(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導加熱コイルを備える単相誘導加熱装置を三相交流電源によって運転する誘導加熱システムであって、
前記単相誘導加熱装置及び前記三相交流電源の間に介在し、前記単相誘導加熱装置に形成される閉磁路とは異なる閉磁路を形成するための鉄心及び当該鉄心に巻き回された偶数巻きのコイルを備え、前記単相誘導加熱装置とは別の装置である中間装置を備え、
前記誘導加熱コイルの巻き始め端部及び巻き終わり端部の一方が前記三相交流電源の一相に電気的に接続され、その他方が前記中間装置のコイルの中点部に電気的に接続されるとともに、
前記中間装置のコイルの巻き始め端部及び巻き終わり端部が前記三相交流電源の残りの二相に電気的に接続されている誘導加熱システム。
【請求項２】
前記中間装置のコイルの層数が偶数であり、
前記中間装置のコイルの巻き始め端部、巻き終わり端部及び中点部が、前記コイルの軸方向端部に位置している請求項１記載の誘導加熱システム。
【請求項３】
前記誘導加熱コイルの一端側と前記三相交流電源との間に電力制御機器が設けられている請求項１又は２記載の誘導加熱システム。
【請求項４】
前記鉄心が、前記鉄心のその他の部分よりも透磁率の低い低透磁率部を有する請求項１乃至３の何れか一項に記載の誘導加熱システム。
【請求項５】
前記誘導加熱装置及び前記中間装置と前記三相交流電源との間に三相電力制御機器が設けられている請求項４記載の誘導加熱システム。
【請求項６】
前記誘導加熱コイルの一端側と前記三相交流電源との間、及び、前記中間装置のコイルの巻き始め端部側又は巻き終わり端部側と前記三相交流電源との間に電力制御機器が設けられている請求項４記載の誘導加熱システム。
【請求項７】
前記三相交流電源の電源周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである請求項１乃至６の何れか一項に記載の誘導加熱システム。
【請求項８】
前記誘導加熱装置が、回転自在に支持されたローラ本体の内部に前記誘導加熱コイルを有する誘導発熱機構を設けた誘導発熱ローラ装置である請求項１乃至７の何れか一項に記載の誘導加熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相電源を用いて単相誘導加熱装置を運転する誘導加熱システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
誘導加熱装置の誘導加熱コイルは、同一磁気回路内で位相が異なる磁束が交ざり合うと、力率低下を引き起こしたり、発熱分布に不均一を生じたりすることから、単相交流を供給することが望ましい。
【０００３】
ところで、誘導加熱装置の動力源は三相交流電源が一般的であるため、通常は三相交流から単相交流を取り出すことが多い。
【０００４】
ここで、１つの誘導加熱装置の誘導加熱コイルをそのまま例えばＵ−Ｖ端子に接続すると、三相電流のうち二相（例えばＵ相及びＶ相）には等しい値の電流が流れるが残りの一相（例えばＷ相）には全く電流が流れない状態となる。つまり、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の相電流のバランスは、１：１：０となる。
【０００５】
また、特許文献１に示すように、三相交流電源と誘導コイルの間にスコット結線変圧器を設けて、三相交流から単相交流出力を２回路取り出す方法があるが、スコット結線変圧器が必要になり、コスト及びスペースの観点からデメリットが大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２９７８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、スコット結線変圧器を用いることなく１つの誘導加熱装置を三相交流電源を用いて運転する場合に、電流が流れない相を生じないようにすることをその主たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち本発明に係る誘導加熱システムは、誘導加熱コイルを備える単相誘導加熱装置を三相交流電源によって運転する誘導加熱システムであって、前記単相誘導加熱装置及び前記三相交流電源の間に介在し、閉磁路を形成するための鉄心及び当該鉄心に巻き回された偶数巻きのコイルを備える中間装置を備え、前記誘導加熱コイルの巻き始め端部及び巻き終わり端部の一方が前記三相交流電源の一相に電気的に接続され、その他方が前記中間装置のコイルの中点部に電気的に接続されるとともに、前記中間装置のコイルの巻き始め端部及び巻き終わり端部が前記三相交流電源の残りの二相に電気的に接続されていることを特徴とする。
