(57)【要約】      （修正有）【課題】棚吊り状態のような異常を簡易かつ確実に検出することができる誘導溶解炉の誘導溶解炉の異常検出装置および異常検出方法を提供する。【解決手段】誘導溶解炉の制御装置１００は、加熱コイルへ６１の電力の供給状態から負荷インピーダンスを算出する負荷インピーダンス算出部と、加熱コイルへの電力の供給状態から負荷共振周波数を算出する負荷共振周波数算出部とを備え、負荷インピーダンス算出部により算出された負荷インピーダンスの経時変化と、負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数の経時変化とが共にない場合を異常として検出する。【選択図】図１
2018152251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉壁の外周に設けられた加熱コイルに、順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器とが共振型回路を構成する電力変換部と、該第１および第２スイッチング素子に対する制御信号を生成する制御信号生成部とを備える電力供給手段を介して電力を供給することにより、炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の異常検出装置であって、
前記加熱コイルへの電力の供給状態から負荷インピーダンスを算出する負荷インピーダンス算出部と、
前記加熱コイルへの電力の供給状態から負荷共振周波数を算出する負荷共振周波数算出部と
を備え、
前記負荷インピーダンス算出部により算出された負荷インピーダンスの経時変化と、前記負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数の経時変化とが共にない場合を異常として検出することを特徴とする誘導溶解炉の異常検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の誘導溶解炉の異常検出装置において、
一定のサンプリング周期における前記負荷インピーダンス算出部により算出された負荷インピーダンスの前回値と今回値とが負荷インピーダンス判定閾値内であって、一定のサンプリング周期における前記負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数の前回値と今回値とが負荷共振周波数判定閾値内である場合を、該負荷インピーダンスの経時変化と、該負荷共振周波数の経時変化とが共にない場合として、異常を検出することを特徴とする誘導溶解炉の異常検出装置。
【請求項３】
請求項１記載の誘導溶解炉の異常検出装置において、
前記負荷インピーダンス算出部により算出された負荷インピーダンスの所定時間の経時変化量が負荷インピーダンス判定閾値内であって、前記負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数の所定時間の経時変化量が負荷共振周波数判定閾値内である場合を、該負荷インピーダンスの経時変化と、該負荷共振周波数の経時変化とが共にない場合として、異常を検出することを特徴とする誘導溶解炉の異常検出装置。
【請求項４】
炉壁の外周に設けられた加熱コイルに、順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器とが共振型回路を構成する電力変換部と、該第１および第２スイッチング素子に対する制御信号を生成する制御信号生成部とを備える電力供給手段を介して電力を供給することにより、炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の異常検出方法であって、
前記加熱コイルへの電力の供給状態から負荷インピーダンスを算出する負荷インピーダンス算出部により算出された負荷インピーダンスの経時変化と、前記加熱コイルへの電力の供給状態から負荷共振周波数を算出する負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数の経時変化とが共にない場合を異常として検出することを特徴とする誘導溶解炉の異常検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の異常検出装置および異常検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の誘導溶解炉では、下記特許文献１に示すように、被溶解材が棚吊り状態となり、そのまま加熱を継続して炉壁が損傷してしまうのを防止するように、溶湯温度上昇を炉体構成の耐火材内部に埋め込んだ温度センサで検出し、更に温度センサを湯漏れ検出用アンテナに接続して湯漏れ事故も併せて検出する検出装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−８２１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、誘導溶解炉は、温度センサが設置される耐火材内部は、コイル保持ライニングとなっており、コイル保持ライニングは水冷式加熱コイルが設置される。
