(57)【要約】  インバータの入力に対する直流電流のデューティ・サイクル調整を持つ電流型インバータは、共振周波数で共振負荷を駆動している間、インバータの出力電力量を増加させるために設けられる。レギュレータのデューティ・サイクルの周期は、インバータのそれぞれの単一出力電流の周期に対して２つのレギュレータの周期が存在するように、インバータの出力電流の周期に同期している。デューティ・サイクル調整は、レギュレータ周期内の単一パルスまたは連続パルスにより行われてもよい。フル・デューティ・サイクルにおいて有効な電力量よりも大きい出力電力量は、オフ共振条件においてインバータを動作させることにより得ることができる。複数の電流型インバータは、るつぼの周囲の個々のコイル部に接続されてもよく、加熱、溶融、または攪拌モードのために選択的に相互接続されてもよい。
2010524424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのＲＬＣ共振負荷のための電源であって、
交流電源に接続されている整流器入力および整流器直流出力を備えた交流−直流整流器、
前記整流器直流出力に接続されている少なくとも１つの電荷蓄積装置、
各々がレギュレータ直流出力周期および前記レギュレータ直流出力周期内に可変出力デューティ・サイクルを持つレギュレータ出力を備え、かつ各々が前記少なくとも１つの電荷蓄積装置に接続されている少なくとも１つのレギュレータ、
各々が前記少なくとも１つのレギュレータのうちの１つのレギュレータのレギュレータ出力に排他的に接続されている、少なくとも１つの電流蓄積装置、および
各々が前記少なくとも１つの電流蓄積装置の１つに排他的に接続されているインバータ入力を備え、前記少なくとも１つのＲＬＣ共振負荷の１つに排他的に接続されているインバータ交流出力を備えている、少なくとも１つのインバータを含み、
前記少なくとも１つのインバータの各々の前記インバータ交流出力周期は、前記少なくとも１つのインバータの各々の前記インバータ入力に接続された前記少なくとも１つの電流蓄積装置に接続されている前記少なくとも１つのレギュレータのレギュレータ出力周期の２倍に等しい、電源。
【請求項２】
前記少なくとも１つのレギュレータのうちの少なくとも１つの前記レギュレータ出力が、前記可変出力デューティ・サイクル内の複数のパルスを含む、請求項１に記載の電源。
【請求項３】
前記交流−直流整流器直流出力が、可変制御出力電圧量を持つ、請求項１に記載の電源。
【請求項４】
前記少なくとも１つのレギュレータが複数のレギュレータを含み、前記少なくとも１つのインバータが複数のインバータを含み、前記少なくとも１つのＲＬＣ共振負荷が複数のＲＬＣ共振負荷を含み、前記複数のＲＬＣ共振負荷の各々が前記複数のインバータの１つのインバータ交流出力に排他的に接続され、前記複数のレギュレータの各々が前記少なくとも１つの電流蓄積装置の少なくとも１つに排他的に接続され、かつ前記複数のインバータの各々のインバータ入力が、前記複数のレギュレータの１つに排他的に接続された前記少なくとも１つの電流蓄積装置の少なくとも１つに排他的に接続されている、請求項１に記載の電源。
【請求項５】
前記少なくとも１つのレギュレータが一対のレギュレータを含み、前記少なくとも１つのインバータが一対のインバータを含み、前記少なくとも１つのＲＬＣ共振負荷が一対のＲＬＣ共振負荷を含み、前記一対のＲＬＣ共振負荷の各々が前記一対のインバータのうちの１つのインバータ交流出力に排他的に接続され、前記一対のレギュレータの各々が前記少なくとも１つの電流蓄積装置の少なくとも１つに排他的に接続され、かつ前記一対のインバータの各々のインバータ入力が、前記一対のレギュレー対の１つに排他的に接続された前記少なくとも１つの電流蓄積装置の少なくとも１つに排他的に接続されている、請求項１に記載の電源。
【請求項６】
前記少なくとも１つのレギュレータが単一のレギュレータを含み、前記少なくとも１つのインバータが複数のインバータを含み、前記少なくとも１つのＲＬＣ共振負荷が複数のＲＬＣ共振負荷を含み、前記複数のＲＬＣ共振負荷の各々が複数のインバータのうちの１つのインバータの前記インバータ交流出力に排他的に接続され、前記単一のレギュレータが前記少なくとも１つの電流蓄積装置に接続され、かつ前記複数のインバータのすべてのインバータ入力が少なくとも１つの電流蓄積装置に接続されている、請求項１に記載の電源。
【請求項７】
