(57)【要約】      （修正有）【課題】誘導加熱装置のサイリスタインバータの転流失敗を高速検出してサイリスタの破損防止を行う装置の提供。【解決手段】順変換器と逆変換器間に直流電圧検出回路による順圧と、制御回路内のＰＬＬ回路で生成する所定電気角度のタイミングで順圧有無を検出し、順圧ありで転流失敗を検出する手段を設け、転流失敗したサイリスタを次の相の最大順圧が印加される前に停止させて、サイリスタが破損しない状態でその保護動作に入り、停止させることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相商用電源から直流電圧を生成する順変換器と、その順変換器で生成された直流電圧のリプルを除去し逆変換器に電力供給する直流リアクトルと、負荷共振周波数に応じた高周波電力を加熱コイルに供給する単相インバータ構成の逆変換器と、その加熱コイルの遅れ力率を進み方向に改善させると共に、前記逆変換器に転流用無効電力を供給する力率改善コンデンサと、を少なくとも備えた誘導加熱装置において、
前記直流リアクトルと前記逆変換器とを接続する直流回路Ｐと、ゼロ点回路Ｎの電位差のＰ−Ｎ間直流電圧検出回路部と、
前記順変換器、前記逆変換器をそれぞれ構成する各サイリスタを点弧させるタイミング制御を行うと共に、過電圧或いは過電流から前記サイリスタを保護する制御を行う制御回路部と、をさらに備え、
前記制御回路部は、前記逆変換器からのインバータ出力電圧と同期を取り、正負交互に出力する各半サイクル（１８０度）毎に三角波ＰＬＬ（Ｐｌａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）信号を生成するＰＬＬ回路と、
位相角度進行につれて前記三角波ＰＬＬ信号値上昇中に予め定めた基準信号値Ｋに交叉したとき、逆変換器へのＵ相ペアサイリスタ、Ｖ相ペアサイリスタへ交互に次の半サイクルを点弧させるようにゲート電極へその位相角度で制御信号を送る点弧制御信号出力手段と、
前記直流電圧検出回路が、前記Ｐ−Ｎ間電圧波形データを前記半サイクル（１８０度）毎に位相角度の関数として読込み、その半サイクル間で、正電圧期間を正のパルス電圧波形として出力した順圧検出信号Ａを受信する順圧検出信号Ａ受信手段と、
その順圧検出信号Ａを反転して反転順圧検出信号Ｂを生成する反転手段と、
前記ＰＬＬ回路の生成する三角波ＰＬＬ信号から半サイクル上の所定の位相角度における所定角度幅の角度検出信号Ｃを生成する角度生成手段と、
前記反転順圧検出信号Ｂと前記角度検出信号Ｃの論理積から転流失敗検出信号Ｄを生成し、もし同信号がオン状態にあれば、転流失敗と判定し、その所定結果を出力又は表示する転流失敗判定手段と、を備えることを特徴とする転流失敗検出付誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷転流型サイリスタ式インバータを用いた高周波インバータ誘導加熱装置において、転流余裕角不足による転流失敗により絶縁能力を回復しないまま短絡状態となって過電流が流れることによりサイリスタがダメージを受け永久故障となることを防止するため、その転流失敗を高速検出して対処処理ができる転流失敗検出付誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、誘導加熱装置に用いる高周波インバータは、電流型インバータであり、その主回路は順変換器、直流リアクトル、逆変換器とから構成されていた。これらの要素は以下のような動作を行う。
【０００３】
順変換器は三相商用電源から直流電圧を生成する。直流リアクトルは順変換器で生成された直流電圧のリプルを除去し、逆変換器に電力を供給する。
【０００４】