【０００５】
そのため、かかる従来の検出装置では、温度センサおよびその近傍が冷却されているので棚吊りで生じる過昇温を検出することが困難である。
【０００６】
特に、近年、従来の電流形インバータと並列共振負荷の組合せから電圧形インバータと直列共振負荷の組合せを適用する事例が多くなっており、かかる電圧形インバータと直列共振負荷の組合せでは、溶解初期からフル電力の印加が可能となる。そのため、かかる電圧形インバータと直列共振負荷の組合せでは、溶解材料の炉壁周辺部のみ溶解し、溶解材料中心部のみ溶解せずに棚吊り状態になる事例が発生し易くなっているところ、有効な解決策が望まれている。
【０００７】
以上の事情に鑑みて、本発明は、棚吊り状態のような異常を簡易かつ確実に検出することができる誘導溶解炉の誘導溶解炉の異常検出装置および異常検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明の誘導溶解炉の異常検出装置は、炉壁の外周に設けられた加熱コイルに、順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器とが共振型回路を構成する電力変換部と、該第１および第２スイッチング素子に対する制御信号を生成する制御信号生成部とを備える電力供給手段を介して電力を供給することにより、炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の異常検出装置であって、
前記加熱コイルへの電力の供給状態から負荷インピーダンスを算出する負荷インピーダンス算出部と、
前記加熱コイルへの電力の供給状態から負荷共振周波数を算出する負荷共振周波数算出部と
を備え、前記負荷インピーダンス算出部により算出された負荷インピーダンスの経時変化と、前記負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数の経時変化とが共にない場合を異常として検出することを特徴とする。
【０００９】
第１発明の誘導溶解炉の異常検出装置によれば、誘導溶解炉のパイオニアでありエキスパートである本願発明者らは、鋭意試験研究を繰り返す中で、棚吊り状態が進行した場合、誘導溶解炉のインダクタンスである漏れインダクタンスが変化しないので共振周波数が固定となると共に、炉底部の溶湯と炉頂部の棚部の溶解材料は変化しないので負荷インピーダンスはほぼ固定状態となるとの知見を得た。
【００１０】
かかる知見に基づいて、負荷インピーダンスの経時変化と、負荷共振周波数の経時変化とに着目し、これらが共に変化がない場合を異常として検出することで、検出困難な温度センサ等を用いることなく、簡易な構成で確実に棚吊り状態等の異常を検出することができる。
【００１１】
第２発明の誘導溶解炉の異常検出装置は、第１発明において、
一定のサンプリング周期における前記負荷インピーダンス算出部により算出された負荷インピーダンスの前回値と今回値とが負荷インピーダンス判定閾値内であって、一定のサンプリング周期における前記負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数の前回値と今回値とが負荷共振周波数判定閾値内である場合を、該負荷インピーダンスの経時変化と、該負荷共振周波数の経時変化とが共にない場合として、異常を検出することを特徴とする。
【００１２】
第２発明の誘導溶解炉の異常検出装置によれば、一定のサンプリング周期（例えば、１分刻み）における負荷インピーダンスの前回値と今回値とが負荷インピーダンス判定閾値内であって、一定のサンプリング周期（例えば、１分刻み）における負荷共振周波数の前回値と今回値とが負荷共振周波数判定閾値内である場合を、負荷インピーダンスの経時変化と、負荷共振周波数の経時変化とが共にない場合として異常を検出することで、具体的に棚吊り状態のような異常を簡易かつ確実に検出することができる。