【０００９】
この誘導加熱システムであれば、誘導加熱コイルの一方の端部を三相交流電源の一相に電気的に接続し、他方の端部を中間装置のコイルの中点部に電気的に接続するとともに、中間装置のコイルの両端部を三相交流電源の残りの二相に電気的に接続しているので、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の相電流のバランスを、２：１：１にすることができる。つまり、スコット結線変圧器を用いることなく１つの誘導加熱装置を三相交流電源を用いて運転する場合であっても、三相のうちの一相に全く電流が流れない状態が生じることを防止することができる。詳細については、後述する。
【００１０】
前記中間装置のコイルの層数が偶数であり、前記中間装置のコイルの巻き始め端部、巻き終わり端部及び中点部が、前記コイルの軸方向端部に位置していることが望ましい。
この構成であれば、誘導加熱コイルの電流は、中間装置のコイルの中点部から入って巻き始め端部及び巻き終わり端部へ１／２ずつ分流して流れる。中間装置のコイルの巻き始め端部へ流れる電流と、中間装置のコイルの巻き終わり端部へ流れる電流とは方向が逆であるため、発生する磁束はキャンセルして消滅することになる。したがって、中間装置のコイルの端子間電圧は電源電圧のみの成分となる。
ここで、中間装置のコイルの層数を偶数として、巻き始め端部、巻き終わり端部及び中点部を、当該コイルの軸方向端部に位置させると、中点部から巻き始め端部までの巻き線部分と、中点部から巻き終わり端部までの巻き線部分との磁気的結合が良く、効率良く磁束を消滅させることができる。
【００１１】
前記誘導加熱コイルの一端側と前記三相交流電源との間に電力制御機器が設けられていることが望ましい。
この構成であれば、三相電流のバランスを２：１：１に保持したまま、誘導加熱装置の出力制御を行うことができる。
【００１２】
前記鉄心が、前記鉄心のその他の部分よりも透磁率の低い低透磁率部を有することが望ましい。
この構成であれば、鉄心により形成される閉磁路の磁気抵抗が小さくなり、励磁電流が増加する。所望の励磁電流となるように磁気抵抗を調整することによって、三相電流をバランスさせることができる。詳細については、後述する。
【００１３】
前記誘導加熱装置及び前記中間装置と前記三相交流電源との間に三相電力制御機器が設けられていることが望ましい。
この構成であれば、誘導加熱コイルを流れる電流と中間装置のコイルを流れる電流とを同時に制御することができ、鉄心の低透磁率部によって磁気抵抗を調整して得た三相電流のバランスを保持したまま、誘導加熱装置の出力制御を行うことができる。
【００１４】
前記誘導加熱コイルの一端側と前記三相交流電源との間、及び、前記中間装置のコイルの巻き始め端部側又は巻き終わり端部側と前記三相交流電源との間に電力制御機器が設けられていることが望ましい。
この構成であれば、三相電力制御機器に替えて単相電力制御機器２台の構成で、前記三相電流のバランスを保持したまま、誘導加熱装置の出力制御を行うことができる。
ここで、誘導加熱コイルの一端側に設けられた電力制御機器は、誘導加熱装置の負荷温度等に応じてフィードバック制御されることになる。一方で、中間装置のコイルには負荷が無いので、中間装置のコイル側に設けられた電力制御機器の制御は、誘導加熱コイルの一端側に設けられた電力制御機器と同期をとることになる。例えば、両者に流れる電流値を同じにするような制御方式が考えられる。
【００１５】
三相交流電源は、工業設備として使用されるものであり、誘導加熱される対象物は、工業設備ということから基本的に厚肉金属により構成されている。このため、前記三相交流電源の電源周波数を５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数とすることで、厚肉金属の誘導加熱における電流浸透度を大きくすることができ、効率良く対象物の加熱を行うことができる。
【００１６】
誘導発熱ローラ装置は、加熱時におけるローラ本体のプロファイル（特性）の均一性が重要であり、位相が異なる三相磁束が同一ローラ本体内で交ざり合う三相交流よりも単相交流が望ましい。また、工業設備としてローラ本体は、厚肉金属で構成されることが大半である。このため、前記誘導加熱装置が、回転自在に支持されたローラ本体の内部に前記誘導加熱コイルを有する誘導発熱機構を設けた誘導発熱ローラ装置であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
このように構成した本発明によれば、スコット結線変圧器を用いることなく１つの誘導加熱装置を三相交流電源を用いて運転する場合に、電流が流れない相を生じないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る誘導加熱システムの構成を模式的に示す図。
