JP5079764B2

JP5079764B2 - 誘導加熱装置

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Publication number: JP5079764B2
Application number: JP2009217577A
Authority: JP
Inventors: 敏之渡辺; 紀人澤村; 弘彦制野
Original assignee: Kitashiba Electric Co Ltd
Current assignee: Kitashiba Electric Co Ltd
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: JP2011065951A

Description

本発明は、溶解炉に設けられた加熱コイルに電力を供給することにより、溶解炉に収容された被溶解材を溶解させる誘導加熱装置に関する。

溶解炉に設けられた加熱コイルに交流電力を供給することにより、溶解炉に収容された被溶解材を溶解させる誘導加熱装置が知られている。

上記誘導加熱装置は、例えば三相交流電力を直流電力に変換する順変換器と、直流電力を所定の周波数の交流電力に変換する逆変換器と、逆変換器からの交流電力が印加される加熱コイルとを有する。順変換器及び逆変換器は、例えばサイリスタ等の半導体で構成されている。この誘導加熱装置は、商用の三相交流電源から検出した同期信号を基に、順変換器の点弧位相を制御することで、加熱コイルに出力される交流電圧及び交流電力を制御する。順変換器として、例えば６パルス整流器を採用した場合、順変換器のサイリスタに入力されるゲートパルスの点弧位相（電気角）が約６０°に設定される。

しかし、交流電源からの交流電圧に、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの電源周波数（基本波）に対して整数倍の高調波ノイズの重畳により、波形の歪が生じる場合がある。高調波ノイズの発生原因として、例えば、高周波インバータ等の電力変換装置からの漏洩、変圧器や電動機等を構成する鉄心の磁気飽和、アーク炉や蛍光灯などの放電現象等が挙げられる。

上記誘導加熱装置では、図４（ａ）に示すように、同期信号Ｖ１の波形が高調波ノイズの重畳により非正弦波となった場合でも、この同期信号Ｖ１を基に、図４（ｂ）に示す順変換器のサイリスタに入力されるゲート信号Ｖ２を生成する。図４（ａ）に示すように、同期信号Ｖ１の波形に歪みがある場合、図４（ｂ）に示すゲート信号Ｖ２のパルスの点弧位相が、正規の位相（約６０°）からずれて、順変換器の位相制御の精度が低下する。

順変換器の位相制御の精度が低いと、図４（ｃ）に示すように、加熱コイルへの出力電圧の高調波成分の流出量（高調波流出量）が増大する、或いは出力電圧の歪みが拡大する等の不都合が生じる場合がある。また、高調波流出量が比較的大きいと、変圧器や調相設備が異常に振動する、或いは異音を発生する等の不都合も生じる場合がある。

このような高調波による不都合をなくすための技術として、下記特許文献１には、電力系統における高調波成分を検出し、検出した高調波成分が一定限度以上の大きさになったときは、出力回路の全ての接点を開くことで進相用コンデンサを遮断するという技術が開示されている。

特開平４−３１２３２２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術は、単に高調波成分のレベルに応じて電力系統の進相用コンデンサを遮断するものであり、かかる技術では、上記誘導加熱装置で交流電源からの同期信号に高調波ノイズによる波形歪が生じた場合に、出力電圧への高調波流出量の増大や出力電圧の歪の拡大を防止することができない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、交流電源からの同期信号に高調波ノイズが重畳されている場合であっても、順変換器を高精度に位相制御することができるとともに、出力電圧への高調波の流出量を抑制することができる誘導加熱装置を提供することを目的とする。

本発明は、交流電源からの交流電力を、位相制御によって直流電力に変換する順変換器と、当該直流電力を所定周波数の交流電力に変換する逆変換器と、前記逆変換器からの交流電力を印加して誘導加熱を生じさせる加熱コイルと、前記交流電源の出力波形に応じた同期信号に基づいて、前記順変換器の点弧位相を制御する順変換器制御回路とを備え、前記順変換器制御回路は、前記同期信号に含まれる高調波ノイズを除去するノイズ除去回路と、前記高調波ノイズが除去された同期信号のゼロクロス点に同期した位相同期制御信号を生成する位相同期回路と、前記逆変換器からの出力電圧と、前記順変換器への入力電流とに基づいて、前記順変換器の点弧位相を制御する順変換器制御信号を生成する順変換器制御信号生成回路と、前記位相同期制御信号と前記順変換器制御信号との電圧差に基づいて、前記順変換器を規定の位相で点弧させるゲート信号を生成するゲート信号生成回路とを有することを特徴とする。

