TWI706692B - 感應加熱系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種感應加熱系統，在不使用斯科特接線變壓器地使用三相交流電源使一個感應加熱裝置運轉的情況下不會產生不流通電流的相。所述感應加熱系統通過三相交流電源使具備感應加熱線圈的感應加熱裝置運轉，其具備中間裝置，中間裝置具有纏繞在形成閉合磁路的鐵心上的偶數匝數的線圈，感應加熱線圈的纏繞始端部與三相交流電源的U相連接，纏繞終端部與中間裝置的線圈的中點部連接，並且中間裝置的線圈的纏繞始端部和纏繞終端部分別與三相交流電源的V相和W相連接。

Description

感應加熱系統
本發明涉及使用三相電源使單相感應加熱裝置運轉的感應加熱系統。
如果在同一磁路內相位不同的磁通混在一起，則由於會引起功率因數降低、產生發熱分佈不均，所以感應加熱裝置的感應加熱線圈希望供給單相交流。
可是，感應加熱裝置的動力源一般為三相交流電源，因此通常從三相交流取出單相交流。
在此，如果將一個感應加熱裝置的感應加熱線圈直接與例如U-V端子連接，則成為雖然與三相電流中的兩相（例如U相和V相）等值的電流流通但是剩餘的一相（例如W相）電流完全不流通的狀態。即，U相、V相和W相的相電流的平衡成為1：1：0。
此外，如專利文獻1所示，雖然存在通過在三相交流電源和感應線圈之間設置斯科特接線變壓器由此從三相交流取出兩個回路的單相交流輸出的方法，但是由於需要斯科特接線變壓器，所以從成本和空間的觀點來看缺點很大。
專利文獻1：日本專利公開公報特開2001-297867號。
本發明是用於解決所述的問題而做出的發明，本發明的主要目的在於提供一種感應加熱系統，其在不使用斯科特接線變壓器地使用三相交流電源使一個感應加熱裝置運轉的情況下不會產生不流通電流的相。
即，本發明提供一種感應加熱系統，其通過三相交流電源使具備感應加熱線圈的單相感應加熱裝置運轉，所述感應加熱系統具備中間裝置，所述中間裝置介於所述單相感應加熱裝置和所述三相交流電源之間，並具備用於形成閉合磁路的鐵心和纏繞在所述鐵心上的偶數匝數的線圈，所述感應加熱線圈的纏繞始端部和纏繞終端部中的一方與所述三相交流電源的一相電連接，所述感應加熱線圈的纏繞始端部和纏繞終端部中的另一方與所述中間裝置的線圈的中點部電連接，並且所述中間裝置的線圈的纏繞始端部和纏繞終端部與所述三相交流電源的剩餘的兩相電連接。
按照所述感應加熱系統，由於將感應加熱線圈的一方的端部與三相交流電源的一相電連接，將另一方的端部與中間裝置的線圈的中點部電連接，並且將中間裝置的線圈的兩端部與三相交流電源的剩餘的兩相電連接，所以能夠使U相、V相和W相的相電流的平衡成為2：1：1。即，即使在不使用斯科特接線變壓器地使用三相交流電源使一個感應加熱裝置運轉的情況下，也能夠防止產生三相中的一相完全沒有電流流通的狀態。對於詳細的內容將在後面進行描述。
優選的是，所述中間裝置的線圈的層數是偶數，所述中間裝置的線圈的纏繞始端部、纏繞終端部和中點部位於所述線圈的軸向的端部。
按照所述結構，感應加熱線圈的電流從中間裝置的線圈的中點部進入後分別以1/2的方式分流並流向纏繞始端部和纏繞終端部。因為流向中間裝置的線圈的纏繞始端部的電流與流向中間裝置的線圈的纏繞終端部的電流方向相反，所以產生的磁通相抵消失。因此，中間裝置的線圈的端子間電壓僅成為電源電壓的成分。
在此，如果使中間裝置的線圈的層數為偶數，並使纏繞始端部、纏繞終端部和中點部位於所述線圈的軸向的端部，則從中點部到纏繞始端部的線圈部分與從中點部到纏繞終端部的線圈部分的磁耦合好，能夠高效消滅磁通。
優選的是，在所述感應加熱線圈的一端側與所述三相交流電 源之間設有電力控制設備。
按照所述結構，能夠在將三相電流的平衡保持為2：1：1的狀態下進行感應加熱裝置的輸出控制。
優選的是，所述鐵心具有低磁導率部，所述低磁導率部的磁導率比所述鐵心的其他部分的磁導率低。
按照所述結構，由鐵心形成的閉合磁路的磁阻變小，勵磁電流增加。通過以成為所希望的勵磁電流的方式調整磁阻，能夠使使三相電流平衡。詳細內容將在後面描述。
