JP6054103B2 - 誘導加熱装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱装置の制御方法に係り、特に、複数配置された誘導加熱コイル間において相互誘導が生じる誘導加熱装置を正方向電力領域で安定的に運転する場合に好適な誘導加熱送致の制御方法に関する。

従来より、急速加熱を行う手段として、誘導加熱が有効であることは知られている。しかし、誘導加熱による加熱方法は、電磁誘導を利用していることから、電力制御手段（例えばインバータ）を個別に持つ加熱用コイル（誘導加熱コイル）を複数近接配置して稼動させた場合、各誘導加熱コイルに相互誘導が生ずる。このような現象が生じると、インバータからの出力電圧と出力電流との位相が大幅にズレ、出力電力の制御が困難となると共に、過電流の発生により逆方向電力が生じ、機器の破損を招くといった事象が生じ得る。

このような問題を鑑み、特許文献１に開示されているような技術が提案されている。特許文献１に開示されている技術は、近接配置した複数の誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルのそれぞれに接続された共振型インバータとを有する誘導加熱装置に関するものである。そして、特許文献１では、全インバータの周波数を同じにして、いずれかのインバータが共振点に一番近い位相で運転する周波数で運転させている。

特開２０１１−１４３３１号公報

上記運転方法は、誘導加熱コイル間に相互誘導の無い状態で運転する制御方法と同じである。つまり、電圧型共振インバータのＺＶＳ運転用位相制御と全く同じであり、相互誘導環境下で適用（実施）することはできない。

相互誘導環境下で運転するためには、相互誘導が、回生電力を与えることを考慮する必要がある。回生電力は、インバータの電圧電流位相角による力率＝ｃｏｓθが、負になる場合である。相互誘導環境下では、この力率が「−」になり、インバータに逆方向電力が入って、インバータ過電圧、過電流になる。

相互誘導の影響によるインバータ過電圧、過電流を回避して誘導加熱コイルに対する供給電力を正方向電力として安定して供給することのできる誘導加熱装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る誘導加熱装置の制御方法は、相互誘導している複数の誘導加熱コイル各々へ給電する電源を備える誘導加熱装置において、出力電流の運転周波数を同一にするとともに出力電流と出力電圧の極性変化点の位相角θを求め、前記位相角θが０°≧θ≧−９０°の範囲内にあるか否かを判定し、前記位相角θが前記範囲内に無い場合に、電源電流または電源電圧を増やすように制御することを特徴とする誘導加熱装置の制御方法。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置の制御方法において、前記出力電流の運転周波数を同一にすると共に、出力力率が低下した場合に前記電源電流または前記電源電圧を増やすようにしても良い。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置の制御方法において、前記電源電流または前記電源電圧の増加は、前記出力電流の周波数を共振点から離れる方向に制御することにより成すようにしても良い。

上記のような特徴を有する誘導加熱装置の制御方法によれば、各電源からの出力電力について、安定的に正方向電力で、運転することが可能となる。これにより、逆方向電力の発生に起因した機器の破損等を防ぐことができる。

第１の実施形態に係る制御方法を実施するための誘導加熱装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す誘導加熱装置で採用した電圧型インバータの構成を説明するためのブロック図である。 位相角の範囲を説明するための図である。 直流電流と直流電圧の増減とインバータからの出力電圧と出力電流との間の位相角の増減の様子を示す図である。 本発明に関連する実施形態に係る制御方法を実施するための誘導加熱装置で採用した電流型インバータの構成を説明するためのブロック図である。 インバータに対するゲートパルスと、出力電圧と出力電流の位相角との関係を示す図である。

以下、本発明の誘導加熱装置の制御方法に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。まず、図１を参照して、第１の実施形態に係る制御方法を実施するための誘導加熱装置について説明する。

本実施形態で用いる誘導加熱装置１０は、誘導加熱コイル１２（１２ａ，１２ｂ）とインバータ２０（２０ａ，２０ｂ）、波形検出手段１４（１４ａ，１４ｂ），１６（１６ａ，１６ｂ）、位相角判定手段１８（１８ａ，１８ｂ）、および電圧制御手段２４（２４ａ，１４ｂ）を基本として構成される。