本発明の誘導加熱装置においては、ノイズ除去回路により、同期信号から高調波ノイズが除去される。位相同期回路は、高調波ノイズが除去された同期信号のゼロクロス点に同期した位相同期制御信号を生成する。順変換器制御信号生成回路が、逆変換器からの出力電圧と順変換器への入力電流とに基づいて、順変換器の点弧位相を制御する順変換器制御信号を生成する。そして、ゲート信号生成回路が、位相同期制御信号と順変換器制御信号との電圧差に基づいて、順変換器を所定の位相で点弧させるゲート信号を生成する。そのゲート信号により順変換器が高精度に位相制御される。

すなわち、例えば、上記交流電源として商用の三相交流電源からの同期信号に高調波ノイズが重畳されている場合であっても、順変換器制御回路が、高調波ノイズを除去した同期信号のゼロクロス点を検出し、ゼロクロス点を基準に、当該ゼロクロス点に高精度に同期した位相同期制御信号を生成することができる。順変換器制御回路は、この位相同期制御信号と、前記順変換器の点弧位相を制御する順変換器制御信号との電圧差をとることにより、位相同期制御信号の信号レベルと順変換器制御信号の信号レベルとが一致するタイミングを高精度に検出することができ、この検出したタイミングを基に、順変換器を規定位相で高精度に点弧させるゲート信号を生成することができる。順変換器制御回路がこのゲート信号を順変換器に送ることにより、順変換器が高精度に規定位相で点弧し、例えば交流電源としての商用の三相交流電源からの交流電力を高精度に直流電力に変換することにより、出力電圧の高調波成分を抑制することができる。

本発明の誘導加熱装置において、上記ノイズ除去回路はローパスフィルタで構成することができ、上記順変換器制御回路は、ローパスフィルタにより高調波ノイズが除去された同期信号の位相を、例えば交流電源として商用の三相交流電源からの同期信号の位相に同期するように調整する位相調整回路を有してもよい。

上記のようにローパスフィルタと位相調整回路とを設けたことで、位相調整回路は、ローパスフィルタからの同期信号の位相を調整して、例えば交流電源として商用の三相交流電源からの同期信号の位相に同期させることができる。位相同期回路は、この位相調整された同期信号に基づいて、同期信号のゼロクロス点に高精度に同期した位相同期制御信号を生成することができる。このため、順変換器の点弧位相を、より高精度に制御することができる。すなわち、例えば交流電源としての商用の三相交流電源への高調波の流出量をより抑制することができる。

また、上記順変換器制御信号生成回路は、前記逆変換器からの出力電圧と基準電圧との電圧差に基づいて所定レベルの電圧信号を生成する定電圧制御回路と、前記順変換器への入力電流と基準電流との電流差に基づいて所定レベルの電流信号を生成する定電流制御回路と、前記電圧信号及び前記電流信号をそれぞれダイオードクランプし、前記順変換器制御信号を生成する加算器（ダイオードクランプ回路）とを有してもよい。

上記のように順変換器制御信号生成回路は、定電圧制御回路による一定電圧信号と定電流制御回路による一定電流信号とを一定電圧レベルにクランプすることで、比較的簡単に高精度に順変換器制御信号を生成することができる。順変換器制御回路は、順変換器制御信号と位相同期制御信号とを用いることにより、順変換器の点弧位相を、より高精度に制御することができ、出力電圧への高調波の流出量をより抑制することができる。

本発明の実施形態の誘導加熱装置の全体構成図。本発明の実施形態の誘導加熱装置の各構成要素での信号（単相）を示す図で、（ａ）は高調波ノイズが重畳した同期信号ＶＳＹＮ（単相）、（ｂ）は高調波ノイズが除去された同期信号ＶＳＹＮ（単相）、（ｃ）は位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬ（単相）と順変換器制御信号ＲＥＣＥＣ、（ｄ）は図１の比較器３０から出力された信号（単相）、（ｅ）はゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥ（単相）を示している。本発明の実施形態の誘導加熱装置の各構成要素での信号（三相）を示す図で、（ａ）は高調波ノイズが重畳した同期信号ＶＳＹＮ（三相）、（ｂ）は高調波ノイズが除去された同期信号ＶＳＹＮ（三相）、（ｃ）は位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬ（三相）と順変換器制御信号ＲＥＣＥＣ、（ｄ）は各順変換器に入力されるゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥ（６パルス）を示している。従来の誘導加熱装置を説明するための図で、（ａ）は高調波ノイズにより波形に歪みが生じている同期信号Ｖ１、（ｂ）は順変換器のサイリスタに入力されるゲート信号Ｖ２、（ｃ）は逆変換器から加熱コイルへの出力電圧に含まれる高調波成分Ｖ３を示している。

図１を参照して、本発明の実施形態について説明する。誘導加熱装置は、誘導炉を備え、その誘導炉内に収容された被加熱材を溶解させる。

本実施形態の誘導加熱装置は、交流電源１に接続された高圧受電盤２と、高調波フィルタ３と、変換装置用変圧器４と、高周波インバータ５と、高周波整合装置６と、誘導炉に備えられた加熱コイル７とを有する。これらの装置構成要素は、コントローラ８により統括的に制御される。なお、高圧受電盤２及び高調波フィルタ３は、動作環境に応じて、設置しても設置しなくともよい。

