉ）を減少させるための手段を更に含むことを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】  前記整流ユニット（１２）が、前記交流供給電力（１６）を受け取るために選択的に接続可能な入力、及び前記直流電力を前記複数のインバータモジュール（２４）へ供給するために前記直流共有接続（１８）へ選択的に接続可能な出力と選択的に接続された複数の整流器モジュール（２２）を更に含むことを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
【請求項１２】  金属を溶融し、溶融金属を選択された温度に保持するためのシステムであって、
複数の誘導炉の各誘導炉（２０）が最大電力消費を有する前記複数の誘導炉、
交流供給電力（１６）入力、及び直流電力出力を有する整流ユニット（１２）、並びに
前記複数の誘導炉（２０）と同じ数の複数のインバータユニット（１４）を含み、
前記複数のインバータユニットの各インバータユニット（１４）が、前記整流ユニット（１２）の直流電力出力への入力、及び前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に電力を独占的に届けるための交流電力出力を有し、
前記整流ユニット（１２）が、選択的に相互接続された複数の整流器モジュール（２２）を含み、
前記複数の整流器モジュールの各モジュール（２２）は、交流電力（１６）の複数位相供給へ選択的に接続可能な入力、及び直流電力を供給するために直流共有接続（１８）へ選択的に接続可能な出力を有し、前記複数の整流器モジュールの各モジュールが
交流電力（１６）の前記複数位相供給を変換するための手段（４６）であって、位相シフトされた出力を選択的に提供するために交流電力の前記複数位相供給を選択的に位相シフト変換する前記手段（４６）、及び
前記選択的に位相シフトされた出力を整流するための手段を更に含み、
前記複数のインバータユニットの各インバータユニット（１４）が、選択的に並列接続された複数のインバータモジュール（２４）を含み、
前記複数のインバータモジュールの各モジュール（２４）が、前記整流ユニット（１２）の前記直流電力出力へ選択的に接続可能であり、及び前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）への交流電力出力へ選択的に接続可能であることを特徴とするシステム。
【請求項１３】  複数の整流器モジュール制御装置（２６）によって更に特徴付けられ、前記複数の整流器モジュール制御装置の各制御装置（２６）が、前記複数の整流器モジュールの関連するモジュール（２２）と独占的に提携し、前記複数の整流器モジュール制御装置の各制御装置（２６）が
前記複数の整流器モジュール制御装置（２６）の間の連動した運転のために、前記複数の整流器モジュール制御装置（２６）の他の全てと通信するための手段、及び
自動的かつ選択的にサービスから前記複数の整流器モジュールの前記関連するモジュール（２２）を取り除くための手段を更に含むことを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】  前記複数の整流器モジュール制御装置の各制御装置（２６）が、前記複数の整流器モジュール（２２）の少なくとも１つがサービスから取り除かれたとき、自動的かつ連続的に前記複数の整流器モジュール（２２）をシャットダウンするための手段を更に含むことを特徴とする、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】  前記複数のモジュール制御装置の各制御装置（２６）が、前記複数の整流器モジュール（２２）の少なくとも１つがサービスから取り除かれたとき、減少した電力を前記複数の整流器モジュール（２２）から自動的に供給するための手段を更に含むことを特徴とする、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】  金属を溶融し溶融金属を予め選択された温度に保持するためのシステムであって、
複数の誘導炉の各誘導炉（２０）が、実質的に容量いっぱいの溶融状態の金属を予め選択された温度及び最大電力消費に保持するための誘導炉最大保持電力を有する前記複数の誘導炉、
