JP2015117425A - Power conversion device and method for heat treatment - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion device and method for heat treatment which can change an output within a standard according to a usage state and is economical.SOLUTION: There is provided a power conversion device 10 for heat treatment which includes: a forward conversion section 11 for converting AC into DC; a smoothing section 12 for controlling the DC from the forward conversion section 11 at a constant level; an inverse conversion section 13 for turning ON/OFF of the DC from the smoothing section 12 with a switching element and thereby converting the DC into a high frequency; and a control section 14 for controlling the forward conversion section 11 and the inverse conversion section 13. A rating of power output from the inverse conversion section 13 is determined according to the frequency of high-frequency power output from the inverse conversion section 13, energization time, and a usage rate determined from expression of energization time/(energization time+non-energization time). Thereby, the control section 14 stops or controls the output during operation when the output exceeds the rating.

Description

本発明は、熱処理の際に用いられる熱処理用電力変換装置及び方法に関する。   The present invention relates to a power conversion apparatus and method for heat treatment used in heat treatment.

熱処理のうち通電により加熱する方法として、誘導加熱と直接通電加熱とがある。誘導加熱のうち特に焼入れ処理では、ワークへの熱処理を施す深さに応じて適切な周波数を選択している。   As a method of heating by energization among the heat treatments, there are induction heating and direct energization heating. In induction heating, particularly in the quenching process, an appropriate frequency is selected according to the depth at which the heat treatment is applied to the workpiece.

非特許文献１に示されている熱処理用電力変換装置は、直流をパワー半導体によってスイッチングすることで、高周波に変換している。パワー半導体のスイッチング素子としては、例えば、１０ｋＨｚ未満ではサイリスタ素子を用い、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚではＩＧＢＴを用い、１００ｋＨｚ以上ではＭＯＳＦＥＴを用いている。   The power conversion device for heat treatment shown in Non-Patent Document 1 converts a direct current to a high frequency by switching with a power semiconductor. As a power semiconductor switching element, for example, a thyristor element is used below 10 kHz, an IGBT is used at 10 kHz to 100 kHz, and a MOSFET is used above 100 kHz.

http://www.k-neturen.co.jp/catalog/yuudou/pdf/y004mk16a.pdfhttp://www.k-neturen.co.jp/catalog/yuudou/pdf/y004mk16a.pdf

しかしながら、発振周波数が１０ｋＨｚと１００ｋＨｚとでは、スイッチング周波数が１０倍異なるので、パワー半導体の温度上昇は大きく異なる。つまり、熱処理用電力変換装置のインバータの容量（最大定格値）を装置の動作範囲の最大周波数で決めると、出力する周波数が低い時には、温度上昇が低く、経済的ではない。   However, since the switching frequency is 10 times different between the oscillation frequency of 10 kHz and 100 kHz, the temperature rise of the power semiconductor is greatly different. In other words, if the capacity (maximum rated value) of the inverter of the power converter for heat treatment is determined by the maximum frequency in the operating range of the apparatus, the temperature rise is low when the output frequency is low, which is not economical.

そこで、本発明は、使用状況に応じて出力を規格内で変化させることができる経済的な熱処理用電力変換装置及び方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an economical heat treatment power conversion apparatus and method capable of changing the output within the standard in accordance with the use situation.

上記目的を達成するために、本発明は、熱処理用電力変換装置において、交流を直流に変換する順変換部と、順変換部からの直流を一定に制御する平滑部と、平滑部からの直流をスイッチング素子でＯＮ／ＯＦＦすることにより高周波に変換する逆変換部と、順変換部と逆変換部とを制御する制御部と、を備え、
逆変換部から出力される電力の定格であって、逆変換部から出力される高周波電力の周波数と、通電時間と、通電時間／（通電時間＋通電していない時間）から求まる使用率とに応じて定まる定格を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides, in a heat treatment power converter, a forward conversion unit that converts alternating current into direct current, a smoothing unit that controls DC directly from the forward conversion unit, and direct current from the smoothing unit. A reverse conversion unit that converts the signal into a high frequency by turning on / off the switching element, and a control unit that controls the forward conversion unit and the reverse conversion unit.
It is the rating of the power output from the reverse conversion unit, and the usage rate obtained from the frequency of the high frequency power output from the reverse conversion unit, the energization time, and the energization time / (energization time + non-energization time) It has a rating determined accordingly.