交流電源１は、定格の交流電源であって、高圧受電盤２に接続されている。本実施形態の交流電源１としては、例えば、交流周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用の三相交流電源を採用する。

高圧受電盤２は、誘導加熱装置への電源通電・停止と故障発生時の電源遮断を行う装置である。高圧受電盤２は、パワーヒューズ９と、遮断機１０とを有する。パワーヒューズ９は、例えば短絡事故時に、交流電源１からの電力を遮断する。遮断機１０は、交流電源１からの交流電力の通電と、通電の停止とを操作により切り替え可能に構成されている。誘導加熱装置の動作時、パワーヒューズ９及び遮断機１０は、導電状態に設定されている。

高調波フィルタ３は、高圧受電盤２に接続されている。高調波フィルタ３は、高周波インバータ５から高調波電流が電力系統に流出しないように抑制する装置である。詳細には、高調波フィルタ３は、限流リアクトル１１と、直列リアクトル１２ａ，１２ｂと、高調波コンデンサ１３ａ，１３ｂとを有する。限流リアクトル１１と変換装置用変圧器４間のノード３ａには、直列リアクトル１２ａと直列リアクトル１２ｂが接続されるとともに、直列リアクトル１２ａと直列リアクトル１２ｂには高調波コンデンサ１３ａと高調波コンデンサ１３ｂとが各々直列に接続されている。

すなわち、本実施形態では、直列リアクトル１２ａと高調波コンデンサ１３ａとで構成される第１のフィルタ部と、直列リアクトル１２ｂと高調波コンデンサ１３ｂとで構成される第２のフィルタ部とが、限流リアクトル１１に並列に接続されている。なお、高調波コンデンサ１３ａ，１３ｂはそれぞれΔ結線されている。

変換装置用変圧器４は、高調波フィルタ３に接続されている。変換装置用変圧器４は、高周波インバータ５で所定の電圧を出力するように、高周波インバータ５への入力電圧を調整する装置である。

高周波インバータ５は、変換装置用変圧器４に接続されている。本実施形態の高周波インバータ５は、交流電源１の三相交流電力を直流電力に変換し、その直流電力から所定周波数の単相交流電力を生成する装置である。この高周波インバータ５は、例えばコントローラ８から送られた運転制御信号，運転停止制御信号等により制御される。本実施形態の高周波インバータ５は、電流型インバータである。

本実施形態の高周波インバータ５は、詳細には、順変換器１４と、逆変換器１５と、直流リアクトル１６と、順変換器制御回路１７とを有する。

順変換器１４は、交流／直流変換器であり、交流電力を直流電力に変換する。本実施形態の順変換器１４は、複数のサイリスタ１４ａを有し、その複数のサイリスタ１４ａが三相ブリッジ構造となっている。詳細には、順変換器１４としては、１周期当り６パルス整流制御の三相ブリッジ式順変換器を採用している。サイリスタ１４ａは、規定幅のＨレベルのパルスを含むゲート信号が、ゲートに入力したとき、点弧状態（ターンオン：導通状態）となり、サイリスタ１４ａに流れる電流が規定値以下のとき、消弧状態（ターンオフ：非導通状態）となる。このサイリスタ１４ａは、本発明における位相制御可能な順変換器に相当する。

逆変換器１５は、直流／交流変換器であり、直流電力を所定周波数の交流電力に変換する。逆変換器１５は、複数のサイリスタ１５ａを有し、その複数のサイリスタ１５ａがブリッジ構造となっている。サイリスタ１５ａは、上記サイリスタ１４ａと同様な動作特性を有する。

直流リアクトル１６は、一端部が順変換器１４に接続され、他端部が逆変換器１５に接続されている。この直流リアクトル１６は、順変換器１４による直流電圧に重畳するリプル成分を除去する。また、直流リアクトル１６は、順変換器１４や加熱コイル７等が負荷破損した場合に、高周波インバータ５からの急激な過電流の流出を抑制する。

順変換器制御回路１７は、交流電源１の出力波形に応じた同期信号ＶＳＹＮに基づいて、順変換器１４を構成するサイリスタ１４ａの点弧位相を高精度に制御する。

詳細には、順変換器制御回路１７は、交流電源１から検出された同期信号ＶＳＹＮから、高調波ノイズを除去して、その高調波ノイズが除去された同期信号ＶＳＹＮに基づいて、同期信号ＶＳＹＮのゼロクロス点を検出する。順変換器制御回路１７は、その検出されたゼロクロス点を基準に、同期信号ＶＳＹＮに同期したパルスを有するゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを生成する。このゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥのパルスは、順変換器１４のサイリスタ１４ａを点弧させる最適な点弧位相（本実施形態では約６０°間隔）となるように規定されている。順変換器制御回路１７は、ゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを順変換器１４のサイリスタ１４ａに送ることで、順変換器１４を高精度に位相制御することが可能である。順変換器制御回路１７の詳細については後述する。