交流供給電力（１６）入力、及び直流電力出力を有し、直流電力の大きさが、全ての前記複数の誘導炉に対する各誘導炉に対する最大電力消費の総和より小さく、直流電力の前記大きさが、全ての前記複数の誘導炉に対する各誘導炉に対する前記誘導炉最大保持電力の総和を越える整流ユニット（１２）、
前記複数の誘導炉（２０）と同じ数の複数のインバータユニット（１４）であって、前記複数のインバータユニットの各インバータユニット（１４）が、前記整流ユニット（１２）の直流電力出力への入力、及び前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に電力を独占的に届けるための交流電力出力を有する前記インバータユニット（１４）、及び
前記複数のインバータユニットの各インバータユニットへ機能するように接続された制御手段を含み、
前記複数のインバータユニットの各インバータユニット（１４）が、選択的に並列接続された複数のインバータモジュールを更に含み、前記複数のインバータモジュールの各モジュール（２４）が、前記整流ユニット（１２）の直流電力出力へ選択的に接続可能であり、複数の誘導炉の各誘導炉（２０）への交流電力出力へ選択的に接続可能であり、前記制御手段（２７）が更に
電力設定点（Ｐｉ）を前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対して入力するための手段、
もし前記複数の誘導炉の全体に対する各誘導炉（２０）に対する前記電力設定点（Ｐｉ）の総和が直流電力の前記大きさより大きければ、各誘導炉に対する前記電力設定点（Ｐｉ）が前記誘導炉最大保持電力を越えるように、前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する電力設定点（Ｐｉ）を減少させるための手段、
システムが利用可能な電力の総和を、需要制限の百分率（Ｄ％）及びシステムが利用可能な最大電力の総和（Ｐｔｏｔａｌ）の積から決定するための手段、
維持のために必要な電力の総和（ΣＰｈｏｌｄ）を前記誘導炉最大保持電力以下の前記電力設定点（Ｐｉ）を有する前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する電力設定点（Ｐｉ）を総計することにより決定するための手段、
溶融に必要な電力の総和（ΣＰｍｅｌｔ）を前記誘導炉最大保持電力より大きい前記電力設定点（Ｐｉ）を有する前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する電力設定点（Ｐｉ）を総計することにより決定するための手段、
溶融のために利用可能な電力の総和（Ｐａｖａｉｌａｂｌｅ）を次の方程式
Ｐａｖａｉｌａｂｌｅ＝［Ｄ％＊Ｐｔｏｔａｌ］−ΣＰｈｏｌｄから決定するための手段、
電力稼働率係数（ｋａｖａｉｌａｂｌｅ）を次の方程式
ｋａｖａｉｌａｂｌｅ＝［Ｐａｖａｉｌａｂｌｅ］／［ΣＰｍｅｌｔ］から決定するための手段、及び
もし前記電力稼働率係数（ｋａｖａｉｌａｂｌｅ）が１より小さければ、前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する前記電力設定点（Ｐｉ）を、前記電力設定点（Ｐｉ）が前記誘導炉最大保持電力より大きくなるように、前記電力稼働率係数（ｋａｖａｉｌａｂｌｅ）及び前記電力設定点（Ｐｉ）の積と実質的に等しい値まで調節するための手段から成ることを特徴とするシステム。
【請求項１７】  前記整流器ユニット（１２）が、前記交流供給電力（１６）を受け取るために選択的に接続可能な入力、及び前記大きさの直流電力を前記複数のインバータモジュール（２４）へ供給するために共有直流接続（１８）へ選択的に接続可能な出力に選択的に接続された複数の整流器モジュール（２２）を更に含むことを特徴とする、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】  選択的に金属を溶融し、溶融金属を予め選択された温度に複数の誘導炉（２０）で保持するための方法であって、予め定められた温度で、前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）が、実質的に容量いっぱいの金属を溶融状態に保持するための誘導炉最大保持電力、及び誘導炉最大電力消費を有し、前記方法が