誘導加熱コイル１２は、被誘導加熱部材を加熱するための磁束を生じさせるためのコイルである。本実施形態では、複数（図１に示す例では２つ）の誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂを近接して配置する構成としている。ここで、近接配置とは、複数（本実施形態では２つ）の誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂに対して電力を供給した際に、少なくとも相互誘導の影響を受けることとなる距離、すなわち運転状態において相互誘導していることとなる距離をいう。

本実施形態の場合インバータ２０は、複数の誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂのそれぞれに、個別に接続されている。インバータ２０は、誘導加熱コイル１２に対して所定周波数の交流電流を供給する。このため、複数の誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂのそれぞれに個別に接続することで、各誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂに対する電力制御を個別に行うことが可能となる。なお、誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂのそれぞれに電力を供給する際には、供給する電流の周波数をそれぞれ一致させるようにする。

本実施形態では、インバータ２０として、電圧型のインバータを採用し、上述した誘導加熱コイル１２との間においては、直列共振回路を構成している。インバータ２０の具体的構成としては次の通りである。すなわち、図２に示すように、単相のフルブリッジインバータを構成している。スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ２６を採用し、負荷電流を転流させるためにダイオード２８を逆並列に接続する構成としている。ブリッジ回路の前段には、直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ３０が設けられている。

インバータ２０の上流側には、電圧変換器２２（２２ａ，２２ｂ）を介して電源３２が接続されている。電圧変換器２２は、例えばチョッパ回路や順変換器などであれば良い。チョッパ回路を用いた場合には、順変換器から出力された定電圧の直流電圧をチョッピングすることで、インバータ２０へ入力する電圧を変化させることとなる。一方、順変換器を用いて電圧制御を行う場合には、順変換部を構成するサイリスタにより、インバータ２０によって定められる周波数に応じた電圧変化を得るという方式を採ることとなる。

波形検出手段１４，１６は、各インバータ２０から出力される電流値、電圧値、および電流と電圧の波形を検出する役割を担う手段である。波形検出手段１４，１６は、オシロスコープなどであれば良い。本実施形態では、誘導加熱コイル１２に対して直列に、電流波形を検出する波形検出手段１６を設け、誘導加熱コイル１２に対して並列に、電圧波形を検出する波形検出手段１４を設ける構成としている。波形検出手段１４，１６によって検出された波形データは、詳細を後述する位相角判定手段１８へと出力される。また、電流値、および電圧値は、電圧変換器２２へと出力される。

位相角判定手段１８は、各インバータ２０から出力された電流と電圧の波形を比較することで、電流と電圧の極性変化点の位相差（位相角：電源出力位相θ）を検出し、当該位相角θが適正値の範囲内にあるか否かを判定するための手段である。このため、位相角判定手段１８ではまず、各インバータ２０から出力された電流と電圧の波形における極性変化点を測定し、測定された電流、および電圧の極性変化点の位相角θを求める。ここで、位相角θとは、電圧に対する電流の位相差として示す。すなわち、電圧に対して電流が遅れ位相となる場合には、マイナス（−）で示し、進み位相となる場合にはプラス（＋）で示すこととする。

電流と電圧の位相角θが検出された後、検出された位相角θが、インバータ２０を安定運転させるための位相角の範囲内にあるか否かの判定を行う。判定は、予め定められた位相角上限値、および位相角下限値のそれぞれと、検出された位相角θとの比較により行う。

電圧と電流の位相角θについて、図３に示すように４つの象限で示した場合、電圧型インバータ２０では、位相角θが第４象限の範囲内にある場合に、ＺＶＳ（Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）が保たれ、かつ力率が正方向となる安定運転が可能となる。

なお、位相角θが第１象限、第２象限の範囲内となった場合には、電圧に対して電流が進み位相となり、ＺＶＳを保つことができなくなる。このため、ダイオード２８に電流が流れている時に、ＩＧＢＴ２６がスイッチオンすることになり、ダイオード２８にリカバリー電流が流れ、ＩＧＢＴ２６の電力損失が大きくなる。また、位相角θが第３象限の範囲内となった場合には、ＺＶＳを保つことはできるが、力率が負の方向となるため、電源回生できない場合には、電圧変換器２２からの出力電圧を過大に設定する必要が生じる。