高周波整合装置６は、高周波インバータ５に接続され、高周波インバータ５と加熱コイル７とのインピーダンス整合を図る装置である。高周波整合装置６は、詳細には、インピーダンス整合を図るための高周波整合変圧器１８と、加熱コイル７の遅れ力率を進み力率に補償する複数の力率コンデンサ１９とを有する。

加熱コイル７は、誘導炉に備えられており、高周波インバータ５からの高周波の交流電力の供給を受けて、溶解炉内に収容された鉄等の被溶解材に渦電流を発生させ、渦電流により金属材料間に発生するジュール熱で被溶解材を昇温させて溶解させる。なお、高周波整合変圧器１８と力率コンデンサ１９と加熱コイル７それぞれの一端部はノード６ａに電気的に接続され、高周波整合変圧器１８の他端部は逆変換器１５に接続される。

コントローラ８は、例えば、高周波インバータ５の制御、加熱コイル７への交流電力の出力制御、誘導加熱装置の運転及び停止等の制御を行う。このコントローラ８は、上記制御処理を実行するプログラムをメモリ（不図示）に記憶保持し、そのプログラムを実行することにより、上記制御処理を実行するための演算装置（シーケンサ）として機能する。コントローラ８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のハードウェアにより構成されている。また、コントローラ８は、高周波インバータ５に入力される基準電圧や基準電流等の設定を行う。

次に、図１に示された順変換器制御回路１７について説明する。この順変換器制御回路１７は、ノイズ除去回路としてのフィルタ回路２０、位相調整回路（ＰＨＣ）２１、位相同期回路（ＰＬＬ）２２、比較器２３、定電圧制御回路（ＡＶＲ）２４、ダイオード２５、比較器２６、定電流制御回路（ＡＣＲ）２７、ダイオード２８、加算器２９、比較器３０、及び立上りパルス生成回路３１を有する。

上記フィルタ回路（ＦＬＴ）２０、位相調整回路２１、及び位相同期回路２２は、位相同期制御信号生成回路３２を構成する。上記比較器２３、定電圧制御回路２４、ダイオード２５、比較器２６、定電流制御回路２７、ダイオード２８、及び加算器２９は、順変換器制御信号生成回路３３を構成する。上記比較器３０、及び立上りパルス生成回路３１は、ゲート信号生成回路３４を構成する。

位相同期制御信号生成回路３２は、同期信号ＶＳＹＮに含まれる高調波ノイズを除去し、高調波ノイズが除去された同期信号ＶＳＹＮのレベルのゼロクロス点を検出し、その同期信号ＶＳＹＮのゼロクロス点を基準として、同期信号ＶＳＹＮに同期した位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬを生成する。

次に、位相同期制御信号生成回路３２の構成について説明する。図１に示すように、交流電源１の出力側のノード２ａに電圧検出用変圧器ＶＴ１が設けられている。フィルタ回路２０は、電圧検出用変圧器ＶＴ１で検出された同期信号ＶＳＹＮから高調波ノイズを除去して出力する。すなわち、フィルタ回路２０は、高周波ノイズを除去するノイズ除去回路を構成している。

フィルタ回路２０としては、例えばバンドエリミネーションフィルタ、ローパスフィルタ等を採用することができる。バンドエリミネーションフィルタは、同期信号ＶＳＹＮから、規定された周波数範囲の周波数成分を減衰し、それ以外の周波数成分を通過させるフィルタである。ローパスフィルタは、規定の周波数以上の周波数成分を減衰し、その規定の周波数より小さい周波数成分を通過させるフィルタであり、簡単な構成で、同期信号ＶＳＹＮから高調波ノイズを除去することができる。

上記フィルタ回路２０として、例えばローパスフィルタを採用した場合は、同期信号ＶＳＹＮに位相の遅れが生じる場合があり、その位相の遅れを調整するために、位相調整回路２１を設けることが好ましい。位相調整回路２１は、フィルタ回路２０のローパスフィルタにより高調波ノイズが除去された同期信号ＶＳＹＮの位相を、交流電源１からの同期信号ＶＳＹＮの位相に同期するように調整する。

詳細には、位相調整回路２１は、キャパシタンスＣのコンデンサ、抵抗値Ｒの抵抗等で構成された全帯域フィルタを備える。この全帯域フィルタは、位相θ、キャパシタンスＣ、抵抗値Ｒ、角周波数ωにより、数式（１）に示す位相特性を有している。この全帯域フィルタにより、フィルタ回路２０での同期信号ＶＳＹＮの位相の遅れを調節することが可能である。