上記熱処理用電力変換装置において、制御部は、スイッチング素子の周波数、通電時間、使用率及びスイッチング素子の使用可能な温度での電力を関係付けるデータを備えており、通電時間と使用率が設定されると、データに基づいて最大許容電流を求めて、出力の停止又は制御を行う。   In the power conversion device for heat treatment, the control unit includes data relating the frequency of the switching element, the energization time, the usage rate, and the power at the usable temperature of the switching element, and the energization time and the usage rate are set. Then, the maximum allowable current is obtained based on the data, and the output is stopped or controlled.

上記目的を達成するために、本発明は、交流を一旦直流に変換し更にスイッチング素子で直流をＯＮ／ＯＦＦすることにより高周波に変換する熱処理用電力変換方法において、
変換後の高周波の周波数と、通電時間と、通電時間／（通電時間＋通電していない時間）から求まる使用率とに応じて、スイッチング素子のジャンクション温度が所定の値を超えない範囲で、最大出力電力を増加させるようにしたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a power conversion method for heat treatment in which alternating current is once converted into direct current and further converted into high frequency by turning on / off direct current with a switching element.
Depending on the high-frequency frequency after conversion, energization time, and the usage rate obtained from energization time / (energization time + non-energization time), the maximum is within the range where the junction temperature of the switching element does not exceed the predetermined value. The output power is increased.

上記熱処理用電力変換方法において、スイッチング素子の損失による温度上昇分とスイッチング素子の冷却による温度減少分の差分により得られるスイッチング素子のジャンクション温度の上限が、スイッチング素子の定格内となるまで最大出力電力を増加させる。   In the above power conversion method for heat treatment, the maximum output power until the upper limit of the junction temperature of the switching element obtained by the difference between the temperature increase due to the switching element loss and the temperature decrease due to the cooling of the switching element is within the rating of the switching element. Increase.

上記熱処理用電力変換方法において、スイッチング素子の損失が、スイッチング素子への通電による損失と、スイッチング素子のスイッチング損失との和により定められる。   In the power conversion method for heat treatment, the loss of the switching element is determined by the sum of the loss due to energization of the switching element and the switching loss of the switching element.

上記熱処理用電力変換方法において、スイッチング素子への通電時間は、熱処理対象物の交換及びセッティングの時間よりも短い。   In the power conversion method for heat treatment, the energization time for the switching element is shorter than the time for replacement and setting of the heat treatment object.

本発明によれば、周波数、通電時間及び使用率に応じて定格を定めているので、低い周波数に電力変換する場合にはスイッチング素子の定格内で出力を大きくすることができ、経済的な装置及び方法を提供することができる。   According to the present invention, since the rating is determined according to the frequency, the energization time, and the usage rate, the power can be increased within the rating of the switching element when converting the power to a lower frequency, which is an economical device. And methods can be provided.

本発明の実施形態に係る熱処理用電力変換装置の構成図である。It is a lineblock diagram of the power converter for heat treatment concerning the embodiment of the present invention. 使用率を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a usage rate. 制御部に蓄積されているデータの一部を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a part of data accumulate | stored in the control part. 本発明の実施形態に係る熱処理用電力変換装置の設計思想を示す図であり、（ａ）はスイッチング素子のコレクタ電流波形及びＶＣＥ波形を示しており、（ｂ）は損失波形を示している。It is a figure which shows the design thought of the power converter device for heat processing which concerns on embodiment of this invention, (a) has shown the collector current waveform and VCE waveform of a switching element, (b) has shown the loss waveform. . 規則的な繰り返し方形電流からスイッチング素子のジャンクション温度を求める際の計算手法を示す図である。It is a figure which shows the calculation method at the time of calculating | requiring the junction temperature of a switching element from a regular repeating square current. 制御部に蓄積されているデータを模式的に示す図であり、（ａ），（ｂ）は周波数３ｋＨｚ，５０ｋＨｚでの使用率αと電力との関係を、通電時間をパラメータとしてそれぞれ示している。It is a figure which shows typically the data accumulate | stored in the control part, (a), (b) has each shown the relationship between the utilization factor (alpha) and electric power in frequency 3kHz and 50kHz, and energization time as a parameter, respectively. .