前記少なくとも１つのＲＬＣ共振負荷が少なくとも３つのＲＬＣ共振負荷を含み、前記少なくとも３つのＲＬＣ共振負荷の各々が、導電材料を収納しているるつぼの周囲に配列された少なくとも１つの誘導コイルを排他的に含んでいる誘導素子を持つ、請求項１に記載の電源。
【請求項８】
前記少なくとも３つのＲＬＣ共振負荷の各々が、前記少なくとも１つのインバータの１つのインバータ交流出力に排他的に接続され、前記少なくとも１つのインバータの各々のインバータ入力が前記少なくとも１つの電流蓄積装置の１つに排他的に接続され、前記少なくとも１つの電流蓄積装置の各々が少なくとも１つのレギュレータの１つの出力に排他的に接続され、前記少なくとも１つのレギュレータの各々が前記交流−直流整流器の整流器直流出力に排他的に接続された電荷蓄積装置に排他的に接続されている、請求項７に記載の電源。
【請求項９】
前記少なくとも３つの誘導コイルのすべてが、互いに共通に接続されている終端端子および少なくとも１つのスイッチング装置により互いに選択的に接続されている始端端子を持ち、前記少なくとも３つのＲＬＣ共振負荷の各々により結合された並列ＲＬＣ回路を形成している、請求項８に記載の電源。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのスイッチング装置が開いているとき、前記少なくとも１つのインバータの１つが停止状態である、請求項９に記載の電源。
【請求項１１】
少なくとも１つのＲＬＣ共振負荷に電力を供給する方法であって、
直流電力を電荷蓄積装置に供給する工程と、
前記電荷蓄積装置から、前記少なくとも１つのＲＬＣ共振負荷に接続されている交流インバータ出力を持つインバータに直流電流を供給している電流蓄積装置への直流電流の供給を調整する工程と、
インバータ周期を持つインバータ出力周波数において前記インバータを操作する工程と、
前記電荷蓄積装置から直流電流を供給するためのデューティ・サイクルを、前記インバータ周期の半分に等しい周期にわたり変化させる工程とを備える電力を供給する方法。
【請求項１２】
前記電荷蓄積装置から直流電流を供給するデューティ・サイクル期間に複数のパルスを発生する工程をさらに含む、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記デューティ・サイクル期間の前記複数のパルスが、前記電荷蓄積装置からの直流電流の供給を調整するために使用されているスイッチ装置の最大許容電力消費量から、デューティ・サイクル期間の等価単一パルスを伴うスイッチング損失により分割される前記スイッチ装置の伝導損失を引いたものに等しい、請求項１２の方法。
【請求項１４】
前記電荷蓄積装置へ供給される直流電力の電圧量を変化させる工程をさらに含む、請求項１１の方法。
【請求項１５】
電磁導電材料を含むるつぼの下段、中段、および上段領域を、前記少なくとも１つのＲＬＣ共振負荷の各々の誘導素子を含む誘導コイルで取り囲む工程をさらに含む、請求項１１の方法。
【請求項１６】
前記電荷蓄積装置から直流電流を供給するための１．０デューティ・サイクルを持つ前記インバータのインバータ出力周波数を増加させる工程をさらに含む、請求項１１の方法。
【請求項１７】
前記誘導コイルの各々を１つまたは複数のスイッチング素子に接続し、別個のＲＬＣ共振負荷回路および並列に接続されたＲＬＣ共振負荷回路間の前記少なくとも１つのＲＬＣ共振負荷の各々を選択的に切り替えるようにする工程をさらに含む、請求項１５の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのＲＬＣ共振負荷の１つに対応しているインバータの交流出力を停止する工程をさらに含む、請求項１７の方法。
【請求項１９】
前記誘導素子として中段および下段の誘導コイルを持つ前記ＲＬＣ共振負荷に対応しているインバータの交流出力を停止する工程をさらに含む、請求項１７の方法。
【請求項２０】