［数１］
θ＝２×ｔａｎ^−１（ωＣＲ） …（１）

位相同期回路２２は、フィルタ回路２０から直接、又は位相調整回路２１を介して送られた同期信号ＶＳＹＮ（Ｓ２１）に基づいて、その同期信号ＶＳＹＮ（Ｓ２１）に同期した位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬを生成する。詳細には、位相同期回路２２は、同期信号ＶＳＹＮのレベルのゼロクロス点を検出し、そのゼロクロス点を基準に同期した、例えば三角波状の波形の位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬを生成し、その位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬを比較器３０に出力する。位相同期回路２２は、例えば入力された２つの信号の位相差に応じた信号を出力する位相比較器と、位相比較器からの信号が入力されるループフィルタと、ループフィルタからの出力電圧に応じて発振周波数を可変するＶＣＯ（電圧制御発振器）と、ＶＣＯの出力電圧を分周して位相比較器に出力する分周器とを有する。

順変換器制御信号生成回路３３は、逆変換器１５からの出力電圧ＶＦＢと、順変換器１４への入力電流ＩＦＢとに基づいて、順変換器１４の点弧位相を制御する順変換器制御信号ＲＥＣＥＣを生成する。

次に、順変換器制御信号生成回路３３の各構成について説明する。図１に示すように、逆変換器１５の出力側のノード５ａに電圧検出用変圧器ＶＴ２が設けられている。順変換器１４の入力側に電流検出用変流器ＣＴ１が設けられている。

比較器２３は、電圧検出用変圧器ＶＴ２で検出された出力電圧ＶＦＢと、基準電圧設定器３５による基準電圧ＶＲＥＦとを比較する。詳細には、比較器２３は、基準電圧ＶＲＥＦと出力電圧ＶＦＢとの電圧差を示す信号を定電圧制御回路２４に出力する。

定電圧制御回路２４は、比較器２３からの信号に基づいて、所定レベルの電圧信号を生成する。

比較器２６は、電流検出用変流器ＣＴ１で検出された入力電流ＩＦＢと、基準電流設定器３６による基準電流ＩＲＥＦとを比較する。詳細には、比較器２６は、基準電流ＩＲＥＦと入力電流ＩＦＢとの電流差を示す信号を定電流制御回路２７に出力する。

定電流制御回路２７は、比較器２６からの信号に基づいて、所定レベルの電流信号を生成する。

ダイオード２５とダイオード２８の出力信号は、加算器２９によって定電圧制御回路２４から出力された電圧信号と定電流制御回路２７からの電圧信号とを一定レベルにクランプする。

ゲート信号生成回路３４は、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬと、順変換器制御信号ＲＥＣＥＣとに基づいて、順変換器１４のサイリスタ１４ａを規定位相で点弧させるパルスを含むゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを生成する。詳細には、ゲート信号生成部３４は、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬと、順変換器１４のサイリスタ１４ａの点弧位相を制御する順変換器制御信号ＲＥＣＥＣとの電圧差をとることにより、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬの信号レベルと順変換器制御信号ＲＥＣＥＣの信号レベルとが一致するタイミングを高精度に検出し、この検出したタイミングを基に、サイリスタ１４ａを規定位相で高精度に点弧させるゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを生成する。

ゲート信号生成回路３４の各構成について説明する。比較器３０は、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬと順変換器制御信号ＲＥＣＥＣとの電圧差を示す信号を生成する。

立上りパルス生成回路３１は、比較器３０からの信号Ｓ３０の立上りタイミングを検出し、その立上りタイミングに同期した規定の幅のパルスを有するゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを生成する。また、ゲート信号生成回路３４は、そのゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを、順変換器１４のサイリスタ１４ａに出力する。

次に図２を参照して、本実施形態の誘導加熱装置の動作、主に高周波インバータ５の動作を説明する。図２では、本実施形態の三相交流のうち一相のみについて説明する。

誘導加熱装置の動作時、電圧検出用変圧器ＶＴ１では、交流電源１の出力電圧が同期信号ＶＳＹＮとして検出される。本実施形態の同期信号ＶＳＹＮには、図２（ａ）に示すように、高調波ノイズが重畳されている場合がある。