逆変換器は負荷共振周波数に応じた高周波電力を加熱コイルに供給する。その逆変換器は負荷転流型サイリスタ式インバータであるため、サイリスタ素子で規定されるターンオフ時間以上に負電圧をこれまで点弧していたサイリスタに印加することで、サイリスタ内のストレージキャリアを除去して、サイリスタは絶縁能力を回復する。その際には転流用無効電力は高周波整合装置部に設置される力率改善コンデンサから供給されることとなる。
【０００５】
従来、以上の構成におけるインバータの転流余裕時間不足で転流失敗検出は以下のようにしていた。すなわち、従来のインバータの逆変換器が転流失敗した場合、転流失敗したサイリスタは短絡状態となるので、不要な過電流が発生し、入力電流と出力電流の差電流が２０％以下となった場合に転流失敗を検出していた。
【０００６】
しかし、直流リアクトルを介して順変換器と逆変換器を接続しているため、逆変換器が転流失敗しても電流の急激な過渡変動ができず、転流失敗してから保護処理動作に入るまで過大な電流が転流失敗したサイリスタに流れ続けることで、そのサイリスタがダメージを受け、永久故障となることが多かった。
【０００７】
特許文献１は、逆変換器のサイリスタ式インバータを備えた高周波電源装置、或いは誘導加熱装置において、そのサイリスタインバータに異常があって停止した場合に自動的に再起動させる制御回路に関する発明である。
【０００８】
特許文献１の発明は、転流失敗故障検出回路と、ゲートパルスの位相制御回路とゲートパルス位置を転流余裕角の補正値に設定する補正量制御回路とからなる制御回路を設けて、そのゲートパルスにより再起動させるシステムである。
【０００９】
しかしながら、その異常が検出されるまで時間がかかるので、再起動させる前にサイリスタが過電流により破損故障してしまうことが多かった。
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１１３２６８号公報（第２、３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述の問題点を解決するため、本発明はサイリスタ型インバータの転流失敗を高速検出してサイリスタ破損を防止することを課題とする。
【００１２】
詳しくは、順変換器と逆変換器間に設置した直流電圧検出回路による順圧と、制御回路内のＰＬＬ制御回路で生成する所定の電気角度或いは位相角度のタイミングで順圧（有・無）を検出し、順圧（有）で転流失敗を検出する手段を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するため、本発明の転流失敗検出付誘導加熱装置は、三相商用電源から直流電圧を生成する順変換器と、その順変換器で生成された直流電圧のリプルを除去し逆変換器に電力供給する直流リアクトルと、負荷共振周波数に応じた高周波電力を加熱コイルに供給する単相インバータ構成の逆変換器と、その加熱コイルの遅れ力率を進み方向に改善させると共に、前記逆変換器に転流用無効電力を供給する力率改善コンデンサと、を少なくとも備えた誘導加熱装置において、
前記直流リアクトルと前記逆変換器とを接続する直流回路Ｐと、ゼロ点回路Ｎの電位差のＰ−Ｎ間直流電圧検出回路部と、
前記順変換器、前記逆変換器をそれぞれ構成する各サイリスタを点弧させるタイミング制御を行うと共に、過電圧或いは過電流から前記サイリスタを保護する制御を行う制御回路部と、をさらに備え、
前記制御回路部は、前記逆変換器からのインバータ出力電圧と同期を取り、正負交互に出力する各半サイクル（１８０度）毎に三角波ＰＬＬ（Ｐｌａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）信号を生成するＰＬＬ回路と、
位相角度進行につれて前記三角波ＰＬＬ信号値上昇中に予め定めた基準信号値Ｋに交叉したとき、逆変換器へのＵ相ペアサイリスタ、Ｖ相ペアサイリスタへ交互に次の半サイクルを点弧させるようにゲート電極へその位相角度で制御信号を送る点弧制御信号出力手段と、
前記直流電圧検出回路が、前記Ｐ−Ｎ間電圧波形データを前記半サイクル（１８０度）毎に位相角度の関数として読込み、その半サイクル間で、正電圧期間を正のパルス電圧波形として出力した順圧検出信号Ａを受信する順圧検出信号Ａ受信手段と、