このため、本実施形態では、位相角θにいついて、０°≧θ＞−９０°の範囲で、位相角上限値と位相角下限値を定めることとしている。
比較の結果、検出された位相角θが位相角上限値から位相角下限値の範囲内に無い場合には、電流と電圧の位相角θを位相角上限値と位相角下限値の範囲内に戻すための制御を行う。

相互誘導環境下においては、電流と電圧の位相角θが大きくなる要因として、無効電力の増大を挙げることができる。すなわち、相互誘導電圧の増大により、インバータの出力電圧Ｖ_ＩＶ１に対する実質的な出力電圧が下がった場合には、出力電流も低下し、有効電力が低下する。これらの事は一般的に、力率の悪化、すなわちインバータ２０のＩＧＢＴ２６と平滑コンデンサ３０とによって構成される並列回路における等価抵抗（直流抵抗）が増大し、出力電流Ｉ_ＩＶ１の減少が生ずると考えられる。しかし、相互誘導環境下においては、相互誘導電圧Ｖｍ２１の増大による実質的な出力電圧の低下として置き換えることができる。すなわち、インバータ２０ａからの出力電流Ｖ_ＩＶ１と、相互誘導電圧Ｖｍ２１との値が等しい場合、実質的な出力電力はゼロとなる。出力電流もゼロとなり、必然的に、電源電流Ｉｄｃ１もゼロとなり、電源電圧Ｖｄｃ１に対するＩｄｃ１の割合が急激に低下することとなる。

このため本実施形態では、位相角θが位相角上限値と下限値の範囲内に無い場合、Ｖｄｃ１を増大させるように、電圧制御手段２４ａを制御する。Ｉｄｃ１は、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、Ｖｄｃ１の増加に伴って相対的に増加し、有効電力成分を増加させる。このため、位相角θを所定の範囲内に戻すことができる。なお、図４において、図４（Ａ）は、直流電圧Ｖｄｃ１、直流電流Ｉｄｃ１が所定の値以上である場合における出力電圧Ｖ_ＩＶ１、出力電流Ｉ_ＩＶ１の波形を示す図であり、（Ｂ）は、Ｖｄｃ１、Ｉｄｃ１が低下した場合におけるＶ_ＩＶ１、Ｉ_ＩＶ１の様子を示す図である。

また、電圧と電流の位相差（位相角θ）は、回路抵抗によって変化するため、インピーダンスを用いた数式１のようにも示すことができる。
・・・（数式１）
Ｘｓはインピーダンスのリアクタンス成分であり、Ｒｓは抵抗値である。また、Ｖｍ２１ｓｉｎθｍは相互誘導電圧の無効成分であり、Ｖｍ２１ｃｏｓθｍは相互誘導電圧の有効成分である。なお、ここで、θｍは、相互誘導電圧と相互誘導電流との間の位相角である。そして、ＸｓをＬ（インダクタンス）とＣ（キャパシタンス）を用いて示すと、数式２のように示すことができる。
・・・（数式２）
ここで、ωは交流の角周波数であり、ω＝２πｆと示すこととする。

このため、インバータ２０からの出力電流の周波数ｆが大きくなった場合には、位相角θも増大し、出力電流Ｉ_ＩＶの周波数ｆが小さくなった場合には、位相角θも減少する。

よって、周波数調整信号は、位相角θが位相角上限値を超えた場合には、出力電流Ｉ_ＩＶの周波数ｆを共振周波数よりも小さくする旨の信号を出力する。一方、位相角θが位相角下限値を超えた場合には、出力電流Ｉ_ＩＶの周波数ｆを共振周波数よりも大きくする旨の信号を出力する。すなわち、本実施形態の場合、位相角θが−９０°に近づいた場合には、ｃｏｓθで表される出力電力の力率が低下する。このため、位相角θが−９０°に近づいた場合には、出力電流の周波数を共振点（共振周波数）よりも大きくなる方向に離間させるように制御し、位相角θの値を大きくする。