前記誘導素子として上段の誘導コイルを持つ前記ＲＬＣ共振負荷に対応しているインバータの出力電力量を変化させる工程をさらに含む、請求項１８の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流型インバータおよび該インバータの調整機能を持つ電源、および電気誘導加熱、溶融、および攪拌用途における前記電源の応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、ＲＬＣ共振負荷に接続された古典的な電流型インバータ１１６を示す。この共振負荷は、たとえば、産業用電気誘導炉または加熱装置に用いる誘導コイルLcoil、交流電流が誘導コイルに流れる場合に誘導コイルと直列に接続された磁気的に結合された作業負荷（たとえば、反応炉内の金属または誘導コイル内に置かれた金属ギア）を表す抵抗素子Ｒ、および誘導コイルと抵抗素子に並列に接続されたタンク（共振）キャパシタＣtankであってもよい。典型的なインバータを、Ｈブリッジとして図示する。このＨブリッジは、交流の半サイクルの期間、スイッチの対Ｓ1−Ｓ4およびＳ2−Ｓ3を介して電流を連続的に共振負荷に供給するスイッチング装置Ｓ1〜Ｓ4を備えている。適切な電源から供給された定直流電流は、平滑インダクタすなわちチョーク・コイルＬchokeを介してインバータに供給される。図１において、サイリスタＳＣＲ1〜ＳＣＲ6または他の型の位相制御電気スイッチにより構成された三相全波可変電圧整流器１１２は、直流電流を供給するために使用されている。整流器への入力は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの三相商用電源（図の線Ａ，Ｂ，Ｃにより示されている）などの適切な交流電源から得られる。
【０００３】
図２は、図１に示すインバータの動作特性をグラフに示したものである。パラメータとして、アンペア単位での周波数に対するインバータ出力の電流量Ｉout(INV)、キロワット単位での周波数に対するインバータ出力の電力量Ｐout(INV)、ボルト単位での周波数に対するインバータ出力の電圧量Ｖout(INV)、アンペア単位での最大直流電流Ｉmax、キロワット単位での最大インバータ電力Ｐmax、およびボルト単位での最大インバータ電圧Ｖmaxが示されている。
【０００４】
定格（最大）動作条件は、動作線Ｌ2により特定される曲線の交点により定義される。共振動作条件は、動作線Ｌ1により定義されるインバータ出力電圧、インバータ出力電流、およびインバータ出力電力の最小値により定義される。共振負荷両端のインバータ出力電圧は、次の式で表すことができる。
【０００５】
2010524424.tif 000003
【０００６】
ここで、Ｖinvはインバータの出力電圧、Ｖdcは供給される直流電圧、φはインバータの出力電流と出力電圧間の位相シフトを表す。
【０００７】
インバータの出力電力（Ｐinv）は、インバータ電圧の二乗に比例する。すなわち、
【０００８】
2010524424.tif 000004
【０００９】
したがって、電力を増加させるためには、共振負荷はオフ共振で動作し、この状態では電力レベルが増加するにつれ、効率の低下が大きくなる。インバータ出力電力を共振点のレベルよりも低いレベルにするために、整流器のスイッチの位相制御により整流器からの直流出力が下げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、入力整流器の位相制御以外の手段により、共振点で負荷を動作させながら電流型インバータの電力制御を可能にすることである。本発明の別の目的は、インバータ内で使用されるリアクタンス部品のサイズを最小限に抑えることである。
【００１１】
本発明のさらに別の目的は、誘導過熱炉内に置かれた溶融金属浴などの導電性材料を均一に混合できるようにすることである。
【００１２】
また、本発明のさらに別の目的は、周囲環境（特にその環境が、表面を形成する凸形メニスカスを変化させることによるガス抜け促進のために実質的に真空状態であるような場合）に暴露された溶融浴の表面積を最大限にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一側面は、インバータ入力に供給される直流電流のデューティ・サイクルの調整により電流型インバータの出力電力量を制御するための装置および方法であって、レギュレータのデューティ・サイクルの周期は、インバータのそれぞれの単一の出力電流の周期に対して２つのレギュレータの周期が存在するように、インバータの出力電流の周期に同期している。デューティ・サイクル調整は、レギュレータ周期内の単一のパルスまたは連続したパルスにより行われてもよい。フル（１．０）デューティ・サイクルにおいて有効な電力量よりも大きい出力電力量は、オフ共振条件においてインバータを動作させることにより得ることができる。
【００１４】
本発明の上記および他の側面は、本明細書および添付の請求項で説明する。
