(57)【要約】【課題】簡単な構成で、被加熱材の処理量に関わらず、誘導加熱における被加熱材の昇温が一定となる誘導加熱装置を提供する。【解決手段】誘導加熱装置において、加熱コイルを分割し、分割した加熱コイル３１、３２、３３を複数のブロックに分け、該ブロック毎に入力は同一の直流電源に接続された個別のインバータ１２１、１２２、１２３を設け、インバータ１２１、１２２、１２３の出力を周波数制御し、該ブロック毎に該ブロックで必要とされる昇温に必要な電力と該ブロックで発生する放射損失との和の電力を供給するよう制御した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導加熱装置において、加熱コイルを分割し、分割した加熱コイルを複数のブロックに分け、該ブロック毎に入力は同一の直流電源に接続された個別のインバータを設け、該インバータの出力を周波数制御あるいは、該インバータ部をＰＷＭ（パルス幅制御）し、該ブロック毎に該ブロックで必要とされる昇温に必要な電力と該ブロックで発生する放射損失との和の電力を供給するよう制御することを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
誘導加熱装置において、加熱コイルを分割し、分割した加熱コイルを複数のブロックに分け、該ブロック毎に入力は同一の直流電源に接続された個別のインバータを設け、該インバータの出力を周波数制御あるいは、該インバータ部をＰＷＭ（パルス幅制御）し、該インバータの直流入力電圧に中間電位を設け、複数の該インバータの入力を直流正電位と負電位、正電位と中間電位、中間電位と負電位に分けて接続することを特徴とする誘電加熱装置。
【請求項３】
誘導加熱装置において、加熱コイルを分割し、分割した加熱コイルを複数のブロックに分け、該ブロック毎に入力は同一の直流電源に接続された個別のインバータを設け、該インバータの出力を周波数制御あるいは、該インバータ部をＰＷＭ（パルス幅制御）し、該ブロック毎に該ブロック出側における被加熱材の温度を検出し、該被加熱材の温度と基準温度の偏差を該インバータの制御に負帰還し、偏差がゼロになるよう該インバータの出力を制御することによって、該被加熱材の処理量に関わらず該ブロック出側における該被加熱材の温度を一定に制御することを特徴とする誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば熱間鍛造用の材料を加熱するために用いられる誘導加熱装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の誘導加熱装置の回路図の一例を図５に示す。
誘導加熱装置の電源１は、商用電源を直流に変換する整流器１１、直流を交流に変換するインバータ１２により構成され、インバータ１２の出力は加熱器３の加熱コイル３１、３２、３３等に接続される。なお、加熱器３の各加熱コイル３１、３２、３３は図５では直列に接続されているが並列の場合もあり、何れの場合も同一電源に接続される。並列の場合例えば、特許文献１に記載の如くである。
被加熱材の搬送方向において加熱温度を変更する場合等では、例えば、加熱器３の加熱コイル３１、３２、３３の一部で周波数を変える場合があり、図６に示すように、一つの加熱器３で複数の電源１・１・１を用いる場合もある。この場合、整流器１１・１１・１１、インバータ１２・１２・１２ともに複数組必要であり、出力制御は直流電圧の振幅制御によるため、整流器１１・１１・１１としてはサイリスタ等を用いた可変電圧整流装置が必要であった。
【０００３】
加熱器３の各加熱コイル３１、３２、３３が単一電源により給電される場合の投入電力、昇温の関係を図７に示す。図７において、横軸は加熱コイル入側からの距離を示す。
（ａ）は加熱コイル３１、３２、３３の各ブロックへの投入電力であり、通常は加熱コイル出側における被加熱材の温度偏差を小さく抑えるため、加熱コイル出側に近いほど投入電力を小さく設定する。（ｂ）は被加熱材からの放射損失であり、被加熱材の表面絶対温度の四乗に比例する。（ｃ）は誘導加熱における被加熱材の昇温であり、被加熱材への投入電力（ａ）と被加熱材からの放射損失（ｂ）の差（ａ−ｂ）の積分値によって決まる。