このような制御を行った上で、上述したようにインバータ２０からの出力電圧Ｖ_ＩＶを上昇させる制御を行うことで、位相角θを０°≧θ＞−９０°の範囲に保つことができ、ＺＶＳ制御を安定的に行うことが可能となる。

次に、本発明に関連する実施形態として、インバータに、電流型インバータを採用した誘導加熱装置に関する制御方法について、図５を参照して説明する。よって、インバータ２１（２１ａ，２１ｂ）の構成以外の構成については、第１の実施形態の説明で用いた誘導加熱装置の構成を示す図１を援用することとする。本実施形態に係るインバータ２１は、スイッチング素子としてのＩＧＢＴ２６に対して、ダイオード２８を逆並列接続すると共に、ダイオード２７を直列に接続する構成としている。逆並列接続したダイオード２８により逆方向加圧を防止し、直列接続したダイオード２７により逆電流の阻止を図るためである。また、本実施形態に係るインバータ２１では、電圧変換器２２との間に、直流電流を平滑化するための直流リアクトル２９を直列に接続している。そして、本実施形態に係るインバータ２１は、誘導加熱コイル１２との間において並列共振回路を構成している。

本実施形態に係る誘導加熱装置では、インバータ２１において、力行運転を行うために、インバータからの出力電圧Ｖ_ＩＶと出力電流Ｉ_ＩＶとの位相角θの関係においてＺＣＳ（Ｚｅｒｏ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）が可能となる第１象限の範囲内で運転する構成としている。よって、本実施形態の誘導加熱装置におけるインバータ２１の出力電圧Ｖ_ＩＶと出力電流Ｉ_ＩＶとの関係は、出力電圧Ｖ_ＩＶに対して出力電流Ｉ_ＩＶが進み位相となるように制御される。そして、位相角θの位相角下限値、および位相角上限値は、０°≦θ＜９０°の範囲で定めることとする。

なお、位相角θの調整方法は、上述した第１の実施形態に係る誘導加熱装置１０と同様である。すなわち、波形検出手段１４，１６により、インバータ２１からの出力電圧Ｖ_ＩＶと出力電流Ｉ_ＩＶの波形を検出する。検出された波形は、位相角判定手段１８へ入力され、電圧に対する電流の位相角θが求められた上で、当該位相角θが、適正値の範囲内にあるか否かを判定する。判定の結果、位相角θが、予め定められた位相角下限値と、位相角上限値との間に無い場合、位相角調整信号をインバータ２１へ出力する。なお、本実施形態においても、各インバータ２１から出力される電流の周波数については、相互に一致させた上で運転を行うこととする。

本実施形態においても、電流と電圧の位相角θが大きくなる要因として、無効電力の増大を挙げることができる。すなわち、相互誘導電圧の増大により、インバータの出力電圧Ｖ_ＩＶ１に対する実質的な出力電流Ｉ_ＩＶ１の値が下がった場合には、回路抵抗の増大と同じ作用が生じ、有効電力が低下する。

つまり、並列共振型のインバータ２１を採用した本実施形態では、インバータ２１ａからの出力電流Ｉ_ＩＶ１は、共振コンデンサを通過する分の電流Ｉｃ１と、誘導加熱コイル１２ａを通過する分の電流Ｉｌ１との合成値となる。ここで、相互誘導電圧Ｖｍ２１が生じた場合、誘導加熱コイル１２ａを通過する分の電流Ｉｌ１の電圧は、インバータの出力電圧Ｖ_ＩＶ１から相互誘導電圧Ｖｍ２１を減算した値（Ｖ_ＩＶ１−Ｖｍ２１）であるから、Ｖ_ＩＶ１とＶｍ２１との値が等しい場合には、誘導加熱コイル１２ａに供給される電流がゼロとなってしまう。すなわち、有効電力がゼロとなってしまうのである。このような状況が、出力電流と出力電圧との位相差（位相角θ）が９０°となった状態である。