【００１５】
次の発明を実施するための形態と同様、前述の発明の概要は添付の図面と組み合わせて読むことにより、さらに理解が深まる。本発明を説明するため、現時点で好ましい発明の代表的な形式が図に示されている。しかしながら、本発明は次の添付図面に開示された特定の配置および手段に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、代表的な電流型電源の簡略化した回路図である。
【図２】図２は、図１に示す電源の代表的な動作パラメータのグラフである。
【図３】図３は、共振負荷に接続された電流型インバータを備えた本発明の電源の簡略化した回路図である。
【図４】図４は、個々に調整された複数の電流型インバータがそれぞれ異なる共振負荷と単一の整流器に接続されている本発明の別の電源の簡略化した回路図である。
【図５】図５は、共通のレギュレータにより調整された複数の電流型インバータがそれぞれ異なる共振負荷と単一の整流器に接続されている本発明の別の電源の簡略化した回路図である。
【図６（ａ）】図６（ａ）は、本発明の電流型インバータ電源の一例における単一パルスおよび多重パルス・レギュレータの動作をグラフ化したものである。
【図６（ｂ）】図６（ｂ）は、本発明の電流型インバータ電源の一例における単一パルスおよび多重パルス・レギュレータの動作をグラフ化したものである。
【図７（ａ）】図７（ａ）は、本発明の電流型インバータの一例における１．０デューティ・サイクル／共振および１．０デューティ・サイクル／オフ共振でのパラメータをグラフ化したものである。
【図７（ｂ）】図７（ｂ）は、本発明の電流型インバータの一例における１．０デューティ・サイクル／共振および１．０デューティ・サイクル／オフ共振でのパラメータをグラフ化したものである。
【図８】図８は、電流型インバータを備えた本発明の別の電源の簡略化した回路図である。
【図９（ａ）】図９（ａ）は、図８に示した電源を使用する電気誘導加熱、溶融、兼攪拌配置の概略図である。
【図９（ｂ）】図９（ｂ）は、図８に示した電源を使用する電気誘導加熱、溶融、兼攪拌配置の概略図である。
【図１０（ａ）】図１０（ａ）は、図８に示した電源を使用する電気誘導加熱、溶融、兼攪拌配置の概略図である。
【図１０（ｂ）】図１０（ｂ）は、図８に示した電源を使用する電気誘導加熱、溶融、兼攪拌配置の概略図である。
【図１０（ｃ）】図１０（ｃ）は、図９（ａ）、図９（ｂ）、および概略図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示された装置に使用されるダイオード・ブリッジ・スイッチの一例を示す図である。
【図１１（ａ）】図１１（ａ）は、電気誘導攪拌のための本発明の一配置を示す図である。
【図１１（ｂ）】図１１（ｂ）は、るつぼ内の溶融金属材料の凸形メニスカス面が変化している場合の本発明の一例を示す図である。
【図１２（ａ）】図１２（ａ）は、順巻きコイルおよび逆巻きコイル構造のための代表的な仕様を図示したものである。
【図１２（ｂ）】図１２（ｂ）は、順巻きコイルおよび逆巻きコイル構造のための代表的な仕様を図示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の電源１０の一例を図３に示す。この電源は、３つの能動部分、すなわち整流器１２、電力レギュレータ１４、および電流インバータ１６を含む。受動インダクタ（チョーク）Ｌihrとして図３に示された任意の内部高調波低減素子は、整流器の直流出力を電力レギュレータに接続する。受動インダクタ（チョーク）Ｌiとして図１に示されたエネルギー蓄積素子は、電力レギュレータの出力をインバータの入力に接続する。
【００１８】
三相整流器１２への入力は、適切な交流電源、たとえば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源（図の線Ａ，Ｂ，およびＣにより示されている）から得る。整流器１２は、この限定を意図しない例においては、サイリスタＳＣＲ1〜ＳＣＲ6などの６個のスイッチ素子を含む全波位相制御整流器を含む。本発明の他の例においては、整流器は半波位相制御型または他の適切な型であってもよい。下記に詳しく述べるとおり、この整流器は、電源のソフト始動時を除き、定電圧整流器として動作し、エネルギー蓄積素子（図３に容量素子Ｃ0として示されている）の初期過充電を防ぐ。
【００１９】