【００１３】
第３発明の誘導溶解炉の異常検出装置は、第１発明において、
前記負荷インピーダンス算出部により算出された負荷インピーダンスの所定時間の経時変化量が負荷インピーダンス判定閾値内であって、前記負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数の所定時間の経時変化量が負荷共振周波数判定閾値内である場合を、負荷インピーダンスの経時変化と、負荷共振周波数の経時変化とが共にない場合として、異常を検出することを特徴とする。
【００１４】
第３発明の誘導溶解炉の異常検出装置によれば、負荷インピーダンスの所定時間の経時変化量が負荷インピーダンス判定閾値内であって、負荷共振周波数の所定時間の経時変化量が負荷共振周波数判定閾値内である場合を、該負荷インピーダンスの経時変化と、該負荷共振周波数の経時変化とが共にない場合として異常を検出することで、具体的に棚吊り状態のような異常を簡易かつ確実に検出することができる。
【００１５】
第４発明の誘導溶解炉の異常検出方法は、炉壁の外周に設けられた加熱コイルに、順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器とが共振型回路を構成する電力変換部と、該第１および第２スイッチング素子に対する制御信号を生成する制御信号生成部とを備える電力供給手段を介して電力を供給することにより、炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の異常検出方法であって、
前記加熱コイルへの電力の供給状態から負荷インピーダンスを算出する負荷インピーダンス算出部により算出された負荷インピーダンスの経時変化と、前記加熱コイルへの電力の供給状態から負荷共振周波数を算出する負荷共振周波数算出部により算出された負荷共振周波数の経時変化とが共にない場合を異常として検出することを特徴とする。
【００１６】
第４発明の誘導溶解炉の異常検出方法によれば、棚吊り状態が進行した場合、誘導溶解炉のインダクタンスである漏れインダクタンスが変化しないので共振周波数が固定となると共に、炉底部の溶湯と炉頂部の棚部の溶解材料は変化しないので負荷インピーダンスはほぼ固定状態となるとの知見に基づいて、負荷インピーダンスの経時変化と、負荷共振周波数の経時変化とに着目し、これらが共に変化がない場合を異常として検出することで、検出困難な温度センサ等を用いることなく、簡易な構成で確実に棚吊り状態等の異常を検出することができる。  
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態の誘導溶解炉の構成を示す全体構成図。
【図２】図１の誘導溶解炉における異常検出処理の内容を示す説明図。
【図３】図１の誘導溶解炉における異常検出処理の内容を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１を参照して、本実施形態の異常検出装置が搭載される誘導溶解炉の制御装置について説明する。誘導溶解炉は、溶解炉内に収納された被溶解材Ｘを溶解させるものである。
【００１９】
具体的に、誘導溶解炉の制御装置は、電源１と、高圧受電盤２と、変換装置用変圧器３と、電力変換装置４と、高周波整合装置５と、誘導加熱装置６と、制御回路１０と、本発明の異常検出装置としての機能を有する制御装置（コントローラ）１００とを備える。
【００２０】
なお、電力変換装置４および高周波整合装置５が本発明の電力変換部に相当する。
【００２１】
電源１は、定格の交流電源であって、高圧受電盤２に接続されている。
【００２２】
高圧受電盤２は、誘導加熱装置への電源通電・停止と故障発生時の電源遮断を行う装置であって、パワーヒューズ２ａと遮断器２ｂとを備える。パワーヒューズ２ａは、短絡事故時に電流遮断する手段であって、遮断器２ｂは、電源の通電と停止に伴う開閉動作を行う。
【００２３】
変換装置用変圧器３は、高圧受電盤２に接続され、電力変換装置４への入力電圧が所定の値となるように調整する。
【００２４】
電力変換装置４は、変換装置用変圧器３に接続され、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源から任意の高周波電流を生成するための装置であって、交流/直流変換器である順変換器４１ａ，４１ｂと、直流/交流変換器である逆変換器４２ａ，４２ｂとを備え、制御回路１０からの出力制御信号により制御される。
【００２５】