交流電力（１６）を前記複数の誘導炉へ複数のインバータユニット（１４）から供給し、前記複数のインバータユニットの各インバータユニット（１４）が前記交流電力を前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）へ専任で供給し、
ある大きさの直流電力をある大きさの交流供給電力（１６）を受け取る少なくとも１つの整流器モジュール（２２）から全ての前記複数のインバータユニット（１４）へ供給し、直流電力の前記大きさが、全ての前記複数の誘導炉に対する各誘導炉（２０）に対する誘導炉最大電力消費の総和以下であり、全ての前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する前記誘導炉最大保持電力の総和以上であり、
前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対して電力設定点（Ｐｉ）を設定し、
前記複数のインバータユニットの各インバータユニット（１４）を構成するために、複数のインバータモジュール（２４）を提供し、
もし全ての前記複数の誘導炉に対する各誘導炉（２０）に対する前記電力設定点（Ｐｉ）の総和が直流電力の前記大きさより大きければ、前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する前記電力設定点（Ｐｉ）を、電力設定点が前記誘導炉最大保持電力を越えるように減少させ、及び
利用可能な溶融電力の大きさを、前記誘導炉最大保持電力より大きい電力設定点を有する前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）の間で分配し、利用可能な溶融電力の前記大きさが、交流供給電力（１６）の前記大きさと、前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する電力設定点を総計することにより決定された維持のために必要な電力の総和の間の差により決定され、前記電力設定点が、前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する前記誘導炉最大保持電力以下である諸ステップから成る方法。
【請求項１９】  選択的に金属を溶融し、溶融金属を予め選択された温度に複数の誘導炉（２０）で保持するための方法であって、前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）が、実質的に容量いっぱいの金属を溶融状態に保持するための誘導炉最大保持電力、及び実質的に容量いっぱいの金属を溶融するための誘導炉最大電力消費を有し、
交流電力（１６）を前記複数の誘導炉へ前記複数の誘導炉の数に等しい複数のインバータユニット（１４）から供給し、前記複数のインバータユニットの各インバータユニット（１４）が前記交流電力を前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）へ専任で供給し、
ある大きさの直流電力をある大きさの交流供給電力（１６）を受け取る少なくとも１つの整流器モジュール（２２）から全ての前記複数のインバータユニットへ供給し、直流電力の前記大きさが、全ての前記複数の誘導炉に対する各誘導炉（２０）に対する誘導炉最大電力消費の総和以下であり、全ての前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する前記誘導炉最大保持電力の総和以上であり、
前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対して電力設定点（Ｐｉ）を設定し、
前記複数のインバータユニットの各インバータユニットを構成するために、複数のインバータモジュールを提供し、
もし全ての前記複数の誘導炉に対する各誘導炉（２０）に対する前記電力設定点（Ｐｉ）の総和が直流電力の前記大きさより大きければ、前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する前記電力設定点（Ｐｉ）を、電力設定点が前記誘導炉最大保持電力を越えるように減少させ、
需要制限の百分率（Ｄ％）及び最大電力の総和（Ｐｔｏｔａｌ）をシステムで利用可能にするために入力し、
維持のために必要な電力の総和（ΣＰｈｏｌｄ）を前記誘導炉最大保持電力以下の前記電力設定点（Ｐｉ）を有する前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する電力設定点（Ｐｉ）を総計することにより決定し、