今ここで、被加熱材の処理量が大幅に少なくなった場合の投入電力を（ｄ）に示す。この場合、電源１は各加熱コイル３１、３２、３３共通であるから、各加熱コイル３１、３２、３３の投入電力の比率は（ａ）の場合と同じであるのに対して、被加熱材からの放射損失（ｂ）はほとんど変わらないので、被加熱材への投入電力（ｄ）と被加熱材からの放射損失（ｂ）の差（ｄ−ｂ）は加熱コイル３１、３２、３３途中で負に変わる場合が生じる。このため（ｅ）に示すように加熱コイル３１、３２、３３途中における被加熱材の温度が加熱コイル３１、３２、３３出側の温度より高くなることとなり、加熱コイル３１、３２、３３内で被加熱材が溶着する恐れがあり、例えば、被加熱材の処理量が大幅に低減する保温運転から正規運転再開時において、温度不良材が発生する等の問題があった。
また、電源を分割する例は従来からあるが、一部周波数を変える必要に迫られての場合、または電源容量が大きく単一電源とするよりも複数の電源を用いたほうが有利である場合等による電源分割であった（例えば特許文献２）。従来の電源分割方式は、ブロック毎に直流電圧を制御する方式であり、例えばブロック毎にサイリスタを用いた可変直流電圧電源を必要とし、部品数も大幅に増え、制御も複雑となっていた。
【特許文献１】特開２００４−２５９６６５号公報
【特許文献２】特開平１１−１１１４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は以上の如き状況に鑑み、簡単な構成で、被加熱材の処理量に関わらず誘導加熱における被加熱材の昇温が一定となる誘導加熱装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００６】
即ち、請求項１においては、誘導加熱装置において、加熱コイルを分割し、分割した加熱コイルを複数のブロックに分け、該ブロック毎に入力は同一の直流電源に接続された個別のインバータを設け、該インバータの出力を周波数制御し、該ブロック毎に該ブロックで必要とされる昇温に必要な電力と該ブロックで発生する放射損失との和の電力を供給するよう制御するものである。
【０００７】
請求項２においては、誘導加熱装置において、加熱コイルを分割し、分割した加熱コイルを複数のブロックに分け、該ブロック毎に入力は同一の直流電源に接続された個別のインバータを設け、該インバータの出力を周波数制御し、該インバータの直流入力電圧に中間電位を設け、複数の該インバータの入力を直流正電位と負電位、正電位と中間電位、中間電位と負電位に分けて接続するものである。
【０００８】
請求項３においては、誘導加熱装置において、加熱コイルを分割し、分割した加熱コイルを複数のブロックに分け、該ブロック毎に入力は同一の直流電源に接続された個別のインバータを設け、該インバータの出力を周波数制御し、該ブロック毎に該ブロック出側における被加熱材の温度を検出し、該被加熱材の温度と基準温度の偏差を該インバータの制御に負帰還し、偏差がゼロになるよう該インバータの出力を制御することによって、該被加熱材の処理量に関わらず該ブロック出側における該被加熱材の温度を一定に制御するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１０】
請求項１においては、誘導加熱において被加熱材の処理量が変化しても、加熱コイル内の温度パターンを一定に保つことにより、加熱コイル内での被加熱材の溶着を防止することができる。そして、被加熱材の処理量が大幅に低減する保温運転においても、正規運転と同一の温度パターンを保持することにより、保温運転から正規運転への再開時における温度不良材をほぼゼロにすることができ、歩留まり向上に大きく寄与することができる。また、インバータの制御を周波数制御とすることにより、インバータ入力の直流電源を共通化するとともにダイオードの使用を可能とし、直流電源を大幅に簡素化して信頼性を向上することができる。