その順圧検出信号Ａを反転して反転順圧検出信号Ｂを生成する反転手段と、
前記ＰＬＬ回路の生成する三角波ＰＬＬ信号から半サイクル上の所定の位相角度における所定角度幅の角度検出信号Ｃを生成する角度生成手段と、
前記反転順圧検出信号Ｂと前記角度検出信号Ｃの論理積から転流失敗検出信号Ｄを生成し、もし同信号がオン状態にあれば、転流失敗と判定し、その所定結果を出力又は表示する転流失敗判定手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の転流失敗検出付誘導加熱装置は、以下の効果を奏する。すなわち、インバータ出力電圧の各正負のサイクル毎に（その電気角１８０度毎に）その電気角の任意の位置すなわち位相角に「角度検出信号」を設定することができるので、その「角度検出信号」を各サイクルの電気角で９０度以前に、ある期間設定することで、転流失敗したサイリスタは次の相の最大順圧が印加される前に停止させて、サイリスタが破損しない状態で保護動作に入らせ、停止させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の転流失敗検出付誘導加熱装置の実施例を図に基づいて説明する。図１は転流失敗検出付誘導加熱装置の構成を示す図である。
【００１６】
図１において、１は三相商用電源、２は順変換器であり、サイリスタ（２１〜２６）からなり、三相商用電源１を基に直流電圧を生成する。３は、直流リアクトルであり、順変換器２に生成された直流電圧のリプル分を除去する。
【００１７】
逆変換器４はサイリスタ（４１〜４４）からなり、その逆変換器４や負荷破損時の過電流の急激な流出を前記直流リアクトル３により抑制する。
【００１８】
前記逆変換器４は単相インバータ構成であり、負荷周波数に応じて加熱コイル６に高周波電力を供給する。
【００１９】
５は、力率改善コンデンサであり、加熱コイル６の遅れ力率を進み方向に改善すると共に、逆変換器４のサイリスタ（４１〜４４）へ転流用無効電力を供給する。
【００２０】
前記加熱コイル６は、例えば炉内に鉄等の金属材料が投入されたとき、逆変換器４構成のインバータから高周波電力を供給されることで、炉内の金属材料に「うず電流」を発生させ、金属材料間に流れる電流によるジュール熱によって金属材料を昇温・溶解させる。
【００２１】
７は、直流電圧検出回路部であり、直流リアクトル３を介して整流された直流電圧が逆変換器４の両端Ｐ−Ｎ間（図１参照）に印加されるＰ−Ｎ間電圧を検出する。
【００２２】
８は、制御回路部であり、順変換器２、逆変換器４のサイリスタを点弧させるタイミング制御や、過電圧・過電流からサイリスタ等を保護する。
【００２３】
逆変換器４は単相インバータであり、構成するサイリスタ４１と４４のペア（Ｕ相ペア）及び４２と４３のペア（Ｖ相ペア）を所定の周波数で交互にオンオフを繰り返すことで高周波電力を出力する。
【００２４】
以上の逆変換器４はサイリスタインバータ構成であるため、例えばＵ相ペアをオフしてＶ相ペアをオンする転流の場合、所定の無効電力をオフするサイリスタ（４１、４４）に供給することで、これまでオンしていたサイリスタ内のストレージキャリアを吐き出すことにより次のＶ相ペアの順圧に耐える絶縁能力を回復させる。
【００２５】
その転流用の前記無効電力は、力率改善用コンデンサ５から供給されて転流しており、逆変換器４に使用する各サイリスタのターンオフ時間Ｔｑ以上の負電圧印加期間電気角γを、これまでオン状態であったサイリスタに印加することで、そのサイリスタはストレージキャリアを吐き出し、絶縁能力を回復する。
【００２６】
前記負電圧印加期間電気角γに相当する負電圧印加時間がターンオフ時間Ｔｑより長ければ正常動作できるが、ターンオフ時間Ｔｑより短ければ、サイリスタは絶縁能力を回復することができずに、次にオンするＵ相ペア或いはＶ相ペアの順圧に耐えられずに転流失敗する。