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明の実施形態に係る熱処理用電力変換装置の構成図である。図１に示すように、熱処理用電力変換装置（以下「電力変換装置」と称する。）１０は、交流を直流に変換する順変換部１１と、順変換部１１からの直流を一定に制御する平滑部１２と、スイッチング素子を所定の周波数でＯＮ／ＯＦＦすることにより平滑部１２からの直流を高周波に変換する逆変換部１３と、順変換部１１及び逆変換部１３を制御する制御部１４とからなる。   FIG. 1 is a configuration diagram of a heat treatment power converter according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a power converter for heat treatment (hereinafter referred to as “power converter”) 10 controls a forward converter 11 that converts alternating current into direct current, and the direct current from forward converter 11 is kept constant. A smoothing unit 12, an inverse conversion unit 13 that converts a direct current from the smoothing unit 12 into a high frequency by turning ON / OFF a switching element at a predetermined frequency, and a control unit 14 that controls the forward conversion unit 11 and the inverse conversion unit 13. It consists of.

順変換部１１は、コンバータとも呼ばれ、商用周波数を整流して直流に変換する。順変換部１１は制御部１４の出力制御により、電力変換装置１０からの出力電力の大きさを調整する。   The forward conversion unit 11 is also called a converter, and rectifies the commercial frequency and converts it into direct current. The forward conversion unit 11 adjusts the magnitude of the output power from the power conversion device 10 by the output control of the control unit 14.

平滑部１２は、電流型の電力変換装置では順変換部１１から出力された電流の脈動をリアクトルにより平滑化し、電圧型の電力変換装置では順変換部１１から出力された電圧の脈動をコンデンサにより平滑化し、逆変換部１３に出力する。   In the current type power converter, the smoothing unit 12 smoothes the pulsation of the current output from the forward conversion unit 11 with a reactor, and in the voltage type power conversion device, the pulsation of the voltage output from the forward conversion unit 11 with a capacitor. Smoothed and output to the inverse transform unit 13.

逆変換部１３は、スイッチング素子としてのパワー半導体素子をブリッジ回路となるように構成し、パワー半導体素子がスイッチングすることにより、直流を高周波に変換して出力する。   The inverse conversion unit 13 is configured so that a power semiconductor element as a switching element becomes a bridge circuit, and the power semiconductor element switches to convert DC into a high frequency and output.

制御部１４は、順変換部１１へ出力制御信号、異常停止指示信号を出力することで、順変換部１１を制御すると共に、逆変換部１３へ周波数制御信号、異常停止指示信号を出力することで、逆変換部１３を制御する。制御部１４は、順変換部１１及び逆変換部１３からフィードバック信号をそれぞれ受け、順変換部１１及び逆変換部１３の状態を検知する。   The control unit 14 outputs the output control signal and the abnormal stop instruction signal to the forward conversion unit 11 to control the forward conversion unit 11 and outputs the frequency control signal and the abnormal stop instruction signal to the reverse conversion unit 13. Thus, the inverse conversion unit 13 is controlled. The control unit 14 receives feedback signals from the forward conversion unit 11 and the reverse conversion unit 13, and detects the states of the forward conversion unit 11 and the reverse conversion unit 13.

本発明の実施形態では、制御部１４は、逆変換部１３から出力される高周波電力の周波数と通電時間と使用率とに応じて、逆変換部１３からの出力の停止又は制御を行う。そのため、制御部１４は、スイッチング素子の周波数、通電時間、使用率及びスイッチング素子の使用可能な温度での電力を関係付けるデータを備えており、通電時間と使用率が設定されると、このデータに基づいて最大許容電流が求められる。よって、順変換部１１からの電流フィードバック信号により検出した順変換部１１の出力電流が通電時間、使用率及び周波数から求めた最大許容電流を超えると、逆変換１３からの出力の停止を行うか出力を下げるなどの制御を行う。ここで、最大許容電流とは、スイッチング素子の周波数、通電時間、使用率及びスイッチング素子の使用可能な温度での電力を関係付けるデータから計算されるものであって、その条件で流すことができる最大の電流をいう。これにより、スイッチング素子の動作による温度上昇の値に基づいて、電力変換装置１０が稼動している最中であっても、逆変換部１３から出力される最大電力、つまり容量が定格化されている電力変換装置１０からの出力の停止又は制御がなされる。   In the embodiment of the present invention, the control unit 14 stops or controls the output from the inverse conversion unit 13 according to the frequency, energization time, and usage rate of the high-frequency power output from the inverse conversion unit 13. Therefore, the control unit 14 includes data relating the frequency of the switching element, the energization time, the usage rate, and the power at the usable temperature of the switching element. When the energization time and the usage rate are set, this data The maximum allowable current is determined based on Therefore, when the output current of the forward conversion unit 11 detected by the current feedback signal from the forward conversion unit 11 exceeds the maximum allowable current obtained from the energization time, the usage rate, and the frequency, is the output from the reverse conversion 13 stopped? Control such as lowering the output. Here, the maximum allowable current is calculated from data relating the frequency of the switching element, the energization time, the usage rate, and the power at the usable temperature of the switching element, and can flow under the conditions. The maximum current. As a result, based on the value of the temperature rise due to the operation of the switching element, the maximum power output from the inverse conversion unit 13, that is, the capacity is rated even when the power conversion device 10 is in operation. The output from the power converter 10 is stopped or controlled.