【００１１】
請求項２においては、直流電源に中間電位を設け、出側複数ブロックのインバータの入力を、中間電位に接続することにより、インバータの運転力率を向上し、インバータでの損失低減および平滑コンデンサのリップル低減に寄与することができる。そして、インバータの制御を周波数制御とすることにより、インバータ入力の直流電源を共通化するとともにダイオードの使用を可能とし、直流電源を大幅に簡素化して信頼性を向上することができる。
【００１２】
請求項３においては、加熱コイルの各ブロック出側の被加熱材温度を検出し、これを一定値に制御することにより、被加熱材処理量の変化に関わらず一定温度パターンが得られ、その都度設定を変更する必要がなくなる。そして、インバータの制御を周波数制御とすることにより、インバータ入力の直流電源を共通化するとともにダイオードの使用を可能とし、直流電源を大幅に簡素化して信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、発明の実施の形態を説明する。
まず、本発明に係る周波数制御について説明する。
【００１４】
本発明に係る誘導加熱装置の回路図を図１に示す。
図１に示すように、整流器１１は一次巻線４１および二つの二次巻線４２、４３を有する変圧器４、ダイオードで構成された二つの６相ブリッジ整流回路１１１、１１２からなる。なお、変圧器４の二次巻線４２、４３に直接接続された複数の６相ブリッジ整流回路１１１、１１２の直流側が分割されていても、本発明の技術的範囲を逸脱するものではない。整流器１１の直流出力は、平滑コンデンサ２１、２２を介して複数のインバータ１２１、１２２、１２３の入力に接続される。夫々のインバータ１２１、１２２、１２３の出力は、共振コンデンサ５１、５２、５３を介して加熱器３の加熱コイル３１、３２、３３に接続される。前記インバータ１２１、１２２、１２３は制御手段８と接続され、該制御手段８には設定器７と、各インバータ１２１、１２２、１２３の出力電流を検知する手段９１、９２、９３が接続され、後述する加熱コイル３１、３２、３３の出力電流を設定電流に制御される。
今、共振コンデンサ５１、５２、５３の容量をＣ、負荷の等価インダクタンスを含んだ加熱コイル３１、３２、３３のインダクタンスをＬ、負荷の等価抵抗を含んだコイル抵抗をＲ、直流電圧をＶＤ、運転周波数をｆとすると、加熱コイル３１、３２、３３に流れる電流Ｉは数１であらわされる。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
但し、共振周波数はｆ0＝１／｛２π√（ＬＣ）｝、運転周波数と共振周波数の比はｆ／ｆ0＝β、品質係数はＱ＝２πｆＬ／Ｒである。
通常の誘導加熱においてＱは５近辺であるため、例えばｆ／ｆ０を１から１．３に変えるとＩは１から３程度に変わる。つまり、ｆ／ｆ０を３割程度変更すると、Ｉは３倍程度変わる。そして、被加熱材に加わる電力はＩの二乗で変わるため、電力は一桁近く変わることとなる。即ち、入力直流電圧が一定でもインバータ１２１、１２２、１２３の周波数を個別に若干変える（設定器７により温度設定すると制御手段８でその周波数が演算される）ことで、加熱コイル３１、３２、３３内の被加熱材に加わる電力を個別に自在に調整することができる。
【００１７】
次に、本発明に係る電力供給制御について説明する。
【００１８】
本発明に係る加熱コイル３１、３２、３３の各ブロックへの投入電力と昇温の関係を図２に示す。図２においても図７の場合と同様、横軸は加熱コイル入側からの距離、（ａ）は加熱コイル３１、３２、３３の各ブロックへの投入電力、（ｂ）は被加熱材からの放射損失、（ｃ）は誘導加熱における被加熱材の昇温を示す。
【００１９】
ここで、図１に示す回路を使用する場合、加熱コイル３１、３２、３３の各ブロックの投入電力は周波数制御により自在に設定できるため、各ブロックへの投入電力をそのブロックでの昇温に必要とされる電力とそのブロックでの放射損失の和となるよう設定する。つまり、昇温に必要とされる電力は被加熱材の処理量に比例するため、投入電力は数２となる。