優選的是，在所述感應加熱裝置和所述中間裝置與所述三相交流電源之間設有三相電力控制設備。
按照所述結構，能夠同時控制流過感應加熱線圈的電流和流過中間裝置的線圈的電流，能夠在保持通過鐵心的低磁導率部調整磁阻得到的三相電流的平衡的狀態下進行感應加熱裝置的輸出控制。
優選的是，在所述感應加熱線圈的一端側與所述三相交流電源之間，以及所述中間裝置的線圈的纏繞始端部側或纏繞終端部側與所述三相交流電源之間設有電力控制設備。
按照所述結構，代替三相電力控制設備，利用2台單相電力控制設備的結構，能夠在保持所述三相電流的平衡的狀態下進行感應加熱裝置的輸出控制。
在此，根據感應加熱裝置的負載溫度等，對設置在感應加熱線圈的一端側的電力控制設備進行回饋控制。另一方面，由於中間裝置的線圈沒有負載，所以設置在中間裝置的線圈側的電力控制設備的控制，與設置在感應加熱線圈的一端側的電力控制設備同步。例如，可以採取使流過兩者的電流值相同的控制方式。
三相交流電源是工業設備使用的電源，被感應加熱的物件物因為被稱為工業設備所以基本上由厚壁金屬構成。因此，通過將所述三相交流電源的電源頻率設為50Hz或60Hz的商用頻率，能夠加大厚壁金屬的感應加熱的電流滲透度，能夠高效地進行物件物的加熱。
感應發熱輥裝置在加熱時的輥主體的屬性（特性）的均勻性是重要的，相比於相位不同的三相磁通在同一輥主體內混在一起的三相交流，更希望單相交流。此外，作為工業設備的輥主體，大部分都由厚壁金屬構成。因此，優選的是，所述感應加熱裝置是感應發熱輥裝置，在所述感應發熱輥裝置的轉動自如地被支承的輥主體的內部設有感應發熱機構，所述感應發熱機構具有所述感應加熱線圈。
按照所述結構的本發明，能夠在不使用斯科特接線變壓器地使用三相交流電源使一個感應加熱裝置運轉的情況下不會產生不流通電流的相。
以下參照附圖說明本發明的感應加熱系統的一個實施方式。
如圖1所示，本實施方式的感應加熱系統100通過三相交流電源4使單相感應加熱裝置2（以下稱為感應加熱裝置2）運轉，與感應加熱裝置不同的中間裝置3介於感應加熱裝置2和三相交流電源4之間。
所述中間裝置3具備用於形成閉合磁路的鐵心30和纏繞在所述鐵心30上的線圈31（以下稱為中間線圈31）。
所述感應加熱裝置2具有感應加熱線圈21，所述感應加熱線圈21纏繞設置在鐵心20上。作為所述感應加熱裝置2，例如可以是流體加熱裝置，所述流體加熱裝置將感應加熱線圈21作為初級線圈，通過對作為纏繞在所述鐵心20上的次級線圈的導體管進行感應加熱，來加熱流過所述導體管的流體。在所述情況下，感應加熱裝置2可以是通過加熱水來生成飽和水蒸氣的飽和水蒸氣生成裝置，也可以是通過加熱飽和水蒸氣來生成過熱水蒸氣的過熱水蒸汽生成裝置。此外，作為感應加熱裝置2，可以是感應發熱輥裝置，所述感應發熱輥裝置在被轉動自如地支承的輥主體的內部設有具有所述感應加熱線圈21的感應發熱機構。
此外，三相交流電源4的電源頻率是50Hz或60Hz的商用頻率。由此，能夠加大導體管等厚壁金屬的感應加熱的電流滲透度，能夠高效地進行物件物的加熱。
此外，感應加熱線圈21的纏繞始端部21x與三相交流電源4的U相電連接，感應加熱線圈21的纏繞終端部21y與中間線圈31的中點部31z電連接。此外，中間線圈31的纏繞始端部31x與三相交流電源4的V相電連接，中間線圈31的纏繞終端部31y與三相交流電源4的W相電連接。
在本實施方式中，在感應加熱線圈21和中間線圈31各線圈的纏繞始端部21x、纏繞終端部21y、纏繞始端部31x、纏繞終端部31y上設有連接端子。此外，在中間線圈31的中點部31z設有連接端子。
此外，使中間線圈31的匝數為偶數｛2N（N為自然數）｝。即，從中間線圈31的中點部31z到纏繞始端部31x的匝數為N，從中點部31z到纏繞終端部31y的匝數也是N。
在本實施方式中，中間線圈31的層數是偶數。例如，當中間線圈31形成兩層結構時，纏繞始端部31x和纏繞終端部31y位於中間線圈31的軸向的一端側，中點部31z位於中間線圈31的軸向的另一端側。