ここで、使用率αについて説明する。図２は、使用率を説明するための図である。横軸は時間であり、縦軸は出力である。使用率αは次の関係式で求まる。
使用率α＝通電時間ｔｐ／周期τ
＝通電時間ｔｐ／（通電時間＋通電していない時間）
通電時間ｔｐとは、逆変換部１３から高周波が出力されている時間であり、周期τとは通電時間と通電していない時間との和であり、あるパルスが出力され次のパルスが出力されるまでの時間である。 Here, the usage rate α will be described. FIG. 2 is a diagram for explaining the usage rate. The horizontal axis is time, and the vertical axis is output. The usage rate α is obtained by the following relational expression.
Usage rate α = energization time tp / cycle τ
= Energization time tp / (energization time + non-energization time)
The energization time tp is the time during which a high frequency is output from the inverse conversion unit 13, and the period τ is the sum of the energization time and the time during which no energization is performed. A certain pulse is output and the next pulse is output. It is time until

制御部１４には、使用率αと通電時間ｔｐと周波数に対してスイッチング素子のジャンクション温度の上昇値ΔＴｊの際の電力との関係がデータとして蓄積されている。図３は、制御部１４に蓄積されているデータの一部を模式的に示す図である。横軸は使用率％であり、縦軸は電力ｋＷである。使用率１００％では、電力がＰ１と定まり、連続定格となる。しかしながら、使用率を低下させると、電力は大きくなり、通電時間が短くなるに従い電力の増加量が大きくなる。 In the control unit 14, the relationship between the usage rate α, the energization time tp, and the frequency and the power at the time of increase in the junction temperature of the switching element ΔTj is stored as data. FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a part of data stored in the control unit 14. The horizontal axis is usage rate%, and the vertical axis is power kW. When the usage rate is 100%, the electric power is determined as P 1 and becomes a continuous rating. However, when the usage rate is reduced, the power increases, and the amount of increase in power increases as the energization time decreases.

本発明の実施形態に係る電力変換装置１０の設計思想について説明する。図４は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１０の設計思想を示す図であり、（ａ）はスイッチング素子のコレクタ電流ＩＣ波形及びＶＣＥ波形を示し、（ｂ）は損失波形を示している。何れの図も横軸は時間ｔである。電力変換装置１０の出力定格は、スイッチング素子の温度特性と、電圧定格や温度バランスなどの他の特性と、によって定まる。スイッチング素子の温度は、スイッチング素子の損失と冷却とで定まり、スイッチング素子の損失は、次の関係式が成り立つ。
素子の損失＝定常損失＋スイッチング損失 The design concept of the power converter 10 according to the embodiment of the present invention will be described. Figure 4 is a diagram showing the design concept of the power conversion apparatus 10 according to an embodiment of the present invention, (a) shows the collector current I C waveform and V CE waveform of the switching element, the (b) loss waveform Show. In each figure, the horizontal axis represents time t. The output rating of the power conversion device 10 is determined by the temperature characteristics of the switching element and other characteristics such as voltage rating and temperature balance. The temperature of the switching element is determined by the loss of the switching element and cooling, and the following relational expression holds for the loss of the switching element.
Element loss = steady loss + switching loss

図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、横軸を時間にとってコレクタ電流ＩＣ波形と、コレクタ−エミッタ間の電圧ＶＣＥ波形を示すと、ＩＣがＶＣＥに対して位相が進んでいる。このように波形の位相にずれが生じることにより、ＩＣとＶＣＥとの積でスイッチング損失が生じる。 As shown in FIGS. 4A and 4B, when the collector axis I C waveform and the collector-emitter voltage V CE waveform are shown with the horizontal axis as time, the phase of I C advances with respect to V CE . It is out. As the waveform phase shifts as described above, a switching loss is caused by the product of I C and V CE .