溶融に必要な電力の総和（ΣＰｍｅｌｔ）を前記誘導炉最大保持電力より大きい前記電力設定点（Ｐｉ）を有する前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する電力設定点（Ｐｉ）を総計することにより決定し、
溶融のために利用可能な電力の総和（Ｐａｖａｉｌａｂｌｅ）を次の方程式
Ｐａｖａｉｌａｂｌｅ＝［Ｄ％＊Ｐｔｏｔａｌ］−ΣＰｈｏｌｄから決定し、
電力稼働率係数（ｋａｖａｉｌａｂｌｅ）を次の方程式
ｋａｖａｉｌａｂｌｅ＝［Ｐａｖａｉｌａｂｌｅ］／［ΣＰｍｅｌｔ］から決定し、及び
もし前記電力稼働率係数（ｋａｖａｉｌａｂｌｅ）が１より小さければ、前記複数の誘導炉の各誘導炉（２０）に対する前記電力設定点（Ｐｉ）を、前記電力設定点（Ｐｉ）が前記誘導炉最大保持電力より大きくなるように、前記電力稼働率係数（ｋａｖａｉｌａｂｌｅ）及び前記電力設定点（Ｐｉ）の積と実質的に等しい値まで調節する諸ステップから成る方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の属する技術分野］
本発明は誘導炉に関し、特に金属の溶融及び加熱のために誘導炉を使用する大規模システムのための改良された電源システムに関する。
【０００２】
［本発明の背景］
誘導溶融システムは、金属鋳造部品の生産において人気が出てきた。何故ならば、それらが金属を加熱し溶融するための効率的かつクリーンな方法を提供するからである。誘導炉では、挿入金属は、誘導コイルの内部又はすぐ隣に配置される。電力が誘導コイルに供給され、コイルが発生した電磁場により金属を加熱する。現代の誘導溶融システムは、固体電力変換器を通して電力を供給される誘導炉を含む。固体電力変換器は、公益電力企業の配電線又は類似のものからの３相標準周波数（５０又は６０Ｈｚ）電力を、コイルに加えられる単相可変周波数電流に変換する。変換器は、コイルの誘導性インピーダンスを電源の容量性インピーダンスと整合させて誘導炉内部の挿入金属に最適電力を供給するように可変周波数を調節する。
【０００３】
電力半導体素子における進歩が、メガワットレベルの電力を供給する能力がある更に大規模な静止固体変換器を作ることを可能にした。これは、１時間あたり数十から数百トンの溶融金属の生産速度を容易にする。
【０００４】
誘導溶融システムのサイズの増加は、２つの重要な条件（溶融工場から鋳造工場への「仕様に基づく」溶融金属の連続的な途切れない供給、及び溶融システムの高い信頼性）を提出する。米国特許第５，２７２，７１９号は、単一の変圧器／整流器ユニットが電力を２つの誘導炉へ同時に供給することを可能にし、電力が２つの誘導炉の間で円滑に移されることを可能にする２出力変換器を記載している。
【０００５】
この構想は、複数のインバータユニットの使用を可能にするために更に拡張でき、各インバータユニットは別々の誘導炉に１つの整流器ユニットを提供する。大規模な溶融工場は、１時間に約５０メガワットを消費する１００トンの溶融金属の生産を要求するかもしれない。一定かつ安定した金属の供給を保証するために、システムは５０メガワットを交流電源から直流へ変換できる変圧器／整流器ユニット、及び各々が３５トン誘導炉に接続している３つの２４メガワットインバータを含む。そのような設備を用いて、最大電力溶融が２つの誘導炉で同時に行われ、４８メガワットを消費し、２メガワットが高温の溶融金属を分配するプロセスにある第３の誘導炉の中の温度を維持するために利用できる。
【０００６】
［発明の要約］
本発明によると、システムの信頼性は変圧器／整流器ユニット及び／又はインバータユニットのモジュール式設計により達成される。各ユニットは、幾つかの自己完結型モジュールから成る。
【０００７】
本発明の１側面によると、金属を融解し溶融金属を保持するためのシステムが提供される。システムは交流電力を受け取り直流電力を出力する整流器ユニット、（全てが整流器ユニットからの直流電力出力を受け取り、各々が交流電力を出力する）１つ又は複数のインバータユニット、及びインバータユニットからの各電力出力を各々が受け取る１つ又は複数の誘導炉から成る。各インバータユニットは並列に接続された複数のインバータモジュールから成ることが好ましく、前記各モジュールは、整流器ユニット及び各誘導炉と独立に接続し切り離すことができる。代わりに又は加えて、前記整流器ユニットは並列に接続された複数の整流器モジュールから成ることが好ましく、前記各モジュールは、電源及び整流器ユニットと独立に接続し切り離すことができる。
