(57)【要約】【課題】負荷インピーダンスに応じて高精度にインピーダンス整合を行うことができる誘導溶解炉の制御装置を提供する。【解決手段】誘導溶解炉の制御装置は、電力供給手段１〜６の加熱コイル８Ｂへの電力供給状態から負荷インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段としてのコントローラ１０と、サイリスタスイッチ７を介して電力供給手段１〜６に接続されると共に、加熱コイル８Ｂに並列に接続された補助コイル８Ａとを備え、コントローラ１０により、算出された負荷インピーダンスに応じてサイリスタスイッチ７を制御することにより、負荷インピーダンスと電力供給手段１〜６の電源インピーダンスとのインピーダンス整合を行う。【選択図】図１
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【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加熱材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、
前記電力供給手段の前記加熱コイルへの電力供給状態から負荷インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、
逆並列接続された半導体スイッチング素子を介して前記電力供給手段に接続されると共に、前記加熱コイルに並列に接続された補助コイルと、
前記インピーダンス算出手段により算出される負荷インピーダンスに応じて、前記半導体スイッチング素子を制御することにより、前記負荷インピーダンスと前記電力供給手段の電源インピーダンスとのインピーダンス整合を行うスイッチ制御手段とを備えることを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の誘導溶解炉の制御装置において、
スイッチ制御手段は、インピーダンス算出手段により算出された負荷インピーダンスが、前記電源インピーダンスよりも小さい場合に、前記補助コイルへの出力を高めるように前記半導体スイッチング素子を制御すると共に、前記負荷インピーダンスが前記電源インピーダンスよりも大きい場合に、前記補助コイルへの出力を低めるように前記半導体スイッチング素子を制御することにより、前記インピーダンス整合を行うことを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の誘導溶解炉の制御装置としては、下記特許文献１に示すように、インバータと加熱コイルの間に接続されたタップ付変圧器を有する負荷整合回路と、この変圧器のタップを切り替えるマッチング調整機構とを備え、マッチング調整機構は、インバータの出力電圧及び出力電流を読み込み適正タップを求める演算部と、前記変圧器のタップ値が求めた適正タップとなるようにタップを切り替えるタップ切替回路とにより構成した制御装置が知られている。
【０００３】
かかる制御装置によれば、インバータの出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉを取り込み、ＶとＩとの比を演算して負荷（被加熱部材）特性の傾きＫ（＝Ｉ／Ｖ）を求める演算を行い、求めたＫと予め設定してある負荷特性の傾きＫ1〜Ｋ4とタップ値Ｔ１〜Ｔ３とを比較して適正タップ値に切り替えることで、インピーダンス整合をとることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２４１８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の誘導溶解炉の制御装置では、切換可能なタップ数は有限であること、および、タップの切換は、電源のＯＦＦ等の処理を伴うことなど応答速度が遅いことから、負荷インピーダンスが変化する誘導溶解炉のインピーダンス整合では、高精度にインピーダンス整合を行うことは困難であった。
【０００６】
以上の事情に鑑みて、本発明は、負荷インピーダンスに応じて高精度にインピーダンス整合を行うことができる誘導溶解炉の制御装置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】
【０００７】
上記目的を達成するために、第１発明の誘導溶解炉の制御装置は、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加熱材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、
前記電力供給手段の前記加熱コイルへの電力供給状態から負荷インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、
逆並列接続された半導体スイッチング素子を介して前記電力供給手段に接続されると共に、前記加熱コイルに並列に接続された補助コイルと、