よって、定常損失とは、スイッチング素子への通電による損失であり、通電電流の値に依存する。一方、スイッチング損失は、スイッチング回数（つまり周波数）に比例する。従って、同じ電流を流しても、周波数が高いとスイッチング損失が大きくなり素子損失が大きい。   Therefore, the steady loss is a loss due to energization of the switching element and depends on the value of the energization current. On the other hand, the switching loss is proportional to the number of times of switching (that is, frequency). Therefore, even if the same current flows, if the frequency is high, the switching loss increases and the element loss increases.

それにも拘わらず、従来販売され使用されている電力変換装置では、発振周波数が高い電力変換装置、発振周波数が低い電力変換装置の何れも、最も損失が大きい最大周波数で、しかも連続運転を想定して定格化している。これでは、高周波でも周波数が低い場合には電流値を大きくすることが出来るにも拘わらず小さい電流を流している。また、高周波焼入れなど、連続通電しないで非常に短い、例えば数秒乃至十数秒の通電では十分なスイッチング素子を冷却する時間があるにも拘わらず、定格化をする際に考慮されていない。   Nevertheless, power converters that have been sold and used in the past are assumed to operate continuously at the maximum frequency with the highest loss, both for power converters with a high oscillation frequency and power converters with a low oscillation frequency. Are rated. In this case, even when the frequency is low even when the frequency is high, a small current is passed even though the current value can be increased. In addition, in the case of energizing for a very short time, for example, several seconds to several tens of seconds without continuous energization, such as induction hardening, it is not taken into consideration in the rating even though there is sufficient time to cool the switching element.

そこで、本発明の実施形態では、各周波数に、通電時間及び使用率からスイッチング素子の冷却時間を考慮して定格として出力電力を決定する。すなわち、電力変換装置の発振周波数毎に、通電時間ｔｐ及び使用率αに応じて、逆変換部１３で用いられるスイッチング素子の素子特性から、ジャンクション温度が所定の値を超えない電流量を求め、出力電力を求める。制御部１４は、逆変換部１３からの出力電流が、基準電流値よりも大きくなると、順変換部１１及び逆変換部１３の動作を停止して、逆変換部１３からの出力を停止する。このように、電力変換装置の出力について使用率、通電時間を考慮して周波数毎に定格化し、周波数毎に細分化をしている。そのため周波数の値が小さい場合の余力を活用することができる。   Therefore, in the embodiment of the present invention, the output power is determined as the rating for each frequency in consideration of the cooling time of the switching element from the energization time and the usage rate. That is, for each oscillation frequency of the power conversion device, the amount of current at which the junction temperature does not exceed a predetermined value is obtained from the element characteristics of the switching element used in the inverse conversion unit 13 according to the energization time tp and the usage rate α. Find the output power. When the output current from the inverse conversion unit 13 becomes larger than the reference current value, the control unit 14 stops the operations of the forward conversion unit 11 and the inverse conversion unit 13 and stops the output from the inverse conversion unit 13. In this way, the output of the power converter is rated for each frequency in consideration of the usage rate and the energization time, and is subdivided for each frequency. Therefore, the remaining power when the frequency value is small can be utilized.

本発明の実施形態に係る熱処理用電力変換方法では、上述のように、交流を一旦直流に変換し更にスイッチング素子で直流をＯＮ／ＯＦＦすることにより高周波に変換する際、変換後の周波数と、通電時間／（通電時間＋通電していない時間）から求まる使用率と、通電時間とに応じて、スイッチング素子のジャンクション温度が所定の値を超えない範囲で、最大出力電力を増加させるようにしている。   In the power conversion method for heat treatment according to the embodiment of the present invention, as described above, when converting alternating current to direct current and further converting direct current to ON / OFF with a switching element, the frequency after conversion, The maximum output power is increased within a range where the junction temperature of the switching element does not exceed a predetermined value according to the usage rate obtained from energization time / (energization time + non-energization time) and the energization time. Yes.

スイッチング素子のジャンクション温度は、スイッチング素子の損失による温度上昇分とスイッチング素子の冷却による温度減少分の差分により求められ、その上限がスイッチング素子の定格内となるまで最大出力電力を増加させる。よって、経済性の良い熱処理を実現することができる。特に、スイッチング素子への通電時間は、熱処理対象物の交換時間やセッティング時間と比べ非常に短いので、経済性が極めて顕著となる。   The junction temperature of the switching element is obtained from the difference between the temperature increase due to the loss of the switching element and the temperature decrease due to the cooling of the switching element, and the maximum output power is increased until the upper limit is within the rating of the switching element. Therefore, it is possible to realize heat treatment with good economic efficiency. In particular, since the energization time to the switching element is very short compared to the exchange time and setting time of the heat treatment object, the economic efficiency becomes extremely remarkable.