【図２】変形実施形態の中間装置の構成を模式的に示す図。
【図３】変形実施形態の電流ベクトル図。
【図４】変形実施形態に係る誘導加熱システムの構成を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明に係る誘導加熱システムの一実施形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
本実施形態に係る誘導加熱システム１００は、図１に示すように、単相誘導加熱装置２（以下、単に誘導加熱装置２という。）を三相交流電源４によって運転するものであり、誘導加熱装置２及び三相交流電源４の間に誘導加熱装置とは異なる中間装置３が介在して設けられている。
【００２１】
この中間装置３は、閉磁路を形成するための鉄心３０及び当該鉄心３０に巻き回されたコイル３１（以下、中間コイル３１という。）を備えている。
【００２２】
前記誘導加熱装置２は、誘導加熱コイル２１を有するものであり、当該誘導加熱コイル２１は鉄心２０に巻回して設けられている。この誘導加熱装置２としては、例えば、誘導加熱コイル２１を一次コイルとして、前記鉄心２０に巻回された二次コイルたる導体管を誘導加熱して、当該導体管を流れる流体を加熱する流体加熱装置が考えられる。この場合、誘導加熱装置２は、水を加熱して飽和水蒸気を生成する飽和水蒸気生成装置であっても良いし、飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成装置であっても良い。その他、誘導加熱装置２として、回転自在に支持されたローラ本体の内部に誘導コイル２１を有する誘導発熱機構を設けた誘導発熱ローラ装置が考えられる。
【００２３】
また、三相交流電源４の電源周波数は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数である。これにより、導体管などの厚肉金属の誘導加熱における電流浸透度を大きくすることができ、効率良く対象物の加熱を行うことができる。
【００２４】
そして、誘導加熱コイル２１の巻き始め端部２１ｘが三相交流電源４のＵ相に電気的に接続され、誘導加熱コイル２１の巻き終わり端部２２ｙが中間コイル３１の中点部３１ｚに電気的に接続されている。また、中間コイル３１の巻き始め端部３１ｘが三相交流電源４のＶ相に電気的に接続され、中間コイル３１の巻き終わり端部３１ｙが三相交流電源４のＷ相に電気的に接続されている。
【００２５】
本実施形態では、各コイル２１、３１の両端部２１ｘ、２１ｙ、３１ｘ、３１ｙに接続端子が設けられる。また、中間コイル３１の中点部３１ｚに接続端子が設けられている。
【００２６】
また、中間コイル３１は、巻き数を偶数｛２Ｎ（Ｎは自然数）｝としている。つまり、中間コイル３１の中点部３１ｚから巻き始め端部３１ｘまでの巻き数はＮであり、中点部３１ｚから巻き終わり端部３１ｙまでの巻き数もＮである。
【００２７】
本実施形態では、中間コイル３１の層数が偶数とされている。例えば中間コイル３１を２層構成とした場合、巻き始め端部３１ｘ及び巻き終わり端部３１ｙが中間コイル３１の軸方向一端側に位置し、中点部３１ｚが中間コイル３１の軸方向他端側に位置する構成となる。
【００２８】
さらに、誘導加熱コイル２１の一端部と三相交流電源４との間に、誘導加熱コイル２１を流れる電流を制御する電力制御機器５１が設けられている。本実施形態では、誘導加熱コイル２１の巻き始め端部２１ｘと三相交流電源４との間（Ｕ相）に電力制御機器５１が設けられている。なお、電力制御機器５１は、例えばサイリスタ等の半導体制御素子である。この電力制御機器５１は、図示しない制御部によって制御される。
【００２９】
次にこのように構成した誘導加熱システム１００の各相に流れる電流について、図１を参照して説明する。なお、以下において、誘導加熱装置の容量をＰ、三相交流電源４の電源電圧をＥ、三相電流をＩＵ、ＩＶ、ＩＷとする。
【００３０】
誘導加熱コイルの端子間電圧をＥＵ−Ｏとすると、ＥＵ−Ｏ＝√３Ｅ／２である。
誘導加熱コイルを流れる電流はＩＵと等しく、ＩＵ＝２Ｐ／（√３Ｅ）である。
中間コイルの端子間電圧は電源電圧と等しく、Ｅである。
中間コイルを流れる電流は、ＩＶ＝ＩＷ＝｛Ｐ／（√３Ｅ）｝＋Ｉ０である。
【００３１】
ここで、Ｉ０は、閉磁路に流れる磁束を発生させる励磁電流であり、加算はベクトル和になる。しかし、閉磁路であることから励磁電流の値は十分小さいので、ＩＶ＝ＩＷ≒Ｐ／（√３Ｅ）と考えて問題無い。
【００３２】
したがって、三相電流比は、
