(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流商用電源から直流電圧を生成する順変換器と、生成された直流電圧のリプル成分を除去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圧を第１の加熱コイルに出力させる単相インバータ構成の逆変換器と、その第１の加熱コイルの力率改善コンデンサと、前記順変換器、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、過電流から前記サイリスタを保護する第１の制御回路とを少なくとも備える誘導加熱装置において、
前記第１の加熱コイル位置を基に、さらに配設された第２の加熱コイル又は複数の第２〜第ｎ加熱コイル群と、
第２の加熱コイル配設の場合は、その第２の加熱コイルに直列接続してその加熱コイルへ出力する前記高周波電圧の流通位相角を制限する逆並列接続されたサイリスタスイッチ対と、
前記複数の第２〜第ｎの加熱コイル群配設の場合は、それぞれの加熱コイルに直列接続して、各加熱コイル毎にそれぞれ前記高周波電圧の流通位相角を制限する逆並列接続された複数のサイリスタスイッチ対群と、
前記第２の加熱コイルとサイリスタスイッチ対の直列接続回路の両端子又は、前記複数の加熱コイルと複数のサイリスタスイッチ対との各直列接続回路の複数の両端子を前記高周波電圧出力端子へ接続する出力導入線と、
前記サイリスタスイッチ対のサイリスタのいずれかがＯＦＦしたときに発生する順圧を検出し、その検出信号を出力する順圧検出回路と、
その順圧検出回路からの検出信号を基に前記サイリスタスイッチ対の各流通角の位相制御をすると共に、それらサイリスタ素子に対する過電圧、過電流を検出して保護できる第２の制御回路と、から構成され、
前記第１の加熱コイルの出力を基準として第２の加熱コイルへの前記流通位相角を制限させて、必要とする出力に制御されるか、又は第２〜第ｎの加熱コイルのそれぞれ毎に前記流通位相角を制限させて、それぞれの加熱コイルに必要とする出力に制御されることを特徴とする加熱コイル毎に電力制御可能な誘導加熱装置。
【請求項２】
前記第２の制御回路は、第１の制御回路による逆変換器の単相インバータから加熱コイルへ出力する電圧を制御する信号から、そのインバータ出力電圧を検出すると共に、第２の制御回路に内蔵したＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）回路でその検出信号の正負の各１８０度サイクル毎に同期を取った三角波を生成する手段と、
配設された各加熱コイル毎に必要電力量に対応する基準信号値を予め記憶しておき、正の１８０度サイクルで前記三角波のＰＬＬ回路信号の振幅と基準信号値が一致する位相角度で一方のサイリスタを点弧させ、同様にして負の１８０度サイクルで一致する位相角度で他方のサイリスタを点弧させる手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の加熱コイル毎に電力制御可能な誘導加熱装置。
【請求項３】
前記第１の加熱コイルに並列に接続された力率改善コンデンサで少なくとも構成する共振回路は、その回路に直列に接続されたサイリスタスイッチ回路を備え、装置が起動するに際しては最初に前記サイリスタスイッチ回路をＯＮとして共振波形を形成させることを特徴とする請求項１記載の加熱コイル毎に電力制御可能な誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１台の高周波インバータと制御装置で所望の高周波電力を複数の各加熱コイル毎に供給可能とする誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数或いは大型の誘導溶解炉及び誘導加熱装置を使用する場合、複数の加熱コイルを用いて同時に加熱しなければならなかった。従来このような場合、加熱コイル１台毎に高周波電源装置を設けて、それぞれの加熱コイルに高周波電力を供給していた。  
【０００３】
このため、高周波電源設備が大型となり、さらに高価な設備を複数台設けなければならない問題があった。  
【０００４】
また、従来の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、順変換器、直流リアクトル、逆変換器と、力率改善コンデンサと、順変換器、逆変換器を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から構成されていた。しかしながら、これらの装置は出力に接続し、制御可能な加熱コイルは一個であった。
【０００５】