次に、制御部１４が出力停止の基準となる電流値の計算手法の一例を説明する。図５は、規則的な繰り返し方形電流からスイッチング素子のジャンクション温度を求める際の計算手法を示す図である。図５（ａ）のように、電力損失Ｐｔｍの通電時間をｔｐ、周波数をτとすると、図５（ｂ）に示すように直近の２パルス以外は平均化して電力損失を近似化し、図５（ｃ）に示すように、重ね合わせの理論を電力損失に適用する。これにより、温度上昇を求める。   Next, an example of a method for calculating a current value that is a reference for stopping output by the control unit 14 will be described. FIG. 5 is a diagram showing a calculation method for obtaining the junction temperature of the switching element from the regular repetitive square current. As shown in FIG. 5A, when the energizing time of the power loss Ptm is tp and the frequency is τ, the power loss is approximated by averaging other than the two most recent pulses as shown in FIG. As shown in (c), the superposition theory is applied to the power loss. Thereby, the temperature rise is obtained.

規則的な繰り返し方形電流からスイッチング素子のジャンクション温度Ｔｊは、下記の式により求まることが知られている。
Ｔｊ＝Ｔｗ＋Ｐｔｍ｛（ｔｐ／τ）・Ｒ（ｊ-ｗ）＋（１−ｔｐ／τ）・Ｒ（ｊ−ｗ）（τ＋ｔｐ）−Ｒ（ｊ-ｗ）（τ）＋Ｒ（ｊ-ｗ）（ｔｐ）｝
この式は、次式に変形される。
Ｔｊ−Ｔｗ＝（Ｔ∞＋Ｔ３−Ｔ２＋Ｔ１）・Ｐｔｍ
ここで、Ｔ∞＝（ｔｐ／τ）・Ｒ（ｊ-ｗ）
Ｔ３＝（１−ｔｐ／τ）・Ｒ（ｊ−ｗ）（τ＋ｔｐ）
Ｔ２＝Ｒ（ｊ-ｗ）（τ）
Ｔ１＝Ｒ（ｊ-ｗ）（ｔｐ）
Ｔ∞は、損失の通電率（ｔｐ／τ）の割合が無限大時間与えられることを意味し、連続定格時の熱抵抗×通電率（ｔｐ／τ）により求める。
Ｔ３は、（τ＋ｔｐ）時間における損失から、（τ＋ｔｐ）時間の損失の通電率（ｔｐ／τ）の割合が引かれることを意味する。
−Ｔ２は、τ時間における損失分を引くことを意味する。
Ｔ１は、ｔｐ時間における損失分を足すことを意味する。
ここで、τとは繰り返し時間であり、Ｒ（ｊ-ｗ）（ｔ）は時間ｔにおける過渡熱抵抗（℃／Ｗ）である。Ｔｗは冷却水の温度（℃）である。 It is known that the junction temperature Tj of the switching element can be obtained by the following equation from a regular repetitive square current.
Tj = Tw + Ptm {(tp / τ) · R (j−w) + (1−tp / τ) · R (j−w) (τ + tp) −R (j−w) (τ) + R (j−w) (Tp)}
This equation is transformed into the following equation.
Tj−Tw = (T∞ + T3−T2 + T1) · Ptm
Where T∞ = (tp / τ) · R (j−w)
T3 = (1-tp / τ) · R (j−w) (τ + tp)
T2 = R (j−w) (τ)
T1 = R (j-w) (tp)
T∞ means that the ratio of the loss energization rate (tp / τ) is given for an infinite time, and is obtained from the thermal resistance at the time of continuous rating × the energization rate (tp / τ).
T3 means that the ratio of the energization rate (tp / τ) of the loss in (τ + tp) time is subtracted from the loss in (τ + tp) time.
-T2 means to subtract the loss in τ time.
T1 means adding a loss in tp time.
Here, τ is the repetition time, and R (j−w) (t) is the transient thermal resistance (° C./W) at time t. Tw is the temperature of cooling water (° C.).

このようにしてジャンクション温度Ｔｊが求まる。逆変換部１３のスイッチング素子におけるジャンクション温度が基準値に達すると、制御部１４により順変換部１１及び逆変換部１３の動作を停止し、出力を制御する。スイッチング素子が動作して通電により損失が生じ、基準以上にジャンクション温度が高くなると、スイッチング素子が破壊されるからである。損失は、例えば次のようにして求めた定常損失とスイッチング損失の和で求める。   In this way, the junction temperature Tj is obtained. When the junction temperature in the switching element of the reverse conversion unit 13 reaches the reference value, the control unit 14 stops the operations of the forward conversion unit 11 and the reverse conversion unit 13 and controls the output. This is because when the switching element operates and loss occurs due to energization and the junction temperature becomes higher than the reference, the switching element is destroyed. The loss is obtained by, for example, the sum of the steady loss and the switching loss obtained as follows.