フィルタ回路２０は、この高調波ノイズを含む同期信号ＶＳＹＮから高調波ノイズを除去し、位相調整回路２１は、フィルタ回路２０からの同期信号ＶＳＹＮの位相を調整し、信号Ｓ２１として位相同期回路２２に出力する。図２（ｂ）に示すように、同期信号Ｓ２１は、高調波ノイズが除去されて波形が正弦波状となっている。位相同期回路２２は、同期信号Ｓ２１のレベルのゼロクロス点Ｐ１を検出し、図２（ｃ）に示すように、ゼロクロス点Ｐ１を基準に同期した三角波状の波形の位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬを生成し、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬを比較器３０に出力する。詳細には、信号Ｓ２１のレベルがゼロクロス点Ｐ１のときに、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬのレベルが０となる。上述したように、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬの三角波の振幅は、同期信号Ｓ２１の半周期に同期して規定されている。

一方、比較器２３は、電圧検出用変圧器ＶＴ２で検出された出力電圧ＶＦＢと、基準電圧設定器３５による基準電圧ＶＲＥＦとの電圧差を示す信号を生成し、定電圧制御回路２４はその信号に基づいて、出力する電圧信号を所定レベルとなるように制御を行う。ダイオード２５とダイオード２８の出力信号は、加算器２９によって定電圧制御回路２４から出力された電圧信号と定電流制御回路２７からの電流信号とを一定レベルにクランプする。比較器２６は、電流検出用変流器ＣＴ１で検出された入力電流ＩＦＢと、基準電流設定器３６による基準電流ＩＲＥＦとの差を示す信号を生成し、定電流制御回路２７はその信号に基づいて、出力する電流信号を所定レベルとなるように制御を行う。そして、ダイオード２５とダイオード２８の出力信号は、加算器２９によって定電圧制御回路２４から出力された電圧信号と定電流制御回路２７からの電流信号とを一定レベルにクランプして、図２（ｃ）に示す順変換器制御信号ＲＥＣＥＣを生成する。

図２（ｃ），（ｄ）に示すように、ゲート信号生成部３４は、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬと、順変換器１４のサイリスタ１４ａの点弧位相を制御する順変換器制御信号ＲＥＣＥＣとの電圧差をとることにより、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬの信号レベルと順変換器制御信号ＲＥＣＥＣの信号レベルとが一致するタイミングＰ２を高精度に検出し、この検出したタイミングＰ２を基に、サイリスタ１４ａを規定位相で高精度に点弧させるゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを生成する。

詳細には、比較器３０は、図２（ｄ）に示すように、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬと順変換器制御信号ＲＥＣＥＣとの電圧差を示す信号Ｓ３０を生成する。詳細には、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬのレベルがゼロから増加して、順変換器制御信号ＲＥＣＥＣのレベルと一致するとき（Ｐ２）に、信号Ｓ３０がＨレベルに立上り、その後、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬのレベルが立ち下がるまで、信号Ｓ３０はＨレベルを保持し、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬのレベルがゼロに立ち下がるとき（Ｐ３）に、信号Ｓ３０はレベルがＬレベル（ゼロ）となる。

立上りパルス生成回路３１は、図２（ｅ）に示すように、比較器３０からの信号Ｓ３０の立上りタイミング（Ｐ２）を検出し、その検出した立上りタイミング（Ｐ２）に同期した規定の幅のパルスを有するゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを生成する。このゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥの点弧位相は約６０°である。

順変換器１４のサイリスタ１４ａでは、立上りパルス生成回路３１からゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥが入力されると、このゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥに応じて点弧状態および消弧状態が高精度に制御される。

上記図２では、三相交流のうち一相のみについて説明したが、本実施形態の誘導加熱装置は、三相交流の各相について、それぞれ順変換器制御回路１７、電圧検出用変圧器ＶＴ１，ＶＴ２、及び電流検出用変流器ＣＴ１が設けられており、図３に示すように、三相交流の各相それぞれについて同様な動作を行う。

詳細には、図３（ａ）に示すように、三相交流の出力電圧が同期信号ＶＳＹＮとして検出される。三相交流の同期信号ＶＳＹＮの各相には、図３（ａ）に示すように、高調波ノイズが重畳されている場合がある。この同期信号ＶＳＹＮがフィルタ回路２０に入力された後、位相調整回路２１に入力されると、図３（ｂ）に示すように、三相交流の各相で高調波ノイズが除去されて正弦波状の同期信号Ｓ２１となる。

位相同期回路２２は、この同期信号Ｓ２１のレベルのゼロクロス点Ｐ１を検出し、図３（ｃ）に示すように、ゼロクロス点Ｐ１を基準に同期した三角波状の波形の位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬを生成する。

順変換器制御信号生成回路３３は、逆変換器１５からの出力電圧ＶＦＢ及び基準電圧ＶＲＥＦに応じた電圧信号と、順変換器１４への入力電流ＩＦＢ及び基準電流ＩＲＥＦに応じた電流信号とをダイオードクランプして、順変換器１４のサイリスタ１４ａの点弧位相を規定するレベルの順変換器制御信号ＲＥＣＥＣを生成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、ゲート信号生成回路３４は、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬと、順変換器制御信号ＲＥＣＥＣとに基づいて、順変換器１４のサイリスタ１４ａを規定の位相で点弧させるパルスを含むゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを生成する。図３（ｄ）では、三相それぞれの相のゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥをまとめて記載しているが、実際は、三相のうち各相それぞれについてゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥが生成される。そして、この三相それぞれのゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥが、順変換器１４のサイリスタ１４ａそれぞれに送られることにより、順変換器１４が高精度に位相制御される。