前記インピーダンス算出手段により算出される負荷インピーダンスに応じて、前記半導体スイッチング素子を制御することにより、前記負荷インピーダンスと前記電力供給手段の電源インピーダンスとのインピーダンス整合を行うスイッチ制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
第１発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、経時的に負荷インピーダンスが変化した場合に、これに応じて半導体スイッチング素子を制御することにより、補助コイルに掛かる印加電圧を可変させて補助コイルのインピーダンスを変化させることができる。これにより、補助コイルと負荷インピーダンスとの合成インピーダンスを電源インピーダンスに整合させることができる。そのため、タップ切換によるインピーダンス整合を行う場合と異なり、迅速かつ高精度に、負荷インピーダンスと電源インピーダンスとのインピーダンス整合を行うことができる。
【０００９】
第２発明の誘導溶解炉の制御装置は、第１発明において、
スイッチ制御手段は、インピーダンス算出手段により算出された負荷インピーダンスが、前記電源インピーダンスよりも小さい場合に、前記補助コイルへの出力を高めるように前記半導体スイッチング素子を制御すると共に、前記負荷インピーダンスが前記電源インピーダンスよりも大きい場合に、前記補助コイルへの出力を低めるように前記半導体スイッチング素子を制御することにより、前記インピーダンス整合を行うことを特徴とする。
【００１０】
第２発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、補助コイルのインピーダンス（Ｒ１）と加熱コイルのインピーダンス（Ｒ２）から、これらの合成コイルのインピーダンス（Ｒ３）は、Ｒ３＝Ｒ２×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）のように表わされる。かかる合成コイルのインピーダンス（Ｒ３）は、補助コイルのインピーダンス（Ｒ１）を加熱コイルのインピーダンス（Ｒ２）に対して変化させることにより、可変値となる。そのため、負荷インピーダンスの変化を相殺するように補助コイルのインピーダンス（Ｒ１）をスイッチング素子を介して変化させることにより、合成コイルのインピーダンス（Ｒ３）を電源インピーダンスに高精度に整合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】誘導溶解炉の全体的な構成を示す構成図。
【図２】図１の等価回路を示す説明図。
【図３】コントローラによる処理内容を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１を参照して、本実施形態の誘導溶解炉の制御装置について説明する。誘導溶解炉は、溶解炉本体Ｘ内に収納された被加熱材Ｙを溶解させるものである。
【００１３】
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、高調波フィルタ３と、変換装置用変圧器４と、高周波インバータ５と、高周波整合装置６と、サイリスタスイッチ７と、コイル８と、コントローラ１０とを備える。
【００１４】
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。
【００１５】
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２１と、遮断機２２と、計器用変流器２３と、計器用変圧器２４とを備える。
【００１６】
パワーヒューズ２１は、短絡事故時に電流遮断する手段であって、遮断機２２は、電源の通電と停止に伴う開閉動作を行う。
【００１７】
高調波フィルタ３は、高圧受電盤２に接続され、高周波インバータ５から高調波電流が電力系統に流出しないように抑制する装置であって、限流リアクトル３１と、直列リアクトル３２と、高調波コンデンサ３３とから構成される。
【００１８】
変換装置用変圧器４は、高調波フィルタ３に接続され、高周波インバータ５が所定の出力電圧を出力するために、高周波インバータ５への入力電圧を調整する。
【００１９】
高周波インバータ５は、変換装置用変圧器４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５１と、直流/交流変換器である逆変換器５２から構成され、コントローラ１０からの運転・停止・出力制御信号により制御される。
【００２０】
また、高周波インバータ５には、直流リアクトル５３が内蔵されており、順変換器５１で生成する直流電圧に重畳するリプル成分を除去すると共に、逆変換器５２やコイル８などの負荷破損時の過電流の急激な流出を抑制する。
【００２１】
さらに、高周波インバータ５は、故障時にコントローラ１０に故障状態を伝える信号や、電圧・電流・電力・周波数といった稼動時の電気データをコントローラ１０へ出力する。
【００２２】