定常損失については、或る電流のときの損失値を求めておき、その損失値に、電流増加による損失増加率と、電流増加による素子の損失増加率とをそれぞれ掛けて求める。一方、スイッチング損失については、１ｋＨｚ当たりのスイッチング損失の値を求めておき、その値に対して周波数を掛け、電流増加分を加味して求める。
このようにして求めた定常損失とスイッチング損失との和に対し、上述のＴ∞＋Ｔ３−Ｔ２＋Ｔ１を掛けた値が、所定温度以下となるような関係とする。 The steady loss is obtained by obtaining a loss value at a certain current and multiplying the loss value by the loss increase rate due to current increase and the loss increase rate of the element due to current increase. On the other hand, the switching loss is obtained by obtaining the value of switching loss per 1 kHz, multiplying the value by the frequency, and taking into account the increase in current.
The relationship obtained by multiplying the sum of the steady loss and the switching loss thus obtained by T∞ + T3−T2 + T1 is equal to or lower than a predetermined temperature.

所定温度は、使用するスイッチング素子により定まるので、この関係を満たす電流（「基準電流」と呼ぶ。）を求めれば、スイッチング素子に流れる電流が基準電流を超えない範囲で、出力を増加させることができる。   Since the predetermined temperature is determined by the switching element to be used, if a current satisfying this relationship (referred to as “reference current”) is obtained, the output can be increased within a range in which the current flowing through the switching element does not exceed the reference current. it can.

上記の手法により求めた結果を説明する。図６は制御部１４に蓄積されているデータを模式的に示す図であり、図６（ａ），（ｂ）は周波数がそれぞれ３ｋＨｚ，５０ｋＨｚでの使用率αと電力との関係を、通電時間ｔｐをパラメータとして示している。ｔｐの値であるｔ１〜ｔ４は、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４の関係を満たす。   The results obtained by the above method will be described. FIG. 6 is a diagram schematically showing data stored in the control unit 14, and FIGS. 6A and 6B show the relationship between the usage rate α and power at frequencies of 3 kHz and 50 kHz, respectively. Time tp is shown as a parameter. tp values t1 to t4 satisfy the relationship of t1 <t2 <t3 <t4.

熱処理用電力変換装置において、周波数が３ｋＨｚの高周波を出力する場合、図６（ａ）に示すように定格が定まる。使用率αを低下すると、電力を大きくすることができる。また、通電時間ｔｐがｔ２，ｔ３，ｔ４では、使用率に応じて出力電力を変えることができるが、通電時間ｔｐがｔ１では、使用率が或る値以下に下がってもそれ以上出力電力を大きくすることができない。   In the power converter for heat treatment, when a high frequency of 3 kHz is output, the rating is determined as shown in FIG. When the usage rate α decreases, the power can be increased. Further, when the energization time tp is t2, t3, t4, the output power can be changed according to the usage rate. However, when the energization time tp is t1, the output power is further increased even when the usage rate falls below a certain value. I can't make it bigger.

周波数が５０ｋＨｚの高周波を出力する場合、図６（ｂ）に示すように、定格が定まる。使用率αを低下すると、電力を大きくすることができる。また、通電時間ｔｐがｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４では、使用率に応じて出力電力を変えることができる。   When a high frequency with a frequency of 50 kHz is output, the rating is determined as shown in FIG. When the usage rate α decreases, the power can be increased. Further, when the energization time tp is t1, t2, t3, t4, the output power can be changed according to the usage rate.

同じ設計思想の電力変換装置であれば、周波数に応じて出力電力を定格内で変化させることができ、低周波の周波数がより多くの電力を出力することになる。   If the power converters have the same design concept, the output power can be changed within the rating according to the frequency, and the low frequency frequency outputs more power.