具体的に、電力変換装置４は、入力側にダイオード式順変換器４１ａ，４１ｂを備え、出力側にＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂを備え、順変換器４１ａ，４１ｂにはそれぞれ直列に平滑用リアクトル４３ａ，４３ｂが接続されると共に、順変換器４１ａ，４１ｂに並列に平滑用コンデンサ４４ａおよび４４ｂが接続される。
【００２６】
さらに、電力変換装置４は、順変換器４１ａ，４１ｂの出力側の直流電圧を検出して直流電圧信号（ａ）を出力する直流電圧検出器４５と、直流電流を検出して直流電流信号（ｂ）を出力する直流電流検出器４６とを備え、直流電圧検出器４５および直流電流検出器４６の出力値は、制御回路１０に出力される。
【００２７】
なお、制御回路１０による電力変換装置４の制御内容については詳細を後述する。
【００２８】
高周波整合装置５は、電力変換装置４と誘導加熱装置６との間に設けられて、誘導加熱装置６が低力率であるため負荷力率を改善する。
【００２９】
具体的に、高周波整合装置５は、共振用コンデンサ５１ａ，５１ｂと、高周波整合装置５の出力電流を検出して出力電流信号（ｄ）を出力する電流検出器５２および出力電圧を検出して出力電圧信号（ｅ）を出力する電圧検出器５３等から構成される。
【００３０】
誘導加熱装置６は、電力変換装置４と高周波整合装置５とから供給される高周波電流を加熱コイル６１に通電させることにより、溶解炉本体内に収納された被溶解材Ｘにうず電流を発生させ、うず電流により金属材料間に発生するジュール熱で被溶解材Ｘを昇温させて溶解させる。
【００３１】
制御回路１０は、誘導溶解炉の運転・停止、出力調整等の制御を行うと共に、誘導溶解炉の制御装置として出力力率を検出する力率検出部、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号生成部としての機能を備える。
【００３２】
具体的に制御回路１０は、例えば、力率検出部と、ＰＬＬ制御部とを備え、力率検出部が、電流検出器５２の出力値である高周波整合装置５の出力電流信号（ｄ）と、電圧検出器５３の出力値である高周波整合装置５の出力電圧信号（ｅ）とから、高周波整合装置５から出力される交流電流・電圧の出力力率を算出する。また、ＰＬＬ制御部が、力率検出部により算出された出力力率に基づいて、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号を生成する。
【００３３】
制御装置１００は、主として、当該誘導炉の運転・停止，被溶解材Ｘへの供給電力調整，構成機器の破損・故障を防止するための保護等を行い、その過程で、棚吊り状態とはじめとする異常を検出する。
【００３４】
具体的に、制御装置１００は、負荷インピーダンス算出部としての機能を有する。負荷インピーダンス［％Ｒ］は、制御装置１００において、電力変換装置４の出力電力Poおよび出力電圧Voから算出される（％Ｒ＝Vo2／Po）。
【００３５】
また、制御装置１００は、負荷共振周波数算出部としての機能を有する。負荷共振周波数ｆは、整合装置５と加熱コイルの６１との間で構成される共振回路における共振周波数として算出される｛ｆ＝１／［２π√（ＬＣ）］｝。
【００３６】
そして、制御装置１００は、かかる負荷インピーダンスの算出処理および負荷共振回路の算出処理を一定の処理周期で繰り返し実行する。
【００３７】
ここで、制御装置１００は、算出した負荷インピーダンスおよび負荷共振周波数を時系列順に蓄積する。
【００３８】
図２に、制御装置１００が蓄積した負荷インピーダンスおよび負荷共振周波数の時系列データを示す。
【００３９】
図２において、横軸は、溶解の進行、すなわち経過時間［ｔ］であり、縦軸は、負荷インピーダンスの負荷特性［％Ｒ］および負荷共振周波数の周波数特性［Ｈｚ］である。
【００４０】
なお、図２おいて、本実施形態の誘導溶解炉の回路構成（図１参照）は、共振用コンデンサ(５１ａ，５１ｂ)と加熱コイル６１が直列接続された場合であり、これを直列共振負荷（実線）として示している。この場合、電圧形インバータから高周波電力を供給する構成であり、この場合の負荷インピーダンスをｒとしている。
【００４１】
一方、共振用コンデンサ(５１ａ,５１ｂ)が加熱コイル６１に並列接続された場合については、並列共振負荷（破線）として、同じ図２に参考として示している。また、この場合、 電流形インバータから高周波電力を供給する構成であり、この場合の負荷インピーダンスをＲとして示している。
【００４２】