従来の誘導加熱装置の例を図５に示す。ここで１は電源、１２は目標とするインバータ出力電圧を得るため商用電源電圧から所定の電圧に調整する変換器用変圧器、２は、２１−２６のサイリスタからなる順変換器、３は直流リアクトル、４は４１−４４のサイリスタからなる逆変換器、５は力率改善コンデンサ、６は加熱コイル、８は直流電圧検出回路、１０は制御回路を示す。
【０００６】
すなわち、以上の誘導加熱装置を複数台使用し、複数或いは大型の溶解炉を所定の望まれた温度分布に制御していた。
【０００７】
そこで、特許文献１に示されているように、一つの電源から切替回路を経由して複数の誘導コイルに接続された誘導加熱装置が発明された。この発明によれば、複数台の誘導加熱装置を使用する必要はなく、大型の高周波電源設備や高価な設備となる問題は解決される。
【０００８】
しかしながら特許文献１において所定の温度分布に制御する際には、切替回路を介して各誘導コイル毎に供給される電力の期間（すなわち、継続時間又は間隔）を制御回路によって制御することとなる。
【０００９】
すなわち、予め決められた方法で各コイル区間の各々への継続時間（デューティーサイクル）を変えることにより、軸方向の温度分布を所定の望む温度分布に制御している。（特許文献１段落「００１５」「００１８」「００１９」参照）
【００１０】
従って、特許文献１の温度分布制御システムにおいては、電力の継続時間（デューティーサイクル）がインバータ出力電圧サイクル時間に対して比較的長い時間を必要としている。
【００１１】
このため、インバータ出力電圧各サイクル時間内における電圧変動に対処できない欠点があった。つまり、精密な電圧波形の制御ができない問題があった。特に、各サイクル時間内に対処すべき誘導コイル間の近接効果、相互誘導作用による電圧変動などに対応することができず、また、過電圧、過電流に直ちに対応することも難しい問題があった。
【００１２】
【特許文献１】特表２００２−５２９９０６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】
【００１３】
本発明は、１台の誘導加熱用高周波インバータを用いて、複数の加熱コイルに対してそれぞれ必要となる高周波電力を、インバータ出力電圧各サイクル毎に自動的にその移送流通角度により定め、その高周波電力が供給可能な加熱コイル毎に電力制御可能な誘導加熱装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の加熱コイル毎に電力制御可能な誘導加熱装置は、交流商用電源から直流電圧を生成する順変換器と、生成された直流電圧のリプル成分を除去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圧を第１の加熱コイルに出力させる単相インバータ構成の逆変換器と、その第１の加熱コイルの力率改善コンデンサと、前記順変換器、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、過電流から前記サイリスタを保護する第１の制御回路とを少なくとも備える誘導加熱装置において、
前記第１の加熱コイル位置を基に、さらに配設された第２の加熱コイル又は複数の第２〜第ｎ加熱コイル群と、
第２の加熱コイル配設の場合は、その第２の加熱コイルに直列接続してその加熱コイルへ出力する前記高周波電圧の流通位相角を制限する逆並列接続されたサイリスタスイッチ対と、
前記複数の第２〜第ｎの加熱コイル群配設の場合は、それぞれの加熱コイルに直列接続して、各加熱コイル毎にそれぞれ前記高周波電圧の流通位相角を制限する逆並列接続された複数のサイリスタスイッチ対群と、
前記第２の加熱コイルとサイリスタスイッチ対の直列接続回路の両端子又は、前記複数の加熱コイルと複数のサイリスタスイッチ対との各直列接続回路の複数の両端子を前記高周波電圧出力端子へ接続する出力導入線と、
前記サイリスタスイッチ対のサイリスタのいずれかがＯＦＦしたときに発生する順圧を検出し、その検出信号を出力する順圧検出回路と、
その順圧検出回路からの検出信号を基に前記サイリスタスイッチ対の各流通角の位相制御をすると共に、それらサイリスタ素子に対する過電圧、過電流を検出して保護できる第２の制御回路と、から構成され、
前記第１の加熱コイルの出力を基準として第２の加熱コイルへの前記流通位相角を制限させて、必要とする出力に制御されるか、又は第２〜第ｎの加熱コイルのそれぞれ毎に前記流通位相角を制限させて、それぞれの加熱コイルに必要とする出力に制御されることを特徴とする。
【００１５】
また、前記第２の制御回路は、第１の制御回路による逆変換器の単相インバータから加熱コイルへ出力する電圧を制御する信号から、そのインバータ出力電圧を検出すると共に、第２の制御回路に内蔵したＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）回路でその検出信号の正負の各１８０度サイクル毎に同期を取った三角波を生成する手段と、