よって、本発明の実施形態に係る熱処理用電力変換装置では、出力周波数に応じて個別の定格が設定される。従来は、高い周波数の電力変換装置の定格と、低い周波数の電力変換装置の定格とは同じであった。一方、本発明の実施形態では、電力変換装置の定格に応じて低い周波数の定格を大きくするようにして経済性を高めることができる。また、出力周波数に応じて順変換部１１、逆変換部１３、制御部１４の部品を取り換えたり、部品の定数を変更したりすることが必要となる場合もあるが、そのような微調整などの変更はスイッチにより切り替えをすることにより、発振周波数を変更することもできる。   Therefore, in the power converter for heat treatment according to the embodiment of the present invention, individual ratings are set according to the output frequency. Conventionally, the rating of a high-frequency power converter is the same as the rating of a low-frequency power converter. On the other hand, in the embodiment of the present invention, the economical efficiency can be improved by increasing the low frequency rating according to the rating of the power converter. Further, it may be necessary to replace the components of the forward conversion unit 11, the reverse conversion unit 13, and the control unit 14 according to the output frequency, or to change the constants of the components. The oscillation frequency can be changed by switching with a switch.

１０：熱処理用電力変換装置
１１：順変換部
１２：平滑部
１３：逆変換部
１４：制御部 10: Power conversion device for heat treatment 11: Forward conversion unit 12: Smoothing unit 13: Inverse conversion unit 14: Control unit

Claims (5)

交流を直流に変換する順変換部と、上記順変換部からの直流を一定に制御する平滑部と、上記平滑部からの直流をスイッチング素子でＯＮ／ＯＦＦすることにより高周波に変換する逆変換部と、上記順変換部と上記逆変換部とを制御する制御部とを備え、
上記逆変換部から出力される電力の定格であって、上記逆変換部から出力される高周波電力の周波数と、通電時間と、通電時間／（通電時間＋通電していない時間）から求まる使用率とに応じて定まる定格を有する、熱処理用電力変換装置。 A forward conversion unit that converts alternating current into direct current, a smoothing unit that controls the direct current from the forward conversion unit to be constant, and an inverse conversion unit that converts the direct current from the smoothing unit into a high frequency by turning on / off the switching element. And a control unit that controls the forward conversion unit and the reverse conversion unit,
It is the rating of the power output from the reverse conversion unit, and the usage rate obtained from the frequency of the high frequency power output from the reverse conversion unit, energization time, energization time / (energization time + non-energization time) Power conversion device for heat treatment that has a rating determined according to 前記制御部は、前記スイッチング素子の周波数、通電時間、使用率及び前記スイッチング素子の使用可能な温度での電力を関係付けるデータを備えており、通電時間と使用率が設定されると、前記データに基づいて最大許容電流を求めて、出力の停止又は制御を行う、請求項１に記載の熱処理用電力変換装置。   The control unit includes data relating the frequency of the switching element, energization time, usage rate, and power at a usable temperature of the switching element, and when the energization time and usage rate are set, the data The power conversion device for heat treatment according to claim 1, wherein the maximum allowable current is obtained based on the output to stop or control the output. 交流を一旦直流に変換し更にスイッチング素子で直流をＯＮ／ＯＦＦすることにより高周波に変換する熱処理用電力変換方法において、
変換後の高周波の周波数と、通電時間と、通電時間／（通電時間＋通電していない時間）から求まる使用率とに応じて、上記スイッチング素子のジャンクション温度が所定の値を超えない範囲で、最大出力電力を増加させるようにした、熱処理用電力変換方法。 In the power conversion method for heat treatment that converts alternating current to direct current and then converts the direct current to high frequency by turning the direct current on / off with a switching element,
Depending on the frequency of the high frequency after conversion, energization time, and the usage rate obtained from energization time / (energization time + non-energization time), the junction temperature of the switching element does not exceed a predetermined value, A power conversion method for heat treatment that increases the maximum output power. 前記スイッチング素子の損失による温度上昇分と前記スイッチング素子の冷却による温度減少分の差分により得られる前記スイッチング素子のジャンクション温度の上限が、前記スイッチング素子の定格内となるまで最大出力電力を増加させる、請求項３に記載の熱処理用電力変換方法。   Increase the maximum output power until the upper limit of the junction temperature of the switching element obtained by the difference between the temperature increase due to the loss of the switching element and the temperature decrease due to the cooling of the switching element is within the rating of the switching element, The power conversion method for heat treatment according to claim 3. 前記スイッチング素子の損失が、前記スイッチング素子への通電による損失と、前記スイッチング素子のスイッチング損失との和により定められる、請求項４に記載の熱処理用電力変換方法。   The power conversion method for heat treatment according to claim 4, wherein the loss of the switching element is determined by the sum of the loss due to energization of the switching element and the switching loss of the switching element.
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