インバータ１６は、この限定を意図しない例において、Ｈブリッジとして構成されている４つのスイッチ装置を含む。各スイッチ装置は、ダイオードに直列に接続されている絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）として記号により示されている。本発明の他の例では、他の型のスイッチ装置およびブリッジ構成を使用してもよい。一般に、安定状態での動作では、交流電流を共振負荷回路に供給するために、インバータ・スイッチの対Ｓ1およびＳ4は、電気的な半サイクル（すなわち正の半サイクル）導通し、インバータ・スイッチの対Ｓ2およびＳ3は次の電気的な半サイクル（すなわち負の半サイクル）導通する。共振負荷回路は、図式的に誘導素子Ｌcoilで表される電気誘導炉または加熱コイル、一般的に電磁的に結合された（溶融または加熱される）負荷のインピーダンスとして表される、誘導素子に直列に接続された抵抗素子Ｒ、および“ＲＬＣ”共振負荷を形成するために直列に組み合わされたＬcoilおよびＲに並列に接続されたタンク（共振）キャパシタＣtankを含んでいてもよい。共振負荷インピーダンスが変化すると、インバータ１６の出力周波数はインバータが共振点または共振点付近で動作するようにコントローラ１８により調整され、その結果、インバータのスイッチ装置のゲート制御により共振負荷回路への電力送出が最大になる。
【００２０】
コントローラ１８は、インバータのスイッチ装置およびレギュレータのスイッチ装置Ｓ0の動作時間および周波数を制御する。レギュレータのスイッチ装置は、ＩＧＢＴとして記号により示されているが、他の適切な型のスイッチ装置でもよい。本発明の電源において、レギュレータ１４は、レギュレータ１４の周期（レギュレータ周期）がインバータ１６の交流出力周波数の周期の半分を維持するように、コントローラ１８によりインバータの出力周波数に同期されている。通常、インバータ１６は、導電性材料を加熱するための産業用電気誘導炉または誘導加熱コイルの使用に関連した用途のために、およそ１００Ｈｚから１０００Ｈｚの範囲の周波数で動作する。したがって、レギュレータ１４は、およそ５ｍｓ（１／１００Ｈｚ）から０．５ｍｓ（１／１０００Ｈｚ）の範囲で動作する。
【００２１】
レギュレータ１４はインバータ１６の半分の周期で動作する一方、定常状態動作においては、レギュレータ１４はレギュレータ周期内の可変デューティ・サイクルで動作する。たとえば、レギュレータ・スイッチＳ0は、レギュレータ周期の８０パーセントの期間（デューティ・サイクル０．８）のみ導通してもよく、その間、レギュレータのエネルギー蓄積装置（この限定を意図しない例においてはエネルギー蓄積インダクタ（チョーク）Ｌiで表される）は、整流された商用電源から連続的に充電される容量素子Ｃ0から充電される。Ｓ0が導通しない（スイッチ装置Ｓ0が開いている）レギュレータ周期の間、電流はチョークＬi内に蓄積されたエネルギーからインバータに供給される。出力電力の大きさは、スイッチＳ0のデューティ・サイクル、言い換えると、スイッチＳ0がオン状態の期間、すなわち導通状態のスイッチがオフ状態、すなわち非導通状態の期間に対する比により制御される。デューティ・サイクルが減少するにつれ、チョークＬiから供給されるインバータ入力直流電流の交流電流リップル成分は増加する。その結果、すべてのレギュレータ周期で単一のレギュレータ・パルスが使用される場合、チョークＬiは大きいインダクタンス値を持つ、従って物理的に大きい、高い蓄積能力のチョークとして指定されなければならない。低デューティ・サイクルにおいてチョークの大きさを最小にするため、本発明のいくつかの例においては、レギュレータ周期内で複数のオン／オフ・レギュレータ・パルスが供給される。
【００２２】
低デューティ・サイクル下でレギュレータ・スイッチＳ0に流れる電流の大きさは、高デューティ・サイクル下でスイッチＳ0に流れる電流に比べて著しく小さい。したがって、スイッチＳ0のスイッチング損失は、低デューティ・サイクル下でより小さくなる。本発明において、低デューティ・サイクルにおける低スイッチング損失は、レギュレータの調整された周期内で複数のオン／オフ・パルスを使用して電流をインバータに供給することを利用している。これにより、単一の低デューティ・サイクル・パルスによりもたらされる電流リップルと同じ大きさの電流リップルが得られる。この処理により、チョークＬiに必要な電気定格を著しく低減することができる。というのは、低デューティ・サイクルでパルスの数を増加させるには、チョークＬｉのエネルギー蓄積能力をあまり必要としないからである。スイッチ装置Ｓ0が短い時間間隔で導通していない場合、蓄積されたエネルギーはインバータへの電流源になる。適切な、ただし限定を意図しない制御アルゴリズムは次のとおりである。