配設された各加熱コイル毎に必要電力量に対応する基準信号値を予め記憶しておき、正の１８０度サイクルで前記三角波のＰＬＬ回路信号の振幅と基準信号値が一致する位相角度で一方のサイリスタを点弧させ、同様にして負の１８０度サイクルで一致する位相角度で他方のサイリスタを点弧させる手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
また、前記第１の加熱コイルに並列に接続された力率改善コンデンサで少なくとも構成する共振回路は、その回路に直列に接続されたサイリスタスイッチ回路を備え、装置が起動するに際しては最初に前記サイリスタスイッチ回路をＯＮとして共振波形を形成させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、加熱コイル台数と同数のサイリスタスイッチを備えることにより、１台の電流型インバータに複数の加熱コイルを接続することができる。さらに各サイリスタスイッチを制御して加熱コイル毎に所望の出力を供給することができる  
【００１８】
このため、従来と同等性能の高周波電力の供給を、低コストで、且つ大幅な小型化とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の加熱コイル毎に電力制御可能な誘導加熱装置の実施例について図面に基づき説明する。
【００２０】
図１は、その第１の実施例であり、第１の加熱コイル６１に必要にして加えるべき第２の加熱コイル６２を配置した場合であり、通常加熱対象物に対応して第１の加熱コイル６１の位置に基づいて第２の加熱コイルの配設位置が定まる。
【００２１】
図１において、符号１、２（２１−２６）、３、４（４１−４４）、５、８，１０，１２は、背景技術において図５従来の誘導加熱装置で説明したものと同一機能であり説明を省略する。尚、１０は第１の制御回路と呼ぶ。
【００２２】
７１・７７はサイリスタを逆並列接続したサイリスタスイッチ対を示す。この逆並列接続回路は、前記第２の加熱コイルに直列に接続されていて、逆変換器４から加熱コイル６２へ出力する高周波電圧の流通位相角を制限して加熱コイル６２へ発生させる電力を制御する。
【００２３】
９は、前記サイリスタスイッチ対７１・７２のサイリスタのいずれかがＯＦＦしたとき、発生する順圧を検出して、その信号を出力する順圧検出回路を示す。
【００２４】
１１は、第２の制御回路であり、順圧検出回路９からの検出信号を基に、サイリスタスイッチ対７１・７２の各サイリスタ毎の流通角の位相制御をすると共に、一方それらサイリスタ素子に対する過電圧、過電流を検出し、保護処理（少なくともその警告表示など）を行う。
【００２５】
１３は起動回路を示す。起動回路１３は、逆変換器４によるインバータ構成は負荷転流型で且つ電流型インバータであるため、力率改善コンデンサ５、加熱コイル６１と加熱コイル内で加熱される材料から構成される並列共振回路に起動時に共振波形がないため、起動回路１３をＯＮさせることによって負荷共振回路の共振波形を誘起させる。
【００２６】
尚、逆変換器のサイリタ４１〜４４は、単相インバータであり、逆変換器用のサイリスタ４１と４４のペア（以下Ｕ相という）及びサイリスタ４２と４３のペア（以下Ｖ相という）を交互にオンオフを繰返すことで動作している。
【００２７】
逆変換器のサイリスタ４１〜４４は、サイリスタインバータであるため、例えばＵ相をオフしてＶ相をオンする場合（以下転流という）、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相の順圧に耐える絶縁能力を回復させる。
【００２８】
転流用無効電力は、力率改善コンデンサ５から供給されて転流しており、逆変換器のサイリスタ４１〜４４に使用するサイリスタのターンオフ時間Ｔｑ以上の負電圧（以下γという）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。
【００２９】
次に、前述したサイリスタスイッチ対７１・７２、順圧検出回路９、第２の制御回路１１の各動作について、図３を用いて詳細に以下に説明する。
【００３０】
第２の制御回路１１は、少なくとも以下の二つの手段を備えている。
【００３１】
その一つの手段は、第１の制御回路による逆変換器４の単相インバータから加熱コイルに出力する電圧を制御する信号から、そのインバータ出力電圧を検出すると共に、第２の制御回路に内蔵したＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）制御回路で、その検出信号の正負の各１８０度（半サイクル）毎に同期を取った三角波を生成する手段である。
【００３２】