此外，在感應加熱線圈21的一端部和三相交流電源4之間設有電力控制設備51，所述電力控制設備51控制流過感應加熱線圈21的電流。在本實施方式中，在感應加熱線圈21的纏繞始端部21x和三相交流電源4之間(U相)設有電力控制設備51。另外，電力控制設備51是例如晶閘管等半導體控制元件。所述電力控制設備51由未圖示的控制部控制。
接著，參照圖1說明流過所述結構的感應加熱系統100的各相的電流。另外，以下將感應加熱裝置的容量設為P，將三相交流電源4的電源電壓設為E，將三相電流設為IU、IV、IW。
如果設感應加熱線圈的端子間電壓為EU-O，則EU-O=
Figure 105108369-A0305-02-0008-4
。
流過感應加熱線圈的電流與IU相等，
Figure 105108369-A0305-02-0008-3
。
中間線圈的端子間電壓與電源電壓相等，為E。
流過中間線圈的電流為
Figure 105108369-A0305-02-0008-5
。
在此，I0是產生閉合磁路中流通的磁通的勵磁電流，加法計算成為向量和。可是，由於是閉合磁路所以勵磁電流的值足夠小，所以認為
Figure 105108369-A0305-02-0008-6
是沒有問題的。
因此，三相電流比為，
Figure 105108369-A0305-02-0008-1
按照所述結構的感應加熱系統100，由於將感應加熱線圈21的纏繞始端部21x與三相交流電源4的U相電連接，將纏繞終端部21y與中間線圈31的中點部31z電連接並且將中間線圈31的纏繞始端部31x和纏繞終端部31y分別與三相交流電源4的V相和W相電連接，所以中間裝置3作為電流平衡化裝置發揮作用，可以使U相、V相和W相的相電流的平衡成為2：1：1。即，即使在不使用斯科特接線變壓器地使用三相交流電源4使一個感應加熱裝置2運轉的情況下，也能夠防止產生三相中的一相完全不流通電流的狀態。
此外，因為在感應加熱線圈21的一端側（纏繞始端部21x）和三相交流電源4之間設有電力控制設備51，所以能夠在將三相電流的平衡原狀保持2：1：1的狀態下進行感應加熱裝置2的輸出控制。
另外，本發明不限於所述各實施方式。
例如，所述中間裝置3的鐵心30也可以具有低磁導率部30a，所述低磁導率部30a的磁導率比所述鐵心30的其他部分的磁導率低，相比於不具有低磁導率部30a的裝置，能夠降低閉合磁路的磁阻。低磁導率部30a由能耐受鐵心30和線圈31的溫度上升的絕緣物構成，例如由矽玻璃層疊板或芳綸板等構成。另外，低磁導率部30a以外的部分成為由電磁鋼板或非晶態金屬等構成的高磁導率部。
如果在所述閉合磁路中放入低磁導率部30a來降低磁阻，則流過鐵心30的勵磁電流I0增加。通過向量計算， IV ＝IU /2＋I0 （向量和） I0 ＝IV －IU /2（向量差）
如果調整磁阻以成為所述的值I0 ，則三相電流成為平衡。
圖3是表示了電流向量的圖。
流過感應加熱線圈21的電流具有功率因數，其值成為cosθ。I0 基本上相位延遲90°。
在圖3的三角形I0 －IV －O中，如果根據餘弦定理計算絕對值，則 IV 2 ＝I0 2 ＋（IU /2）2 －I0 IU cos（180°－θ） （2P/
Figure 02_image001
E）2 ＝I0 2 ＋（P/
Figure 02_image001
E）2 －2I0 Pcos（180°－θ）/
Figure 02_image001
E I0 2 -2I0 Pcos（180°－θ）/
Figure 02_image001
E－（2P/
Figure 02_image001
E）2 ＋（P/
Figure 02_image001
E）2 ＝0 I0 ＝Pcos（180°－θ）/
Figure 02_image001
E 　　±（√［｛－2Pcos（180°－θ）/
Figure 02_image001
E｝2 ＋4｛（2P/
Figure 02_image001
E）2 －（P/
Figure 02_image001
E）2 ｝］）/2
如果將所述計算式簡化，則 I0 ＝P［cos（180°－θ）＋√｛cos2 （180°－θ）＋3｝］/