【００２３】
2010524424.tif 000005
【００２４】
ここで、Ｎはレギュレータ周期内で許容されたレギュレータ・パルス数に等しい。
【００２５】
Ｗmaxは、選択されたレギュレータ・スイッチＳ0に対して指定された最大許容電力損失に等しく、
【００２６】
Ｗcondは、選択されたレギュレータ・スイッチＳ0に対して指定された導通損失に等しく、
Ｗswは、レギュレータ周期内の単一のレギュレータ・オン／オフ・パルスに伴うスイッチング損失の計算値に等しい。
【００２７】
それゆえ、たとえば、単一のレギュレータ・オン／オフ・デューティ・サイクルが０．３であることを必要とする共振点における所望のインバータ出力電力の大きさに対して、Ｗswはデューティ・サイクル０．３でのスイッチＳ0電流に対して計算され、デューティ・サイクル０．３におけるＮの最大値は、選択されたスイッチＳ0に対して指定されたＷmaxおよびＷcondを使用して上記の式から計算される。
【００２８】
限定を意図しない実例として、図６（ａ）および図６（ｂ）に、たとえばデューティ・サイクル０．３における単一パルス調整対複数パルス調整を図示する。両方の図において、ｔinvはインバータの出力周波数の周期を表す。また、ｔregはレギュレータの周期を表し、これはインバータの出力周波数の周期の半分である。図６（ａ）において、各レギュレータ周期ｔreg内の単一のレギュレータ・パルスは、上で述べたように望ましくない。図６（ｂ）においてレギュレータ・パルスにより図示された複数のレギュレータ・パルスは望ましい。レギュレータ周期内のパルス数は、必要とされるインバータ電流の範囲および実際に使用される特定のレギュレータ・スイッチのスイッチング損失により変化する。図６（ｂ）では、理解し易いように５つのレギュレータ・パルスが使用されている。一般に、レギュレータ周期あたりのパルス数は、０以上１以下のデューティ・サイクルの範囲において、２から数百の間で変化してもよい。
【００２９】
共振点において１．０デューティ・サイクルを持つインバータ出力電力以上の出力電力が必要な場合、インバータの出力周波数を高くすることにより更なる出力電力を供給することができる。これは、より多くの電力を供給するものであるが、共振点においてではない。図７（ａ）および図７（ｂ）に、より大きいインバータ出力電力が供給された場合の１．０デューティ・サイクル／共振および１．０デューティ・サイクル／オフ共振におけるインバータ・パラメータを示す。図７（ａ）は、共振状態で１．０デューティ・サイクルの場合のインバータ共振出力電力量Ｐ2（電力量Ｐ1より大きい）を示す。図７（ｂ）は、１．０デューティ・サイクルでインバータの出力電流と出力電圧間に位相シフト（φ）がある場合のインバータのオフ共振出力電力量Ｐ3（電力量Ｐ2より大きい）を示す。
【００３０】
非真空電気誘導炉の用途に対しては、本発明の電流型インバータを持つ電源の部品は、通常、オフ共振電力範囲の最大電力出力に対して完全定格を持つ。真空電気誘導炉の用途に対しては、本発明の電流型インバータを持つ電源の部品は、通常、共振状態および１．０デューティ・サイクルの動作において最大電力に対して完全定格を持つ。
【００３１】
図４に示すように、本発明の電流型インバータを持つ電源の別の例においては、それぞれが専用のレギュレータ・スイッチ（Ｓ0およびＳ′0）およびダイオード（Ｄ0およびＤ′0）を持つ複数のインバータ１６および１６′は、単一の整流器１２および整流器の出力に接続されているエネルギー蓄積装置すなわちキャパシタＣ0から電力の供給を受ける。この配置において、複数の共振負荷負荷１および負荷２への分配電力の分配は、上に述べたように、インバータ１６および１６′の個々のパルス調整により達成される。この電力は、整流器１２の定格により規定される最大総電力出力に影響される。図４には２つのインバータ／負荷回路が示されているが、任意の数のインバータ／負荷回路を使用することができる。
【００３２】