これに対し、有効電力を増加、すなわち位相角θを小さくするためには、誘導加熱コイル１２ａに対して、所望する電流値が供給されるように、インバータの出力電圧Ｖ_ＩＶ１を増大させ、Ｖ_ＩＶ１＞Ｖｍ２１を保てば良い。

インバータ２１ａからの出力電流Ｉ_ＩＶ１は、Ｉｃ１＋Ｉｌ１で示されることより、Ｉｌ１の変化によって変動する。このため、Ｉ_ＩＶ１の変化（減少）に応じて、インバータ２１ａの出力電圧を定める電源電流Ｉｄｃ１を変化（増大）させ、電源電圧Ｖｄｃ１（＝Ｖ_ＩＶ１）を変化（増大）させるように電圧制御手段２４ａを制御すれば良い。

なお、位相角θの進み度合いの増大は、インバータ２１に対して入力されるＩＧＢＴ２６のゲートパルスに基づいて判断することもできる。図６に示すように、ゲートパルスと出力電流の波形との間には、転流重なり角として必要とされるデッドタイム（ｄｔ）の存在に相違はあるものの、その波形の立ち上がりはリンクしている。このため、ゲートパルスＡ、Ｂの立ち上がりから出力電圧Ｖ_ＩＶ１のスイッチングまでの経過時間に基づいても、位相角θの進み度合いを判断することができる。

すなわち、図６（Ａ）のようにゲートパルスの立ち上がりから出力電圧ＶＩＶ１のスイッチングまでの時間が短い場合には、正常運転が行われていると判断し、同図（Ｂ）のように、スイッチングまでの時間が長くなった場合には、電圧に対する電流の進み角度θが大きくなったと判断することができる。なお、進み角度とスイッチングまでの経過時間の相関については、予め調べておけば良い。このようにして進み度合いの検出を行った場合であっても、Ｉｄｃ１を増大させ、Ｖｄｃ１を増加させることで、正方向電力での運転を維持することが可能となる。

また、インバータ２１からの出力電流と出力電圧の位相角θが位相角下限値を下回った場合、出力電流Ｉ_ＩＶの周波数を向上させる旨の信号を出力すると良い。一方、位相角θが位相角上限値を上回った場合には、周波数を低下させる旨の信号を出力すると良い。本実施形態では特に、位相角θが大きくなった場合に、ｃｏｓθで示される力率が悪化する。このため、位相角θが＋９０°に近づいた場合には、出力電流の周波数が共振点（共振周波数）よりも低くなるように離間させる制御を行う。このような制御を行うことにより、電圧に対する電流の進み位相を維持することができ、ＺＣＳ運転を安定的に行うことが可能となる。
そして、このような周波数制御を行った上で、上述したような電圧制御を行うことが有効である。

１０………誘導加熱装置、１２（１２ａ，１２ｂ）………誘導加熱コイル、１４（１４ａ，１４ｂ）………波形検出手段、１６（１６ａ，１６ｂ）………波形検出手段、１８（１８ａ，１８ｂ）………位相角判定手段、２０（２０ａ，２０ｂ）………インバータ、２２（２２ａ，２２ｂ）………電圧変換器、２４（２４ａ，２４ｂ）………電圧制御手段、２６………ＩＧＢＴ、２８………ダイオード、３０………平滑コンデンサ、３２………電源。

Claims (3)

1. 相互誘導している複数の誘導加熱コイル各々へ給電する電源を備える誘導加熱装置において、
   出力電流の運転周波数を同一にするとともに出力電流と出力電圧の極性変化点の位相角θを求め、
   前記位相角θが０°≧θ≧−９０°の範囲内にあるか否かを判定し、
   前記位相角θが前記範囲内に無い場合に、電源電流または電源電圧を増やすように制御することを特徴とする誘導加熱装置の制御方法。
2. 前記出力電流の運転周波数を同一にすると共に、出力力率が低下した場合に前記電源電流または前記電源電圧を増やすように制御することを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置の制御方法。
3. 前記電源電流または前記電源電圧の増加は、前記出力電流の周波数を共振点から離れる方向に制御することにより成すことを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱装置の制御方法。