次の手段は、配設された第２の加熱コイル６２に必要電力量に対応する基準信号値を予め記憶しておき、（１）正の１８０度のサイクルで前記三角波のＰＬＬ回路信号の振幅と基準信号値が一致する位相角度で一方のサイリスタを点弧させ、（２）同様に負の１８０度サイクルで一致する位相角度で他方のサイリスタを点弧させる手段である。
【００３３】
なお、ＰＬＬ制御回路は公知の回路であって、正弦波状のインバータ出力電圧を矩形波に変換する２値化回路と、その矩形波とＰＬＬ制御回路の出力波形と位相を比較する位相比較器と、その位相比較器の出力であるデジタル信号を後段のＶＣＯ（電圧制御発振器）で認識可能なアナログ信号に変換するループフィルタと、その入力電圧によって発振周波数を可変するＶＣＯと、ＶＣＯ出力を前記位相比較器で認識できる周波数に分周する分周器とから構成されている。
【００３４】
図３は、以上のようなサイリスタスイッチ対７１・７２の点弧タイミングの説明図である。逆変換器４から第１の加熱コイル６１へのインバータ出力電圧の正弦波を図３の上部に示す。
【００３５】
ＰＬＬ信号は前述した三角波のＰＬＬ回路信号を示し、第２の制御回路１１に内蔵された回路により生成されるＰＬＬ信号電圧を示す。
【００３６】
一方、破線で示される基準信号は、第２の加熱コイル６２に対して所望の必要量の電力を示し、ＰＬＬ信号との交点はその電力に相当する印加電圧に制御するサイリスタスイッチ対７１・７２の各サイリスタ７１及び７２へのゲート信号１及び２を示す。すなわち、電力は位相流通角度で制御される。
【００３７】
インバータ出力電圧が正の１８０度半サイクルではゲート信号１がサイリスタ７１を点弧させ、負の１８０度半サイクルではゲート信号２がサイリスタ７２を点弧させる。
【００３８】
すなわち、基準信号電圧が三角波のＰＬＬ回路信号電圧に一致したときの位相角度で、ゲート信号が生成される。
【００３９】
つまり、基準信号は、サイリスタスイッチ対を任意の電気位相角度で点弧させるための信号である。
【００４０】
これにより、インバータ出力周波数に同期した高周波電力を基に、任意に可変した電力を同時に複数の加熱コイルに供給できる。
【００４１】
図２は、複数の第２〜第ｎの加熱コイルが第１の加熱コイルを基に配設された場合の本発明の誘導加熱装置の第２実施例を示す。
【００４２】
ここで、６２・・・６９は第２・・・・第ｎの加熱コイルを示す。各第２〜第ｎの加熱コイル６２〜６９には、それぞれサイリスタスイッチ対７１・７２が直列接続され、その直列回路の両端は逆変換器４により生成される。負荷共振周波数に対応し第１の加熱コイル６１に接続される前記高周波電圧の出力端子にそれぞれ出力導入線によって接続される。
【００４３】
さらに、各第２〜第ｎの加熱コイルに直列接続する各サイリスタスイッチ対７１・７２は、それぞれ前記順圧検出回路９がそれぞれのサイリスタ７１、７２のいずれかがＯＦＦしたとき発生する順圧を検出し、その検出信号線はサイリスタスイッチ対毎に第２の制御回路１１に接続させ、検出信号を入力させる。
【００４４】
その第２の制御回路１１は第１の実施例の場合と同様に、各サイリスタスイッチ対７１・７２から順圧検出回路９を介した検出信号を基に、それぞれのサイリスタスイッチ対７１・７２の各サイリスタ毎の流通角の位相制御を行うと共に、各サイリスタ毎に対し過電圧、過電流を検出し保護処理を行う。
【００４５】
また、第２の制御回路１１は、前述した二つの手段も第１の実施例の場合と同様に複数の加熱コイルおよびサイリスタスイッチ対に適用される。
【００４６】
その一つの手段は前述したようにインバータ出力電圧の正負の各１８０度（半サイクル）毎に周期を取った三角波を生成する手段である。
【００４７】
次の手段は、配設された第２〜第ｎの加熱コイル６２〜６９のそれぞれに要求される電力量に対応する基準信号電圧を予め記憶しておき、各サイリスタスイッチ対毎に前記三角波のＰＬＬ回路信号の振幅電圧と基準信号電圧が一致する正及び負の各サイクルの位相角度でそれぞれのサイリスタを点弧される手段である。
【００４８】
図４は複数サイリスタスイッチ対の点弧タイミング実施例を示し、この実施例では（ａ）サイリスタスイッチ対１の出力電圧と、（ｂ）サイリスタスイッチ対２の出力電圧を比較して示してある。
【００４９】
誘導加熱装置の第１の加熱コイル６１に加えて配設される（ａ）、（ｂ）のサイリスタスイッチ対にそれぞれ直列接続されている第Ｐ、第Ｑの加熱コイルがある場合を示す。
【００５０】
第１の加熱コイル６１は、サイリスタスイッチ対がないので当然インバータ出力電圧の全位相角度が流通して印加されるが、第Ｐの加熱コイルへは図４（ａ）のようにその流通する位相角度が部分的に制限され、第Ｐの加熱コイルはサイリスタスイッチ対１により第１の加熱コイル６１の出力電力より少なくなる。
【００５１】