Figure 02_image001
E
如果調整閉合磁路的磁阻以成為滿足所述計算式的I0 ，則能夠使三相電流平衡。另外，對於原式中的±符號，選擇符合實際的適當的符號，在此採用了＋。
此外，關於電力控制，除了所述實施方式以外，可以在所述中間裝置3的中間線圈31的纏繞始端部31x側或纏繞終端部31y側與三相交流電源4之間，設置電力控制設備52。在所述情況下，根據感應加熱裝置2的負載溫度等對設置在感應加熱線圈21的一端側的電力控制設備51進行回饋控制。另一方面，由於中間裝置3的線圈31上沒有負載，所以設置在中間裝置3的線圈31側的電力控制設備52的控制，與設置在感應加熱線圈21側的電力控制設備51同步。
另外，也可以在所述感應加熱裝置2和所述中間裝置3與所述三相交流電源4之間，設置三相電力控制設備。
此外，本發明不限於所述實施方式，在不脫離發明宗旨的範圍內可以進行各種變形。
可以相互組合本發明的各個實施方式（實施例）中所記載的技術特徵形成新的技術方案。
100‧‧‧感應加熱系統 2‧‧‧感應加熱裝置 21‧‧‧單相感應加熱線圈 21x‧‧‧感應加熱線圈的纏繞始端部 21y‧‧‧感應加熱線圈的纏繞終端部 3‧‧‧中間裝置 30‧‧‧鐵心 31‧‧‧線圈 31x‧‧‧線圈的纏繞始端部 31y‧‧‧線圈的纏繞終端部 31z‧‧‧線圈的中點部 4‧‧‧三相交流電源 51‧‧‧電力控制設備 52‧‧‧電力控制設備
圖1是示意性地表示本實施方式的感應加熱系統的結構的圖。 圖2是示意性地表示變形實施方式的中間裝置的結構的圖。 圖3是變形實施方式的電流向量圖。 圖4是示意性地表示變形實施方式的感應加熱系統的結構的圖。
100‧‧‧感應加熱系統
2‧‧‧感應加熱裝置
21‧‧‧感應加熱線圈
21x‧‧‧纏繞始端部
21y‧‧‧纏繞終端部
3‧‧‧中間裝置
30‧‧‧鐵心
31‧‧‧中間線圈
31x‧‧‧纏繞始端部
31y‧‧‧纏繞終端部
31z‧‧‧中點部
4‧‧‧三相交流電源

Claims (8)

  1. 一種感應加熱系統，其通過三相交流電源使具備感應加熱線圈的單相感應加熱裝置運轉，所述感應加熱系統的特徵在於，所述感應加熱系統具備中間裝置，所述中間裝置介於所述單相感應加熱裝置和所述三相交流電源之間，並具備用於形成與前述單相感應加熱裝置所形成之閉合磁路相異之閉合磁路的鐵心和纏繞在所述鐵心上的偶數匝數的線圈，且係與前述單相感應加熱裝置不同的裝置，所述感應加熱線圈的纏繞始端部和纏繞終端部中的一方與所述三相交流電源的一相電連接，所述感應加熱線圈的所述纏繞始端部和所述纏繞終端部中的另一方與所述中間裝置的所述線圈的中點部電連接，並且所述中間裝置的所述線圈的纏繞始端部和纏繞終端部與所述三相交流電源的剩餘的兩相電連接。
  2. 如請求項1所述的感應加熱系統，其中所述中間裝置的所述線圈的層數是偶數，所述中間裝置的所述線圈的所述纏繞始端部、所述纏繞終端部和所述中點部位於所述線圈的軸向的端部。
  3. 如請求項1所述的感應加熱系統，其中在所述感應加熱線圈的一端側和所述三相交流電源之間設有電力控制設備。
  4. 如請求項1所述的感應加熱系統，其中所述鐵心具有低磁導率部，所述低磁導率部的磁導率比所述鐵心的其他部分的磁導率低。
  5. 如請求項4所述的感應加熱系統，其中在所述感應加熱裝置和所述中間裝置與所述三相交流電源之間設有三相電力控制設備。
  6. 如請求項4所述的感應加熱系統，其中在所述感應加熱線圈的一端側與所述三相交流電源之間、以及所述中間裝置的所述線圈的所述纏繞始端部側或所述纏繞終端部側與所述三相交流電源之間設有電力控制設備。
  7. 如請求項1所述的感應加熱系統，其中所述三相交流電源的電源頻率為50Hz或60Hz。
  8. 如請求項1所述的感應加熱系統，其中所述感應加熱裝置是感應發熱輥裝置，在所述感應發熱輥裝置的轉動自如地被支承的輥主體的內部設有感應發熱機構，所述感應發熱機構具有所述感應加熱線圈。
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