【０００８】
各整流器モジュールは変圧器、及び変圧器からの出力を整流するための整流器から成る。少なくとも変圧器の幾つかは、交流電力を変圧する間に交流電力の位相を変化させるために取り付けられることが好ましく、異なる前記整流器モジュールの変圧器は異なる量だけ交流電源の位相を変化させることが好ましい。
【０００９】
各整流器又はインバータモジュールは制御装置を有し、制御装置はネットワークを介して通信し、問題が１つのモジュールに悪影響を及ぼすとき、各制御装置はそのモジュールを切り離し、同じユニットの他のモジュールの制御装置にネットワークを通して通知する。
【００１０】
前記他の制御装置が１つのモジュールが切り離されたことを通知されるとき、前記他の制御装置は残りのモジュールを次々をシャットダウンできる。代わりに、１つのモジュールが切り離されるとき、残りのモジュールは電力を減少した総容量で供給し続けてもよい。
【００１１】
［本発明の詳細な記載］
図１を参照すると、誘導溶融システムの従来の１形態は、２つのユニット（変圧器／整流器１２及びインバータ１４）から成る電力変換器を含む。変圧器／整流器１２は交流電源電力を３相電源１６から電力線１８上の直流電力に変換し、インバータ１４は直流電力を誘導炉２０に供給される交流電流に変換する。誘導炉２０の誘導性インピーダンスを補償するために、インバータユニット１４は（誘導炉のインダクタンスと合わせたときに）共振ループを形成するキャパシタ（図示されない）を取り入れる。インバータ１４の動作周波数を変えることは共振ループのインピーダンスを変化させ、従って、負荷２０に供給される電力を制御する。
【００１２】
図２に示されるように、（その内容全体が本明細書で参照される）米国特許第５，２７２，７１９号で開示されるシステムに類似の２出力誘導溶融システムは、単一の変圧器／整流器１２を含む。変圧器／整流器１２は、並列接続された２つのインバータ１４に共通の直流電力線１８を通して電力を供給する。各インバータ１４は個々の誘導炉２０に電力を供給する。各インバータ１４は、最大溶融電力を各々の誘導炉２０に供給できる。変圧器／整流器１２の最大電力出力は最大溶融電流を１つの誘導炉へ供給するのに十分であり、（焼結若しくは他の処理、又は溶融金属の投入物の温度を単に維持するために）更に低い電力を他の誘導炉へ供給するのにも十分である。一方が金属を溶融している間に他方が前に溶融された金属を処理又は分配するように、２つの誘導炉は交番サイクルで運転される。
【００１３】
図３に示されるように、改良された誘導溶融システムは３つのインバータ１４に電力を供給する３出力変圧器／整流器１２を有し、各インバータ１４は単一の誘導炉２０に電力を供給する。例として、各誘導炉２０は３５トン誘導炉であり、金属の投入物を溶融するために４０分間に２４メガワットの電力を必要とし、溶融した投入物を高温に維持するために電力を２メガワットに維持する必要がある。従って、各インバータ１４は２４メガワットの電力処理能力を有する。変圧器／整流器１２は５０メガワットの電力処理能力を有する。３つの誘導炉の運転サイクルの適切にずらされたタイミングにより、１つの誘導炉は溶融サイクルを２０分毎に開始できる。従って、工場は１つの誘導炉を鋳込みにより２０分だけ空にし、その間に他の２つの誘導炉は次の２バッチを溶融する。従って、鋳造工場は金属の安定供給を得、先行の１つが空になった丁度そのときに各誘導炉は鋳込みのために利用可能になる。電力消費も安定しており、電力需要を最小にする。
【００１４】
しかし、図３に示されるシステムは問題を提供する。更に詳細には、非常に大規模な２４メガワットのインバータは信頼性及び耐久性が高くなく、もし３５トンの溶融した又は部分的に溶融した金属を収容している誘導炉が突然熱を奪われたら、インバータの１つの故障が運転上の問題の原因となり得る。また、そのような故障はシステムから第３段の金属溶融能力を奪い、突然の故障は入力電源１６に伝搬する容認できない過渡的サージを招く。３相変圧器／整流器１２の１つの相での故障は、類似の望ましくない効果を有する。
【００１５】