図５に示すように、本発明の電流型インバータを持つ電源の別の例においては、それぞれが専用の共振負荷負荷１および負荷２を持つ複数のインバータ１６および１６′は、上で述べたように、全波出力状態で動作している整流器の出力に接続されている単一のレギュレータ１４から選択的に電力を供給される。スイッチＳ1、Ｓ3、Ｓ′1、およびＳ′4が導通し、スイッチＳ2、Ｓ4、Ｓ′2、およびＳ′3が導通していない場合、たとえば、半サイクルの期間、電流は負荷２に供給されるが、負荷（ＬＯＡＤ）１には供給されない。一方、次の半サイクルの期間、負荷２に電流を供給し続けるために、スイッチＳ2、Ｓ4、Ｓ′2、およびＳ′3は導通し、スイッチＳ1、Ｓ3、Ｓ′1、およびＳ′4は導通しない。
【００３３】
上記では誘導加熱および誘導溶融のためのスイッチング方法が全般的に述べられているが、本発明の他の例においては、誘導炉用途でのインバータとして使用された場合、スイッチング方法は誘導攪拌パターンに作用するように使用してもよい。そのような用途は、図８、図９（ａ）、および図９（ｂ）に示された限定を意図しない例に示されている。図８は、るつぼ９０を取り囲む３つの誘導コイル、すなわち下段コイル２２ａ、中段コイル２２ｂ、および上段コイル２２ｃのそれぞれに電力を供給するのに使用される交流電源２０ａ、２０ｂ、および２０ｃの一例である。タンク・キャパシタＣT1、ＣT2、およびＣT3が各電源の出力に備えられている。各キャパシタは、異なる容量値を持ってもよい。抵抗素子Ｒ1、Ｒ2，およびＲ3は、各コイル部により囲まれたるつぼ９０内の電磁的に結合された加熱、溶融、または攪拌される負荷の抵抗を表す。スイッチＳＷ1およびＳＷ2は、図９（ａ）に示される溶融モードにおいてスイッチが閉じられた場合、コイル電流の平衡をとるために使用される。スイッチＳＷ1およびＳＷ2の両方が閉じられた状態では、確立された磁束の方向は代表的な磁束線９４により示される。この配置の有利な点の一つは、各スイッチがるつぼの全電流（電力）定格の約１０パーセントの連続電流定格を持ってもよいということである。というのは、炉の誘導コイル部のインピーダンスが１０パーセント未満であるコイル間の代表的な偏差にほぼ等しいからである。スイッチＳＷ1およびＳＷ2は、機械式または電気式のいずれでもよい。スイッチＳＷ1およびＳＷ2は、適切に配置されたスイッチング装置と組み合わせてもよい。代表的な、ただし限定を意図しない電気スイッチは、ダイオード・ブリッジＳＣＲスイッチとして図１０（ｃ）に示されている。コイル部間の電流は比較的小さく、電子スイッチング装置の用途に有利である。上記に特定された動作条件において、誘導された電磁攪拌パターンは、図９（ａ）の代表的な流れ線９２ａにより表すことができ、２つの渦流環、すなわちるつぼの下半分と上半分において別々の渦流環を持つ環状の渦流パターンになる。
【００３４】
より一般的に、図９（ａ）および図９（ｂ）の各誘導コイルは、第一のすなわち“始端”端子および第二のすなわち“終端”端子を持つものとして定義されてもよい。たとえば、図１２（ａ）において、誘導コイル７０が順巻き（るつぼ９０の周りを右から左へ上昇）誘導コイルで、図１２（ｂ）において誘導コイル７２が逆巻き（るつぼ９０の周りを左から右へ上昇）誘導コイルの場合、各コイルの始端端子および終端端子は図に示すように指定することができる。あるいは、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、誘導コイル２２ａ、２２ｂ、および２２ｃの始端端子は、図に示すように“丸星”記号で指定することができ、たとえば、本発明の限定を意図しない例では、コイル２２ａおよび２２ｃは順巻きで、コイル２２ｂは逆巻き、またはその反対で表される。この規則を使用すると、３つの誘導コイルのすべての始端端子は、スイッチＳＷ1およびＳＷ2が閉じているときにのみ互いに選択的に接続されている。一方、３つの誘導コイルのすべての終端端子は常に共通して接続されている。本発明の他の例においては、すべての誘導コイルの始端端子が、一つまたは複数のスイッチング装置により互いに選択的に接続され、すべての誘導コイルの終端端子が常に共通して接続されている、またはその反対の状態で、３つより多くの誘導コイルが使用されてもよい。
【００３５】