高周波整合装置６は、高周波インバータ５に接続され、高周波インバータ５と後述する加熱コイル８Ｂとのインピーダンス整合を図る装置である。高周波整合装置６は、インピーダンス整合を図るための高周波整合変圧器６１と、加熱コイル８Ｂの遅れ力率を進み力率に補償する力率調整コンデンサ６２とを備える。
【００２３】
サイリスタスイッチ７は、逆並列接続された半導体スイッチング素子８１，８２、すなわち、正の半サイクル用サイリスタスイッチ８１と、負の半サイクル用サイリスタスイッチ８２とから構成され、高周波インバータ５で生成された高周波電力を任意の電気角度でＯＮ／ＯＦＦさせることにより、後述する補助コイル８Ａに所望の電圧を印加させる。
【００２４】
なお、これらの構成要素１〜７が、本発明の電力供給手段に相当する。
【００２５】
コイル８は、補助コイル８Ａと加熱コイル８Ｂとを有する。補助コイル８Ａは、サイリスタスイッチ７を介して高周波インバータ５側に接続され、サイリスタスイッチ７の印加電圧に応じて加熱コイル８Ｂとの合成コイルを変化させることにより、補助コイル８Ａと加熱コイル８Ｂの合成インピーダンス、すなわち電源（高周波インバータ５側）から見た負荷インピーダンスを変化させる。
【００２６】
加熱コイル８Ｂは、高周波インバータ５から供給されれた高周波電力により、溶解炉本体Ｘ内に収納された鉄等の被加熱材Ｙ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加熱材Ｙを昇温させて溶解させる。
【００２７】
コントローラ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のインピーダンス算出手段、サイリスタスイッチ７の制御を行うスイッチ制御手段としての機能を備える。
【００２８】
具体的に、コントローラ１０は、高周波インバータ５から出力された電気データ信号を常時監視しており、一定の処理周期で負荷インピーダンスＲを算出する。なお、負荷インピーダンスＲの算出方法については、本願出願人による先行特許文献（例えば、実公平１―１５８０９７号公報）に記載されているため、詳細な説明は省略するが、これに限らず、加熱コイル８Ｂへ供給される高周波電力から負荷インピーダンスを算出する種々の方法が採用され得る。
【００２９】
また、コントローラ１０は、算出した負荷インピーダンスＲに基づいて、サイリスタスイッチ７を動作させることのより、前述のように、補助コイル８Ａと加熱コイル８Ｂの合成インピーダンス、すなわち電源（高周波インバータ５側）から見た負荷インピーダンスを変化させる。
【００３０】
なお、コントローラ１０は、かかる制御処理を実行するプログラムが図示しないメモリに記憶保持され、必要なプログラムがメモリから読み出されることにより、制御処理を実行するための演算装置(シーケンサ)として機能する。
【００３１】
また、コントローラ１０を構成する各手段は、ＣＰＵ，ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェアにより構成されているが、これらの各手段は共通のハードウェアによって構成されていてもよく、これらの各手段の一部又は全部が、異なるハードウェアによって構成されていてもよい。
【００３２】
次に、図２および図３を参照して、コントローラ１０によるサイリスタスイッチ７の動作制御について説明する。
【００３３】
まず、図２に等価回路を示すように、図１の誘導溶解炉は、交流電源に対して、補助コイル８Ａと、加熱コイル８Ｂとが並列に接続されており、補助コイル８Ａと交流電源との間には補助コイル８Ａへの印加電圧を調整するためのサイリスタ７が設けられている。
【００３４】
かかる構成において、補助コイル８ＡのインピーダンスをＲ１、加熱コイル８ＢのインピーダンスをＲ２とすると、これらを１つのコイルとした場合の合成コイルのインピーダンスＲ３は、
Ｒ３＝Ｒ２×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）  ・・・・・・（式１）
のように表わされる。
【００３５】
ここで、加熱コイル８ＢのインピーダンスＲ２が、誘導溶解炉の負荷インピーダンスに相当し、この負荷インピーダンスは、図３に示すように、時間変化する。
【００３６】
図３は、横軸を時間とし、縦軸にインピーダンス（％Ｒ）とした各インピーダンスの時間変化を示す。ここで、縦軸のインピーダンス（％Ｒ）は、定格電力かつ定格電圧時の負荷インピーダンスを１００％Ｒ（＝Ｖ２／Ｐ）とするものである。
【００３７】
加熱コイル８ＢのインピーダンスＲ２は、時刻ｔ０で溶解を開始すると、低インピーダンス状態から、被加熱材Ｙの温度上昇に従って上昇し、時刻ｔ１を経過すると、高インピーダンス状態となってピーク値となった後に下降する。そして、加熱コイル８ＢのインピーダンスＲ２は、時刻ｔ２を経過すると、再び低インピーダンス状態となり、やがて、１００％Ｒに近づき、時刻ｔ３で被加熱材Ｙがすべて溶けて溶解が完了する。