図４〜図６を参照すると、本発明の１実施例では、単一の変圧器／整流器ユニット１２は、並列に配置された８個のモジュール２２から成る。各モジュール２２は入力３相交流電源１６、及び直流電力線１８に接続される。各インバータ１４は、並列に配置された８個のモジュール２４から成る。各モジュール２４は直流電力線１８により電力を供給され、従って、直流電力線１８は８個の変圧器／整流器モジュール２２の全てを２４個のインバータモジュール２４の全てに接続する直流電力バスを形成する。８個のインバータモジュール２４の全ては、インバータ１４の電力供給を他のバス２５、それらの各誘導炉２０の誘導コイルを通して構成する。
【００１６】
例として、図４に示される５０メガワットの３出力溶融システムは、１つの変圧器／整流器ユニット、及び３つのインバータユニットから成る。変圧器／整流器ユニット１２は、定格が６，５００ｋＶＡである８個の同一の変圧器／整流器モジュール２２から成る。各インバータユニット１は、８個の３メガワットモジュール２４から成る。
【００１７】
高出力モジュール式誘導加熱及び溶融システムのブロック線図が、図４に示される。このシステムの物理的レイアウトが図５及び図６に示され、制御ブロックの線図が図７に示される。
【００１８】
各変圧器／整流器モジュール２２は自律型電子制御装置２６を含み、各インバータモジュール２４は自律型電子制御装置２８を含む。全ての制御装置は、図６に示される共用のディジタル制御ネットワークを介して通信する。加えて、入力ラインモニタ３０、誘導炉モニタ３２、及びオペレータインターフェースパネル３４が制御ネットワークに接続される。モニタ及び制御装置のタスクは、システム全体の安全なオペレーションを保証することである。
【００１９】
図８を参照すると、各変圧器／整流器モジュール２２は高電圧切断スイッチ４２、保護ヒューズ４４、変圧器４６、整流器４８、直流リアクトル５０、直流切断スイッチ５３、及び制御装置２６から成る。
【００２０】
高電圧切断スイッチ４２は変圧器／整流器モジュール２２を入力高電圧３相電力線１６から安全に切り離すために役立ち、モジュールの補修を可能にする。保護ヒューズ４４は、変圧器４６を過負荷状態から保護するために役立つ。変圧器４６は、第１の交流電源電圧を、システムに対する安定した直流の供給を生成するために整流器４８が必要とする第２の電圧を整合させるために役立つ。変圧器４６は、第１の及び第２の交流電圧の間に所望する位相シフトを生成するために形成される第１の巻線５２及び第２の巻線５４を含む。
【００２１】
各モジュール２２は、異なるサブ巻線５６の相互接続により生成される第２の巻線５４上に異なる位相シフトを有する。位相をシフトさせることにより、整流器４８が電力線１６に入射する歪みを最小にすることが可能である。整流器モジュール２２の１つで生成された歪みが他の整流器モジュール２２で生成された歪みにより打ち消されるとき、この歪みの低減は達成される。従って、歪みは第２の巻線の内部に閉じ込められ、高電圧供給線に到着することなく変圧器／整流器モジュールの中で循環する。
【００２２】
整流器４８は、ＳＣＲ集積ゲート端末６０を介して整流器制御装置２６から活性化される６個のシリコン制御整流器（ＳＣＲ）５８を含む。制御装置２６は変圧器の第２の巻線の交流、直流、ＳＣＲ電圧、及び交流電流をモニタする。制御装置２６は、制御装置がシステムの他の制御装置及びモニタ、並びに外部のオペレータパネル及び監視コンピュータと通信することを可能にする（図示されない）ディジタル通信インターフェースを含む。
【００２３】
整流器制御装置２６は整流器ＳＣＲ５８を外部コマンドで活性化でき、又は異常事態が安全なオペレーションを危うくするときに整流器ＳＣＲ５８を停止させることができる。脅威を受けている整流器モジュール２２だけがシャットダウンし、残りのモジュール２２は作動を継続できる。従って、もしかすると出力が減少するかもしれないが、システムは全体として作業を継続できる。
【００２４】
悪影響を受けたモジュール２２の制御装置２６は他の制御装置に１つの変圧器／整流器モジュールのサービスからの除去を知らせ、システム全体の適切な調整が自動的に又はパネル３４における人間のオペレータの指示で行われる。
【００２５】
直流リアクトル５０は、交流供給電力線１６へのインバータ周波数の入射を最小にするために、直流バス１８でインバータにより誘導される直流リップルを抑止する。また、直流リアクトル５０は、もし溶融システムの運転開始の間に直流電圧が減衰しなければ、直流電流の変化率を制限する。