以上、説明したように、本実施形態では、順変換器制御回路１７が、交流電源１の出力電圧に応じた同期信号ＶＳＹＮに基づいて、順変換器１４のサイリスタ１４ａの点弧位相を最適に制御する。詳細には、順変換器制御回路１７は、同期信号ＶＳＹＮに含まれる高調波ノイズを除去するフィルタ回路２０と、同期信号ＶＳＹＮのゼロクロス点に同期した位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬを生成する位相同期回路２２と、順変換器制御信号ＲＥＣＥＣを生成する順変換器制御信号生成回路３３と、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬと、順変換器制御信号ＲＥＣＥＣとの差に基づいて、順変換器１４のサイリスタ１４ａを所定の位相で点弧させるパルスを含むゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを生成するゲート信号生成回路３４とを備える。

このため、交流電源からの同期信号ＶＳＹＮに高調波ノイズが重畳されている場合であっても、順変換器制御回路１７が、高調波ノイズを除去した同期信号のゼロクロス点Ｐ１を検出し、ゼロクロス点Ｐ１を基準に、当該ゼロクロス点Ｐ１に高精度に同期した位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬを生成することができる。順変換器制御回路１７は、この位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬと、サイリスタ１４ａの点弧位相を制御する順変換器制御信号ＲＥＣＥＣとの電圧差をとることにより、位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬの信号レベルと順変換器制御信号ＲＥＣＥＣの信号レベルとが一致するタイミングＰ２を高精度に検出することができ、この検出したタイミングＰ２を基に、サイリスタ１４ａを規定位相で高精度に点弧させるゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを生成することができる。順変換器制御回路１７がこのゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを順変換器１４のサイリスタ１４ａに送ることにより、サイリスタ１４ａが高精度に規定位相で点弧し、交流電源１からの交流電力を高精度に直流電力に変換することにより、高調波成分を抑制することができる。逆変換器１５は、この高調波成分が抑制された直流電力を基に交流電力を生成して加熱コイル７に出力する。

本実施形態では、順変換器１４として６パルス整流器を採用しており、この場合、順変換器１４のサイリスタ１４ａの点弧位相を約６０°となるように高精度に制御することができる。

また、本実施形態では、フィルタ回路（ノイズ除去回路）２０としてローパスフィルタを採用し、順変換器制御回路１７が、ローパスフィルタにより高調波ノイズが除去された同期信号ＶＳＹＮの位相を、交流電源１からの同期信号ＶＳＹＮの位相に同期するように調整する位相調整回路２１を備える。すなわち、位相調整回路２１が、ローパスフィルタで高調波ノイズを除去した同期信号の位相を調整し、位相同期回路２２が、その位相調整された同期信号に基づいて、同期信号ＶＳＹＮのゼロクロス点Ｐ１に、より高精度に同期した位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬを生成することができる。順変換器制御回路１７は、その位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬを用いて、順変換器１４をより高精度に位相制御することができ、出力電圧への高調波の流出量をより低減することができる。

また、本実施形態の順変換器制御信号生成回路３３は、逆変換器１５からの出力電圧ＶＦＢと基準電圧ＶＲＥＦとの差に基づいて所定レベルの電圧信号を生成する定電圧制御回路２４と、順変換器１４への入力電流ＩＦＢと基準電流ＩＲＥＦとの差に基づいて所定レベルの電流信号を生成する定電流制御回路２７と、電圧信号及び電流信号それぞれをダイオード２５とダイオード２８を介して、加算器２９によって一定レベルにクランプすることで、順変換器制御信号ＲＥＣＥＣを生成するダイオードクランプ回路とを有する。

順変換器制御回路１７は、この順変換器制御信号ＲＥＣＥＣと位相同期制御信号ＲＥＣＰＬＬに基づいて、簡単且つ高精度にゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを生成することができる。それゆえ、順変換器１４にこのゲート信号ＲＥＣＧＡＴＥを送ることにより、順変換器１４のサイリスタ１４ａを高精度に位相制御することができるとともに、出力電圧への高調波の流出量を抑制することが可能である。

また、順変換器１４を、高精度に位相制御することができるので、高周波過電流などに起因する電源トリップを防止することが可能である。また、変圧器や調相設備等による、不要な振動の発生や異音の発生を防止することが可能である。また、照明設備のちらつきを防止することが可能である。