【００３８】
このように、加熱コイル８ＢのインピーダンスＲ２である負荷インピーダンスが、低インピーダンス状態や高インピーダンス状態では、電源の定格電力が加熱コイル８Ｂに印加し難くなる。すなわち、低インピーダンス状態では、電流が流れ易い状態となり、電流リミットが機能してインバータ出力電圧を抑えることで定格電流を超過しないように制御される。一方、高インピーダンス状態では、電流が流れ難く、電圧が上昇する。そして、低インピーダンス状態および高インピーダンス状態のいずれの場合にも、負荷インピーダンスが電源インピーダンスと整合せず、最大印加電力を加熱コイル８Ｂに印加することはできない。
【００３９】
そこで、上記のような、加熱コイル８ＢのインピーダンスＲ２の時間変化に対して、コントローラ１０は、サイリスタスイッチ７を介して補助コイル８Ａの印加電圧を変化させ、補助コイル８ＡのインピーダンスＲ１を、図３に示すように、変化させる。すなわち、補助コイル８ＡのインピーダンスＲ１を、このＲ１目標値を基準として、加熱コイル８ＢのインピーダンスＲ２の時間変化と逆位相となるように変化させる。これにより、合成コイルのインピーダンスＲ３は、図３に示すように、溶解の初期段階から１００％Ｒにすることができる。
【００４０】
次に、合成コイルのインピーダンスＲ３の具体的な調整方法について説明する。
【００４１】
まず、サイリスタスイッチ７により補助コイル８Ａの印加電圧を絞って０にした場合には、合成コイルのインピーダンスＲ３は、加熱コイル８ＢのインピーダンスＲ２となるため、Ｒ３＝Ｒ２となる。これを第１状態とする
一方、サイリスタスイッチ７により補助コイル８Ａの印加電圧を、加熱コイル８Ｂの印か電圧の３３％に絞ると、補助コイルのインピーダンスＲ１は、
Ｒ１＝Ｒ２×（１／０．３３）２≒９Ｒ２
となる。これを上記式１に代入すると、合成コイルのインダクタンスＲ３は、
Ｒ３＝Ｒ２×９Ｒ２（９Ｒ２＋Ｒ２）＝０．９Ｒ２
となる。これを第２状態とする。
【００４２】
さらに、サイリスタスイッチ７により補助コイル８Ａの印加電圧を、加熱コイル８Ｂの印か電圧の５０％に絞ると、補助コイルのインピーダンスＲ１は、
Ｒ１＝Ｒ２×（１／０．５）２≒４Ｒ２
となる。これを上記式１に代入すると、合成コイルのインダクタンスＲ３は、
Ｒ３＝Ｒ２×４Ｒ２（４Ｒ２＋Ｒ２）＝０．８Ｒ２
となる。これを第３状態とする。
【００４３】
ここで、第２状態を基準となる前記Ｒ１目標値として、負荷インピーダンス（加熱コイル８ＢのインピーダンスＲ２）が変化した場合の特性について説明する。
【００４４】
まず、負荷インピーダンスが低インピーダンス状態の場合、例えば、９０％Ｒの場合に、コントローラ１０は、第２状態から第１状態へサイリスタスイッチ７により補助コイル８Ａの印加電圧を変化させる。このとき、合成コイルのインダクタンスＲ３は、０．９Ｒ２から１．０Ｒ２へ変化する。すなわち、Ｒ３は、１．０／０．９倍≒１．１倍に変化する。
【００４５】
これにより、負荷インピーダンスが低インピーダンスであっても、これを補うように、合成コイルとしての負荷インピーダンスを９０％Ｒ×１．１≒１００％Ｒとすることができる。
【００４６】
一方、負荷インピーダンスが高インピーダンス状態の場合、例えば、１１０％Ｒの場合に、コントローラ１０は、第２状態から第３状態へサイリスタスイッチ７により補助コイル８Ａの印加電圧を変化させる。このとき、合成コイルのインダクタンスＲ３は、０．９Ｒ２から０．８Ｒ２へ変化する。すなわち、Ｒ３は、０．８／０．９倍≒０．９倍に変化する。
【００４７】
これにより、負荷インピーダンスが高インピーダンスであっても、これを相殺するように、合成コイルとしての負荷インピーダンスを１１０％Ｒ×０．９≒１００％Ｒとすることができる。
【００４８】
このようにして、負荷インピーダンスの状態に応じてサイリスタスイッチ７により補助コイル８Ａの印加電圧を変化させることにより、タップの切換等を不要として、補助コイル８Ａと加熱コイル８Ｂの合成インピーダンス、すなわち電源（高周波インバータ５側）から見た負荷インピーダンスを変化させて、電源インピーダンスと高精度にインピーダンス整合を図ることができる。これにより、最大印加電力で被加熱材Ｙを加熱溶解させることができ、溶解終了時刻ｔ３を大幅に短縮することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１…電源、２…高圧受電盤、３…高調波フィルタ、４…変換装置用電圧器、５…高周波インバータ、６…高周波整合装置、７…サイリスタスイッチ（半導体スイッチング素子）、８…コイル、８Ａ…補助コイル、８Ｂ…加熱コイル、１０…コントローラ（インピーダンス算出手段、スイッチ制御手段）、Ｘ…溶解炉本体、Ｙ…被加熱材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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