【００２７】
図２は、逆変換器４の単相インバータとして動作させるサイリスタ（４１〜４４）をそれぞれ点弧するタイミングを示す図である。
【００２８】
制御回路部８にはＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）回路を設け、そのＰＬＬ回路によって主回路電圧と同期を取って三角波のＰＬＬ信号を生成する。そのＰＬＬ信号が予め定めた基準信号に達したときにＵ相ペア或いはＶ相ペアのサイリスタに対してゲート信号すなわち制御信号を出力する。それらのタイミングが図２に示されている。
【００２９】
図２に示すように、ＰＬＬ回路はインバータ出力電圧に同期して、正負の各半サイクル毎に電気角で１８０度の角度信号を生成している。
【００３０】
図３は、図２に示した単相インバータの動作を行う逆変換器４における各サイリスタ毎の転流失敗検出タイミングを示す図である。
【００３１】
先ず、直流電圧検出回路部７は、図１に示した逆変換器４のＰ−Ｎ間の電圧波形を取り込む。そのＰ−Ｎ間電圧波形は図３に示すようになる。図においてｕは転流重なり角であり、逆電圧が印加されてから０電位になるまでの時間を位相角で表した角度である。
【００３２】
叉γは逆電圧が印加されてから電圧が０に戻るまでの時間を位相角で表した転流余裕角である。
【００３３】
直流電圧検出回路７は、さらに、取り込んだＰ−Ｎ間電圧波形のデータ値から、正電圧期間、すなわち正のパルス電圧を順圧検出信号（Ａ）として出力する。
【００３４】
制御回路部８は、その順圧検出信号（Ａ）を直流電圧検出回路部７より受信し、その検出電圧を反転した順圧検出信号（Ｂ）を生成する。さらに、三角波のＰＬＬ信号を用いて予め定めた所定位相角における角度検出信号（Ｃ）を生成する。
【００３５】
制御回路部８は、その中で自動的に生成した順圧検出信号（Ｂ）と、角度検出信号（Ｃ）の論理積を算出し、さらに、その論理積を転流失敗検出信号（Ｄ）として、それがオン状態であればそのオン状態を検出した半サイクルに転流失敗があると判定する。
【００３６】
図３は転流失敗検出タイミングを示す図である。図３には転流失敗の例が以下のように示されている。すなわち、第３番目の半サイクルに転流余裕角γが少なく、負電位印加期間が狭く、点弧が行われずＰ−Ｎ間電圧波形が立ち上がらず０電位となり、よって順圧検出信号（Ａ）は０、順圧検出信号（Ｂ）は１となって、角度検出信号（Ｃ）の位相角で論理積から転流失敗検出信号（Ｄ）が１、つまりオン状態となる。
【００３７】
すなわち、本発明は、直ちに転流失敗した１／４サイクル中で検出される特徴を有する。
【００３８】
尚、図３の角度検出信号の位相角の位置は任意に設定することができる。そこで、その角度検出信号は電気角９０度以前（半サイクル１８０度の中の最大電圧値になる以前）に、ある幅の期間設定をすることで、転流失敗したサイリスタは次の相の最大順圧が印加される前に停止させて、サイリスタが破損しない状態でその保護動作に入り、停止させることができる。すなわちサイリスタの破損を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の転流失敗検出付誘導加熱装置の構成を示す図である。
【図２】本発明のインバータの点弧タイミングを示す図である。
【図３】本発明の転流失敗検出タイミングを示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    三相商用電源
２    順変換器
３    直流リアクトル
４    逆変換器
５    力率改善コンデンサ
６    加熱コイル
７    直流電圧検出回路部
８    制御回路部
【図１】
2007244003.tif 000003
【図２】
2007244003.tif 000004
【図３】
2007244003.tif 000005