一方、第Ｑの加熱コイルはサイリスタスイッチ対２により図４（ｂ）のように、その流通する位相角度が（ａ）の場合よりさらに狭く制限され、（ａ）の出力電圧よりさらに小さくなる。
【００５２】
ここで、（ａ）の場合の流通位相角度はサイリスタスイッチ対１の正のサイクルにおけるゲート信号１Ａと負のサイクルにおけるゲート信号１Ｂによる。
【００５３】
一方（ｂ）の場合の流通位相角度はサイリスタスイッチ対２の正のサイクルにおけるゲート信号２Ａと負のサイクルにおけるゲート信号２Ｂによる。
【００５４】
図４（ａ）（ｂ）を比較すると、ゲート信号１の発生位置の位相角度は、ゲート信号２の発生位置の位相角度より少なく、図４では（ａ）のほうが正又は負のサイクルの中心（最大電圧）に近い。
【００５５】
以上、ゲート信号の位相位置はそれぞれの基準信号電圧により定まることは図３の説明で述べた通りである。
【００５６】
すなわち、基準信号電圧が三角波の最大電圧の１／２に近いほどその加熱コイルでの出力は高く、三角波の最大電圧に近いほどその加熱コイルでの出力は小さくなる。
【００５７】
なお、複数の加熱コイルの配設位置については、誘導加熱装置の加熱対象物の形態、構造などに関連し、それら加熱コイル毎の出力は全体に要求されるその加熱対象物に対する温度分布に関連して定まる。
【００５８】
装置の動作を、以下更に詳細に説明する。
サイリスタスイッチ対７１・７２は、力率改善コンデンサ５、加熱コイル６１と加熱コイル内で加熱される材料から生成される並列共振波形に同期して動作するインバータと連動して動作するため、起動時には負荷共振回路に共振波形がないのでサイリスタスイッチ対７１・７２を単独で起動することはできない。
【００５９】
そのため、まず、インバータを起動させとインバータと直結した加熱コイル６１との負荷共振回路の共振波形が安定してから、次にサイリスタスイッチ対７１・７２を起動する必要がある。
【００６０】
サイリスタスイッチ対７１・７２の出力電力は、第２の制御回路１１内のＰＬＬ制御回路で逆変換器のサイリスタ４１〜４４の出力電圧と同期を取って、正負の半サイクル毎に電気角で１８０度の角度信号として生成した三角波信号と、加熱コイル６２に供給する電力を決めるための基準信号によって、サイリスタスイッチ対７１・７２に使用するサイリスタを所定の電気角度で点弧させるため、図３のように位相制御して設定している。  
【００６１】
サイリスタスイッチ対７１・７２は、逆変換器のサイリスタ４１〜４４の出力が正の半サイクルではサイリスタスイッチ７１を、逆変換器のサイリスタ４１〜４４の出力が負の半サイクルではサイリスタスイッチ７２を交互にオンして加熱コイル６２に電力を供給する。  
【００６２】
サイリスタスイッチ対７１・７２の出力電力は出力電圧制御によってインバータが出力する高周波電力から分配されており、インバータ出力電圧未満の設定でサイリスタ対７１・７２は出力電圧制御できる。
【００６３】
そのため、サイリスタスイッチ対７１・７２用の基準信号をインバータ出力以上の電力や電圧に設定してもサイリスタスイッチ対７１・７２は出力することはできない。
【００６４】
これにより、サイリスタスイッチの合計出力電力がインバータ出力電力未満で、且つサイリスタスイッチの各出力電圧がインバータ出力電圧未満の出力であれば、インバータ出力周波数に同期して複数個のサイリスタスイッチによって複数個の加熱コイルに電力供給を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】誘導加熱装置の第１の実施例である。（第２の加熱コイルがさらに配設された場合）
【図２】誘導加熱装置の第２の実施例である。（複数第２〜第ｎ加熱コイルがさらに配設された場合）
【図３】サイリスタスイッチ対の点弧タイミング実施例である。
【図４】複数サイリスタスイッチ対の点弧タイミング実施例である。
【図５】従来の誘導加熱装置の構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１    三相交流商用電源
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
２１〜２６、４１〜４４  サイリスタ
６１、６２、・・・６９    第１〜第ｎの加熱コイル
７１・７２  サイリスタスイッチ対（逆並列接続回路）
８    直流電圧検出回路
９    順圧検出回路
１０    第１の制御回路
１１    第２の制御回路
１２    変換器用変圧器
１３    起動回路
【図１】
0005066693.tif 000002
【図２】
0005066693.tif 000003
【図３】
0005066693.tif 000004
【図４】
0005066693.tif 000005
【図５】
0005066693.tif 000006