なお、高周波インバータは、例えば、高調波ガイドラインによる規制から、６．６ｋＶ受電の場合、総合電圧歪み率を５％以下に抑制することを要する。従来の誘導加熱装置では、下記の条件（１）〜（４）が複数重複した場合に、従来の高周波インバータが動作時に、高調波流出量が増大して、電力系統の歪みが出力側で拡大するという不具合が生じる虞がある。
（１）電力系統が極端に不均衡である場合、
（２）電力系統に電源周波数の奇数付近の共振周波数が存在する場合、
（３）誘導加熱装置を設置する同一構内に、他の大きな高調波発生源が存在する場合、
（４）電力系統から大きい高調波が流入する場合。

一方、本発明の誘導加熱装置は、上述したように順変換器制御回路１７を備えるので、交流電源１からの同期信号ＶＳＹＮに高調波ノイズが重畳されている場合であっても順変換器１４を高精度に位相制御することができ、上記不具合を抑制することができる。

以上、実施形態について説明したが、本発明は、図示の実施形態に限られるものではない。

位相同期制御信号生成回路３２、順変換器制御信号生成回路３３、及びゲート信号生成回路３４それぞれの各構成要素は、上記実施形態に限られるものではない。

また、本実施形態では、交流電源１としては、三相交流電源を採用したが、この形態に限られるものではない。交流電源１として単相交流電源を採用してもよい。

１…交流電源、２…高圧受電盤、３…高調波フィルタ、４…変換装置用変圧器、５…高周波インバータ、６…高周波整合装置、７…加熱コイル、８…コントローラ、１１…限流リアクトル、１２ａ，１２ｂ…直列リアクトル、１３ａ，１３ｂ…高調波コンデンサ、１４…順変換器、１４ａ…サイリスタ、１５…逆変換器、１５ａ…サイリスタ、１６…直流リアクトル、１７…順変換器制御回路、１８…高周波整合変圧器、１９…力率コンデンサ、２０…ノイズ除去回路（フィルタ回路：ＦＬＴ）、２１…位相調整回路（ＰＨＣ）、２２…位相同期回路（ＰＬＬ）、２３…比較器、２４…定電圧制御回路（ＡＶＲ）、２５…ダイオード、２６…比較器、２７…定電流制御回路（ＡＣＲ）、２８…ダイオード、２９…加算器、３０…比較器、３１…立上りパルス生成回路、３２…位相同期制御信号生成回路、３３…順変換器制御信号生成回路、３４…ゲート信号生成回路、ＣＴ１…電流検出用変流器、ＩＦＢ…入力電流、ＩＲＥＦ…基準電流、ＲＥＣＥＣ…順変換器制御信号、ＲＥＣＧＡＴＥ…ゲート信号、ＲＥＣＰＬＬ…位相同期制御信号、ＶＦＢ…出力電圧、ＶＲＥＦ…基準電圧、ＶＳＹＮ…同期信号、ＶＴ１…電圧検出用変圧器、ＶＴ２…電圧検出用変圧器。

Claims

交流電源からの交流電力を、位相制御によって直流電力に変換する順変換器と、当該直流電力を所定周波数の交流電力に変換する逆変換器と、前記逆変換器からの交流電力を印加して誘導加熱を生じさせる加熱コイルと、前記交流電源の出力波形に応じた同期信号に基づいて、前記順変換器の点弧位相を制御する順変換器制御回路とを備え、
前記順変換器制御回路は、
前記同期信号に含まれる高調波ノイズを除去するノイズ除去回路と、
前記高調波ノイズが除去された同期信号のゼロクロス点に同期した位相同期制御信号を生成する位相同期回路と、
前記逆変換器からの出力電圧と、前記順変換器への入力電流とに基づいて、前記順変換器の点弧位相を制御する順変換器制御信号を生成する順変換器制御信号生成回路と、
前記位相同期制御信号と前記順変換器制御信号との電圧差に基づいて、前記順変換器を規定の位相で点弧させるゲート信号を生成するゲート信号生成回路とを有することを特徴とする誘導加熱装置。
前記ノイズ除去回路は、ローパスフィルタを有し、
前記順変換器制御回路は、前記ローパスフィルタにより前記高調波ノイズが除去された同期信号の位相を、前記交流電源からの同期信号の位相に同期するように調整する位相調整回路を有することを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
前記順変換器制御信号生成回路は、
前記逆変換器からの出力電圧と基準電圧との電圧差に基づいて所定レベルの電圧信号を生成する定電圧制御回路と、
前記順変換器への入力電流と基準電流との電流差に基づいて所定レベルの電流信号を生成する定電流制御回路と、
前記電圧信号及び前記電流信号をそれぞれダイオードクランプし、前記順変換器制御信号を生成する加算器と
を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘導加熱装置。