【００２０】
【数２】
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【００２１】
但し、Ｐは投入電力、Ｋは比例定数、Ｍは被加熱材の処理量、Ｐｒは放射損失である。
よって、処理量を設定器７により入力することで制御手段７は例えば数２を演算し、各インバータ１２１、１２２、１２３の周波数をその電力に応じて変更するのである。
そして、被加熱材の処理量が大幅に低下した場合の、加熱コイル３１、３２、３３の各ブロックへの投入電力を（ｄ）に示す。具体的には、従来では図７に示すように、処理量が低下すると、加熱コイル３１、３２、３３への供給電力は同じ比率で下げていたが、本発明では、図２に示すように、処理量が低下すると、その処理量と放射損失に応じた電力とするので、供給電力の低下割合は小さくなる。よって、被加熱材の処理量が大幅に低下した場合においても、各ブロックでの放射損失は投入電力で補償されているため、各ブロックでの昇温は被加熱材の処理量に関わらず一定（ｃ＝ｅ）とすることができる。
【００２２】
このように、加熱コイル３１、３２、３３の各ブロックでの放射損失を投入電力で補償することで、誘導加熱において被加熱材の処理量が変化しても、加熱コイル３１、３２、３３内の温度パターンを一定に保つことにより、加熱コイル３１、３２、３３内での被加熱材の溶着を防止することができる。そして、被加熱材の処理量が大幅に低減する保温運転においても、正規運転と同一の温度パターンを保持することにより、保温運転から正規運転への再開時における温度不良材をほぼゼロにすることができ、歩留まり向上に大きく寄与することができる。
【００２３】
次に、本発明に係るインバータの入力の中間電位への接続について説明する。
【００２４】
本発明に係る誘導加熱装置の回路図を図３に示す。図３において、各部は図１の場合と同じである。但し、制御手段と設定器、出力電流検知手段は省略している。
通常、前述のように入側の加熱コイルのブロックへの投入電力は、出側の加熱コイルのブロックへの投入電力より大幅に多い。特に被加熱材が鉄鋼の場合は、入側の加熱コイルのブロックで全投入電力の１／２以上必要となる場合が多い。この場合出側の加熱コイルのブロックのインバータは入力直流電圧を一定とすると低力率での運転を余儀なくされる。低力率で運転するとインバータでの損失増加や平滑コンデンサのリップル電流増加等が生じ不利となる。通常、インバータの直流入力を作る整流器は、商用電源の高調波低減対策上、６相ブリッジ整流回路を２ヶ直列に接続する場合が大半である。本実施例においても、６相ブリッジ整流回路１１１と６相ブリッジ整流回路１１２を直列に接続している。
そして、この２ヶの６相ブリッジ整流回路１１１と６相ブリッジ整流回路１１２との接続点を中間電位とし、出側の加熱コイル３２、３３のブロックのインバータ１２２、１２３の入力を、中間電位と負電位、正電位と中間電位に交互に接続する。つまり、入側に位置する加熱コイル３１のブロックのインバータ１２１は大電力が必要なため、インバータ１２１の入力は６相ブリッジ整流回路１１１の正電位と６相ブリッジ整流回路１１２の負電位の間に接続する。出側の加熱コイル３２のブロックのインバータ１２２の入力は６相ブリッジ整流回路１１２の正電位（中間電位）と負電位の間に接続し、出側の加熱コイル３３のブロックのインバータ１２３の入力は６相ブリッジ整流回路１１１の正電位と負電位（中間電位）の間に接続する構成としている。但し、インバータ１２２と１２３の入力は６相ブリッジ整流回路１１１と６相ブリッジ整流回路１１２の何れかであればよい。
【００２５】
このように、直流電源に中間電位を設け、出側複数ブロックのインバータ１２２、１２３の入力を、中間電位に接続することにより、インバータ１２２、１２３の運転力率を向上し、インバータ１２２、１２３での損失低減および平滑コンデンサ２１、２２のリップル低減に寄与することができる。
【００２６】
次に、本発明に係る温度制御について説明する。