ＩＵ：ＩＶ：ＩＷ＝２Ｐ／（√３Ｅ）：Ｐ／（√３Ｅ）：Ｐ／（√３Ｅ）
＝２：１：１
【００３３】
このように構成した誘導加熱システム１００によれば、誘導加熱コイル２１の巻き始め端部２１ｘを三相交流電源４のＵ相に電気的に接続し、巻き終わり端部２１ｙを中間コイル３１の中点部３１ｚに電気的に接続するとともに、中間コイル３１の両端部３１ｘ、３１ｙを三相交流電源４のＶ相及びＷ相に電気的に接続しているので、中間装置３が電流バランス化装置として機能し、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の相電流のバランスを、２：１：１にすることができる。つまり、スコット結線変圧器を用いることなく１つの誘導加熱装置２を三相交流電源４を用いて運転する場合であっても、三相のうちの一相に全く電流が流れない状態が生じることを防止することができる。
【００３４】
また、誘導加熱コイル２１の一端側（巻き始め端部２１ｘ）と三相交流電源４との間に電力制御機器５１が設けられているので、三相電流のバランスを２：１：１に保持したまま、誘導加熱装置２の出力制御を行うことができる。
【００３５】
なお、本発明は前記各実施形態に限られるものではない。
【００３６】
例えば、前記負荷装置３の鉄心３０が、前記鉄心３０のその他の部分よりも透磁率の低い低透磁率部３０ａを有し、低透磁率部３０ａを有さないものに比べて閉磁路の磁気抵抗を低くするものであっても良い。低透磁率部３０ａは、鉄心３０及びコイル３１の温度上昇に耐え得る絶縁物、例えばシリコンガラス積層板やアラミドボード等から構成される。なお、低透磁率部３０ａ以外の部分は、電磁鋼板やアモルファス金属等からなる高透磁率部となる。
【００３７】
このように前記閉磁路中に低透磁率部３０ａを入れて磁気抵抗を上げれば、鉄心３０を流れる励磁電流Ｉ０が増加する。ベクトル演算により、
ＩＶ＝ＩＵ／２＋Ｉ０（ベクトル和）
Ｉ０＝ＩＶ−ＩＵ／２（ベクトル差）
上記の値となるＩ０に磁気抵抗を調整すれば、三相電流はバランスすることになる。
【００３８】
図３は電流ベクトルを示した図である。
誘導加熱コイル２１を流れる電流は力率を持ち、その値をｃｏｓΘとする。Ｉ０は基本的に位相が９０°遅れである。
【００３９】
図３の三角形Ｉ０−ＩＶ−Ｏにおいて、余弦定理から絶対値計算すると、
ＩＶ２＝Ｉ０２＋（ＩＵ／２）２−Ｉ０ＩＵｃｏｓ（１８０°−Θ）
（２Ｐ／√３Ｅ）２＝
Ｉ０２＋（Ｐ／√３Ｅ）２−２Ｉ０Ｐｃｏｓ（１８０°−Θ）／√３Ｅ
Ｉ０２−２Ｉ０Ｐｃｏｓ（１８０°−Θ）／√３Ｅ
−（２Ｐ／√３Ｅ）２＋Ｐ／√３Ｅ）２＝０
Ｉ０＝Ｐｃｏｓ（１８０°−Θ）／√３Ｅ
±「√［｛−２Ｐｃｏｓ（１８０°−Θ）／√３Ｅ）２
＋４｛（２Ｐ／√３Ｅ）２−（Ｐ／√３Ｅ）２｝］」／２
【００４０】
この式を簡単化すると、
Ｉ０＝Ｐ［ｃｏｓ（１８０°−Θ）
＋√｛ｃｏｓ２（１８０°−Θ）＋３｝］／√３Ｅ
この式を満たすＩ０に閉磁路の磁気抵抗を調整すれば、三相電流をバランスさせることができる。なお、原式中の±符号については、実際に即した適正符号を選択し、ここではプラスを採用している。
【００４１】
また、電力制御に関して言えば、前記実施形態に加えて、前記中間装置３の中間コイル３１の巻き始め端部３１ｘ側又は巻き終わり端部３１ｙ側と三相交流電源４との間に電力制御機器５２を設けても良い。この場合、誘導加熱コイル２１の一端側に設けられた電力制御機器５１は、誘導加熱装置２の負荷温度等に応じてフィードバック制御されることになる。一方で、中間装置３のコイル３１には負荷が無いので、中間装置３のコイル３１側に設けられた電力制御機器５２の制御は、誘導加熱コイル２１側に設けられた電力制御機器５１と同期をとることになる。
【００４２】
さらに、前記誘導加熱装置２及び前記中間装置３と前記三相交流電源４との間に三相電力制御機器を設けても良い。
【００４３】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１００・・・誘導加熱システム
２    ・・・単相誘導加熱装置
２１  ・・・誘導加熱コイル
２１ｘ・・・誘導加熱コイルの巻き始め端部
２１ｙ・・・誘導加熱コイルの巻き終わり端部
３    ・・・中間装置
３０  ・・・閉磁路鉄心
３１  ・・・コイル
３１ｘ・・・コイルの巻き始め端部
３１ｙ・・・コイルの巻き終わり端部
３１ｚ・・・コイルの中点部
４    ・・・三相交流電源
５１  ・・・電力制御機器
５２  ・・・電力制御機器
【図１】
0006495704.tif 000002
【図２】
0006495704.tif 000003
【図３】
0006495704.tif 000004
【図４】
0006495704.tif 000005