攪拌モードにおいて、３つの電源のうちのいずれか２つは、３つの電源のうち２つの電源からの出力がゼロになるような停止状態に設定されてもよい。これにより、各停止状態の電源と対応するタンク・キャパシタ、抵抗、およびコイル部は、並列ＲＬＣ回路を形成する。攪拌モードにおいて、ＳＷ1およびＳＷ2の両方は開いている。図９（ｂ）および図１０（ｂ）において、電源２０ａは動作中で、電源２０ｂおよび２０ｃはオフまたは停止状態（これらの２つの電源は点線で示されている）である。その結果、コイル２２ａを通って流れる電源２０ａからの出力電流は、代表的な磁束線９８ａで表される磁界を発生する。この磁界は、コイル２２ｂ、抵抗Ｒ2、およびキャパシタＣT2により形成されるＲＬＣ回路を結合し（図式的に“Ｍ”により表されている）、言い換えると、代表的な磁束線９８ｂにより表される二次的な磁界を発生するコイル２２ｂを通る誘導電流をもたらす。この二次的な磁界は、コイル２２ｃ、抵抗Ｒ3、およびキャパシタＣT3により形成されるＲＬＣ回路を結合し、言い換えると、代表的な磁束線９８ｃにより表される二次的な磁界を発生するコイル２２ｃを通る誘導電流をもたらす。これらの磁界の組み合わせは、図９（ｂ）に示されるるつぼ９０内の溶融導電材料に電磁流パターンを引き起こす。誘導電磁攪拌パターンは、図９（ｂ）の代表的な流線９２ｂにより表すことができ、環のポロイダル（環状）軸Ｚに下向きの流れパターンまたは反時計回りのポロイダル回転を伴う、るつぼ内の単一の渦流パターンを形成する。この攪拌配置は、図１１（ａ）に示すように、溶融物に金属チップ９４などの追加の投入を行う場合に特に有用であり、これにより、追加された投入物は溶融物中にすばやく引き込まれる。ポロイダル回転は、電源２０ｃを動作し、電源２０ａおよび２０ｂの動作を停止することにより時計回りに逆転させてもよい。本発明のいくつかの例では、上段の電源２０ｃの出力電力レベルの交番または寸動を用いて、溶融金属浴の表面、たとえば図１１（ｂ）に示すようにメニスカス８０から８０ａを規定する凸形メニスカス８０の高さを動かし（調整し）、より広い溶融金属表面を周囲環境に暴露することができる。これは、用途が真空炉で周囲環境が真空である場合、特別な価値を持つ。表面上方の真空にさらされている溶融金属面の面積が増加すると、ガス抜きの効率が上がる。
【００３６】
図９（ａ）および図９（ｂ）に示される本発明の例は、真空誘導炉および非真空誘導炉の両方の用途、およびるつぼが最初に固体および／または半固体導電材料で満たされているバッチ・プロセス、あるいは導電固体投入材または導電半固体導入材がるつぼ底部の既存のヒールに徐々に追加されるヒール・プロセスに使用してもよい。一般的に、溶融および加熱モード（図９（ａ）および図１０（ａ））は、るつぼ内の導電材料のすべてを最初に溶かすために使用される。その後、攪拌モード（図９（ｂ）および図１０（ｂ））を使用して、たとえば、溶融浴を通して誘導加熱を強める、および／または溶融浴の表面を連続的に変化させて溶融物から周囲環境または真空へのガスの移動を促進するために溶融浴全体を循環させて溶融浴のガス抜きを促進する、および／または溶融浴に追加された投入材の分解を、図９（ｂ）のＺ軸で特定された下向きの中心の渦に引き込むことにより促進する。
【００３７】
本発明の上記の例では３つの誘導コイル部が示されているが、本発明の他の例においては、他の個数のコイル部が使用されてもよい。
【００３８】
本発明の上記例は、単に説明のために提供されているもので、本発明を限定するものとして解釈されるものではない。本発明は様々な実施例を参照して記述されているが、ここで使用されている語は、限定のための語ではなく、記述および説明のための語である。本発明は、特定の手段、材料、および実施例に従ってここに記述されているが、本発明はここに開示された特別なものに限定されるものではない。むしろ、本発明は、添付された請求項の範囲内で、機能的に均等な構造、方法、および使用に拡張される。本明細書の教示の利益を有する当業者は、そこに多くの変更をもたらしてもよく、本発明の範囲から逸脱しない限りにおいて変更が行われてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図８】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【図１０（ｃ）】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
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【国際調査報告】
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