【００２７】
本発明に係る誘導加熱装置の回路図を図４に示す。図４において、整流器１１、インバータ１２１、１２２，１２３、加熱器３、加熱コイル３１、３２、３３は図１と同一である。
温度検出器６１、６２、６３は、加熱コイル３１、３２、３３の各ブロック出側に設置され、被加熱材の温度を検出するためのものであり、それぞれ温度制御部８１、８２、８３と接続されている。温度基準設定器７１、７２、７３は、加熱コイル３１、３２、３３の各ブロック出側での被加熱材の基準温度を設定するためのものであり、それぞれ温度制御部８１、８２、８３と接続されている。なお、前記設定器７と兼用する構成であってもかまわない。また、温度制御部８１、８２、８３は、温度検出器６１、６２、６３により検出された被加熱材の検出温度を、温度基準設定器７１、７２、７３の基準温度に一致させるようにインバータ１２１、１２２、１２３をそれぞれ制御するためのものである。なお、前記制御手段８により制御する構成であってもかまわない。また、図３に示す回路に、温度検出器６１、６２、６３、温度基準設定器７１、７２、７３、温度制御部８１、８２、８３を図４と同様に接続して設ける構成とすることも可能である。
【００２８】
このように、加熱コイル３１、３２、３３の各ブロック出側の被加熱材温度を検出し、これを温度制御部８１、８２、８３に入力して、温度基準設定器７１、７２、７３により設定した温度となるようにインバータ１２１、１２２、１２３を制御することにより、被加熱材処理量の変化に関わらず一定温度パターン（図２のｃ）が得られ、その都度設定を変更する必要がなくなる。更に詳しく説明すると、誘導加熱装置を稼動しているときに、加熱コイル３１、３２、３３の各ブロック出側に搬送された被加熱材の温度を温度検出器６１、６２、６３によりそれぞれ検出し、該温度検出器６１、６２、６３からの検出値を温度制御部８１、８２、８３に入力して、該温度制御部８１、８２、８３において、温度基準設定器７１、７２、７３からの設定値と、前記温度検出器６１、６２、６３からの検出値の偏差を演算して負帰還させて、偏差がゼロとなるようにインバータ１２１、１２２、１２３への制御入力が演算されて、温度制御部８１、８２、８３からインバータ１２１、１２２、１２３のゲート（制御信号入力部）へ出力されるのである。即ち、インバータ１２１、１２２、１２３はフィードバック制御が行なわれるのである。
【００２９】
以上の如く、誘導加熱装置は、誘導加熱装置において、加熱コイルを分割し、分割した加熱コイル３１、３２、３３を複数のブロックに分け、該ブロック毎に入力は同一の直流電源に接続された個別のインバータ１２１、１２２、１２３を設け、インバータ１２１、１２２、１２３の出力を周波数制御し、該ブロック毎に該ブロックで必要とされる昇温に必要な電力と該ブロックで発生する放射損失との和の電力を供給するよう制御するものである。
このように構成することにより、誘導加熱において被加熱材の処理量が変化しても、加熱コイル３１、３２、３３内の温度パターンを一定に保つことにより、加熱コイル３１、３２、３３内での被加熱材の溶着を防止することができる。そして、被加熱材の処理量が大幅に低減する保温運転においても、正規運転と同一の温度パターンを保持することにより、保温運転から正規運転への再開時における温度不良材をほぼゼロにすることができ、歩留まり向上に大きく寄与することができる。また、インバータ１２１、１２２、１２３の制御を周波数制御とすることにより、インバータ１２１、１２２、１２３入力の直流電源を共通化するとともにダイオードの使用を可能とし、直流電源を大幅に簡素化して信頼性を向上することができる。
そして、誘導加熱装置において、加熱コイルを分割し、分割した加熱コイル３１、３２、３３を複数のブロックに分け、該ブロック毎に入力は同一の直流電源に接続された個別のインバータ１２１、１２２、１２３を設け、インバータ１２１、１２２、１２３の出力を周波数制御し、インバータ１２１、１２２、１２３の直流入力電圧に中間電位を設け、複数のインバータ１２１、１２２、１２３の入力を直流正電位と負電位、正電位と中間電位、中間電位と負電位に分けて接続するものである。