図２示すように、通常、棚吊り状態等の異常がない場合には、負荷共振周波数特性（一点鎖線）は溶解初期から徐々に上昇する特性であり、負荷インピーダンス特性は、並列共振負荷（破線）の場合は、溶解初期で低インピーダンス(５０％Ｒ相当)、 被溶解材Ｘが磁気変態点付近で高インピーダンス(２００％Ｒ相当)、定格溶湯付近で定格インピーダンス(１００%Ｒ相当)と被溶解材Ｘの温度によって１００％Ｒを中心に大きく振幅する。 
【００４３】
一方、直列共振負荷（実線）の場合は、溶解初期で定格溶湯付近の定格インピーダンス(１００%ｒ)に対して一般的に３〜４倍大きく、溶解進行に伴った被溶解材Ｘ昇温によって徐々にインピー ダンスが小さくなる特性である。
【００４４】
このように、通常、棚吊り状態等の異常がない場合には、負荷共振周波数特性および負荷インピーダンス特性（並列共振負荷の場合も直列共振負荷の場合も）は、いずれも連続的に変化する。
【００４５】
これに対して、本願発明者らの鋭意の試験研究によれば、図３に示すように、棚吊り状態のような異常がある場合には、これらの連続性が損なわれる。
【００４６】
具体的には、図３にそれぞれ細線で示す、棚吊り状態等の異常がない場合に対して、太線で示すように、棚吊り状態になると溶湯状態の部位に磁束が集中し、棚吊り部分の材料には有効磁束が作用しないため、溶解進行に伴う負荷特性変化が停滞する。すなわち、棚吊り状態となると、炉のインダクタンスである漏れインダクタンスが変化しないので共振周波数が固定状態、炉底部の溶湯と炉頂部の棚部の溶解材料は変化しないので負荷インピーダンスはほぼ固定状態となる。
【００４７】
そのため、本実施形態の誘導溶解炉の制御装置１００は、負荷インピーダンスの経時変化と、負荷共振周波数の経時変化とが共にない場合を異常として検出する。
【００４８】
経時変化の有無は、正常状態の共振周波数および負荷インピーダンスの変動特性を基に、単位時間毎に共振周波数と負荷インピーダンスの停滞状況の比較や、共振周波数および負荷インピーダンスの変動特性の非連続性の検出によって実連してもよいが、以下に示すいずれかの処理により検出することが望ましい。
【００４９】
第１の検出処理手法として、誘導溶解炉の制御装置１００は、一定のサンプリング周期（例えば、１分刻み）における負荷インピーダンスの前回値と今回値とが同等、すなわち、負荷インピーダンス判定閾値内であり、且つ、一定のサンプリング周期（例えば、１分刻み）における負荷共振周波数の前回値と今回値とが同等、すなわち、負荷共振周波数判定閾値内である場合を異常として検出する。
【００５０】
これにより、具体的に棚吊り状態のような異常を簡易かつ確実に検出することができる。  第２の検出処理手法としては、負荷インピーダンスの所定時間の経時変化量が負荷インピーダンス判定閾値内であり、且つ、負荷共振周波数の所定時間の経時変化量が負荷共振周波数判定閾値内である場合を異常として検出する。
【００５１】
この場合も具体的に棚吊り状態のような異常を簡易かつ確実に検出することができる。
【００５２】
以上詳しく説明したように、本実施形態の誘導溶解炉の異常検出装置によれば、負荷インピーダンスの経時変化と、負荷共振周波数の経時変化とに着目し、これらが共に変化がない場合を異常として検出することで、検出困難な温度センサ等を用いることなく、簡易な構成で確実に棚吊り状態等の異常を検出することができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、以上の例として、棚吊り状態を例として説明したが、異常はこれに限定されるものではなく、負荷インピーダンスの経時変化と、負荷共振周波数の経時変化とが共に変化がない場合であれば、例えば、制御装置１００が通常の溶解作業で採取した負荷インピーダンス変化を記憶しており、これと今回の負荷インピーダンス変化を照らし合わせて、大きく相違する場合は棚吊り状態とする異常検出であってもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１…電源、２…高圧受電盤、３…変換装置用変圧器、４…電力変換装置、５…高周波整合装置、６…誘導加熱装置、１０…制御回路（制御信号生成部）、１６…γ制御回路（位相差検出部）、４１ａ，４１ｂ…ダイオード式順変換器、４２ａ，４２ｂ…ＩＧＢＴ式逆変換器、６１…加熱コイル、１００…制御装置（異常検出装置、負荷インピーダンス算出部、共振周波数算出部）、Ｘ…被溶解材。
【図１】
2018152251.tif 000003
【図２】
2018152251.tif 000004
【図３】
2018152251.tif 000005