【００２６】
また、制御装置２６は、全ての変圧器／整流器モジュール２２の間で電力消費を等化するために、ＳＣＲゲーティングのタイミングを調節する。高電圧直流切断スイッチ４２、５３は手動で操作される。それらは、モジュール２２の１つがサービスから取り除かれ、補修のために電源から切り離されるときに使用される。
【００２７】
図９を参照すると、各インバータモジュール２４は、２つのインバータ級ＳＣＲ６２、１組のダイオード６４、１組の通信リアクトル６６、１組の第１のキャパシタ６８、１組の第２のキャパシタ７０、１組のフィルタキャパシタ７２、電子切断スイッチ７４、機械式切断直流スイッチ７６、及び機械式切断出力スイッチ７８から成るパネルを含む。電子切断スイッチは、高電圧ダイオード、ＳＣＲ、ゲート制御サイリスタ（ＧＣＴ）、又はＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）の手段により実施される。
【００２８】
インバータＳＣＲ６２は（電流を）供給されるか、或いは、誘導炉２０に通じる交流バスへ交流電流を注入する。誘導炉電流は、インバータモジュール２４の間に殆ど等しく分配される。誘導炉電流の偏りは、各インバータモジュールの第１及び第２のキャパシタンスの許容範囲により決定される。
【数１】
2002544755.tif 000001
ここで、
Ｉｉは、各インバータモジュールの交流電流、
Ｉ＝ΣＩｉは、誘導炉内の全インバータモジュールの交流電流の総和、
ΔＣｉは、各モジュールのキャパシタの相対的な許容範囲、及び
Ｎは、インバータユニットのインバータモジュールの数である。
【００２９】
交流キャパシタの一般的な許容範囲は、平均値の５％である。従って、各モジュールのインバータ電流は、Ｉｉ＝Ｉ／Ｎ（１±０．０５）の範囲にある。
【００３０】
全インバータモジュールのゲートパルスは同期される。インバータ制御装置２８は、インバータモジュール構成要素の直流電圧及び交流電圧、並びに電流をモニタする。インバータ制御装置２８は、ネットワークを介して互いに及びオペレータパネル３４と接続される。もし、インバータ制御装置２８がインバータモジュール２４で異常状態を検出したら、インバータ制御装置２８は最初にこのモジュールを直流バスから電子切断スイッチ７４を開くことにより切り離す。インバータＳＣＲ６２の１つでの故障及びインバータパネル２４での短絡の場合、電子スイッチは自動的に１つのインバータモジュールから他へのエネルギーの放電を阻止する。また、故障は、制御ネットワークを介して同じインバータユニット１４から成る他の全モジュールへ伝えられる。特定の環及び使用される制御アルゴリズムにより、他のモジュール２４は誘導炉２０へいくらか減少した溶融電力を供給し続け、電力を溶融は一時停止するが誘導炉内部の溶融材料は凝固しない保持レベルまで下げるか、又は運転を完全に停止させる。故障の理由は、少なくとも一番近いオペレータインターフェース端末３４に伝えられる。たとえ誘導炉をすぐにシャットダウンすることが決定されても、交流供給電力線１６へ注入されるか又はシステムの他の部分に及ぼされる切換遷移が大幅に減少するように、誘導炉の停止はインバータモジュール２４の運転を１度に１個づつ僅かなインターバルで停止させることにより実際には行われる。
【００３１】
手動の交流及び直流切断スイッチ７６、７８は、個々のインバータモジュール２４が補修又は修理のためにサービスから取り除かれることを可能にする。
【００３２】
以下に記載される制御アルゴリズムは、工場設定パラメータ及びプロセス変数に基づく。アルゴリズムの原理は、十分な電力を全誘導炉へ金属が冷却されないように供給することである。利用可能な電力の残りは、溶融に携わるこれらの誘導炉の間に各誘導炉が必要な電力の総和に比例して分配される。外部の有用な供給源から引き出せる電力の総和が限定されるとき、誘導加熱及び溶融システムで利用可能な最大電力の総和は公称値以下に減少しなければならない。例えば、有用な供給源を分け合う他の負荷が異常に高ければ、これらが起こる。それは、利用可能な最大電力の総和に需要制限を負わせることにより引き起こされる。しかし、そのような場合でさえ、溶融金属を保持する誘導炉はまだ保持電力を供給される。
【００３３】
［工場設定パラメータ］
Ｎ  −  誘導炉又はインバータユニットの数。