このように構成することにより、直流電源に中間電位を設け、出側複数ブロックのインバータ１２２、１２３の入力を、中間電位に接続することにより、インバータ１２２、１２３の運転力率を向上し、インバータ１２２、１２３での損失低減および平滑コンデンサ２１、２２のリップル低減に寄与することができる。そして、インバータ１２１、１２２、１２３の制御を周波数制御とすることにより、インバータ１２１、１２２、１２３入力の直流電源を共通化するとともにダイオードの使用を可能とし、直流電源を大幅に簡素化して信頼性を向上することができる。
また、誘導加熱装置において、加熱コイルを分割し、分割した加熱コイル３１、３２、３３を複数のブロックに分け、該ブロック毎に入力は同一の直流電源に接続された個別のインバータ１２１、１２２、１２３を設け、インバータ１２１、１２２、１２３の出力を周波数制御し、該ブロック毎に該ブロック出側における被加熱材の温度を検出し、該被加熱材の温度と基準温度の偏差をインバータ１２１、１２２、１２３の制御に負帰還し、偏差がゼロになるようインバータ１２１、１２２、１２３の出力を制御することによって、該被加熱材の処理量に関わらず該ブロック出側における該被加熱材の温度を一定に制御するものである。
このように構成することにより、加熱コイル３１、３２、３３の各ブロック出側の被加熱材温度を検出し、これを一定値に制御することにより、被加熱材処理量の変化に関わらず一定温度パターンが得られ、その都度設定を変更する必要がなくなる。そして、インバータ１２１、１２２、１２３の制御を周波数制御とすることにより、インバータ１２１、１２２、１２３入力の直流電源を共通化するとともにダイオード（整流素子）の使用を可能とし、直流電源を大幅に簡素化して信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る周波数制御による誘導加熱装置の回路図。
【図２】本発明に係る周波数制御による誘導加熱装置であって、電力供給制御による加熱コイルの投入電力、放射損失、被加熱材の温度パターンを被加熱材の処理量の多い時と少ない時について示す図面。
【図３】本発明に係る周波数制御による誘導加熱装置であって、インバータの直流入力電圧に中間電位を設けた回路図。
【図４】本発明に係る周波数制御による誘導加熱装置であって、温度制御を行う回路図。
【図５】従来の誘導加熱装置の回路図の一例を示す図面。
【図６】従来の誘導加熱装置において、電源を分割した場合の回路図の一例を示す図面。
【図７】従来の誘導加熱装置において、加熱コイルの投入電力、放射損失、被加熱材の温度パターンを、被加熱材の処理量の多い時と少ない時について示す図面。
【符号の説明】
【００３１】
１    電源
３    加熱器
４    変圧器
１１    整流器
１２    インバータ
２１    平滑コンデンサ
２２    平滑コンデンサ
３１    加熱コイル
３２    加熱コイル
３３    加熱コイル
４１    一次コイル
４２    二次コイル
４３    二次コイル
５１    共振コンデンサ
５２    共振コンデンサ
５３    共振コンデンサ
６１    温度検出器
６２    温度検出器
６３    温度検出器
７１    温度基準設定器
７２    温度基準設定器
７３    温度基準設定器
８１    温度制御部
８２    温度制御部
８３    温度制御部
１１１    ６相ブリッジ整流回路
１１２    ６相ブリッジ整流回路
１２１    インバータ
１２２    インバータ
１２３    インバータ
【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】
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【図７】
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