Ｐｔｏｔａｌ  −  誘導及び溶融システムで利用可能な最大電力の総和であり、利用可能な最大交流供給電力の総和にほぼ等しいか、又は整流器ユニット、整流器ユニットの出力からの利用可能な最大直流電力の総和における無視してもよい損失を仮定する。
Ｐｍａｘ  −  各インバータユニットの最大電力等級であり、インバータユニットに接続された誘導炉の最大電力消費に等しい。
Ｐｈｏｌｄ  −  各誘導炉に対する最大保持電力。
【００３４】
［制御変数］
Ｐｉ  −  各誘導炉に対する電力設定点。
ｎｈｏｌｄ  −  保持電力にある誘導炉又はインバータユニットの数。
ｎｍｅｌｔ  −  溶融電力にある誘導炉又はインバータユニットの数。
ΣＰｈｏｌｄ  −  選択した温度に金属を保持するために必要な電力の総和。
ΣＰｍｅｌｔ  −  溶融のための電力の総和。
Ｄ％  −  需要因子（パーセント）。
Ｐａｖａｉｌａｂｌｅ  −  溶融のために利用可能な電力の総和。
ｋａｖａｌａｂｌｅ  −  電力稼働率係数。
【００３５】
Ｐｉ（各誘導炉に対する電力設定点）は、オンラインで全ユニットに対してモニタされる。もしＰｉがＰｈｏｌｄより小さければ、値Ｐｉが保持電力の総和Ｐｈｏｌｄに加えられ、保持ユニットの数の総計ｎｈｏｌｄがインクリメントする。さもなければ、溶融に必要な電力の総和Ｐｍｅｌｔが累積され、溶融ユニットの数の総和ｎｍｅｌｔがインクリメントする。この方法で、各制御装置は幾つのユニットが溶融しており、それらユニットはどれだけの電力が必要かを知る。
【００３６】
溶融のために利用可能な電力は次のように計算される。
Ｐａｖａｉｌａｂｌｅ＝［Ｄ％＊Ｐｔｏｔａｌ］−ΣＰｈｏｌｄ
溶融稼働率係数は次のように計算される。
ｋａｖａｉｌａｂｌｅ＝Ｐａｖａｉｌａｂｌｅ／ΣＰｍｅｌｔ
【００３７】
もし、ｋａｖａｉｌａｂｌｅ＜１ならば、電力制限は以下の式により必要な電力の一部として設定される。
Ｐｉ ｌｉｍｉｔ＝ｋａｖａｉｌａｂｌｅ＊Ｐｉ
【００３８】
上記用途に使用される適切な疑似コードは次のようである。
【数２】
2002544755.tif 000002
電力需要制御は全制御ユニットに送り込まれる。もし整流器モジュールの１つがサービスのために除去されたら、電力需要は正常値の（ｍ−１）／ｍまで減少する。ここで、ｍはシステムの整流器モジュールの数である。
【００３９】
当業者は、誘導炉のための保持電力が、誘導炉の中の溶融金属を予め選択された温度に保持するために誘導炉のコイル負荷に加えなければならない電力を表すことを高く評価するであろう。
【００４０】
「Foundry Management and Technology」誌の１９９９年３月号１４〜２０ページ、及び１９９９年５月号４１〜５０ページに記載のJohn H. Mortimer, P.E.による論文「Tomorrow's Induction Melt Technologies Today」を参照する。論文の内容全体を本明細書に引用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来の誘導溶融システムのブロック線図である。
【図２】
以前に提案された誘導溶融システムのブロック線図である。
【図３】
３出力電力変換システムを有する誘導溶融システムのブロック線図である。
【図４】
モジュール式変圧器／整流器及びインバータユニットを有する誘導溶融システムのブロック線図である。
【図５】
図４のシステムの斜視図である。
【図６】
図５の詳細な斜視図である。
【図７】
図４のシステムのための制御ネットワークのブロック線図である。
【図８】
図４のシステムの変圧器／整流器モジュールの回路図である。
【図９】
図４のシステムのインバータモジュールの回路図である。
【符号の説明】
１２  変圧器／整流器ユニット
１４  インバータユニット
１６、１８  電力線
２０  誘導炉
２２  変圧器／整流器モジュール
２４  インバータモジュール
２６  整流器制御装置
２８  インバータ制御装置
３０  入力ラインモニタ
３４  オペレータパネル
４２、５３  高電圧直流切断スイッチ
４４  保護ヒューズ
４６  変圧器
４８  整流器
５０  直流リアクトル
５２、５４  巻線
５６  サブ巻線
６０  集積ゲート端末
６４  ダイオード
６６  通信リアクトル
６８、７０  キャパシタ
７２  フィルタキャパシタ
７４  電子切断スイッチ
７６、７８  直流切断スイッチ