感應(yīng)加熱裝置、感應(yīng)加熱裝置的控制方法以及控制程序的制作方法
【專(zhuān)利摘要】具有：接近配置的多個(gè)感應(yīng)加熱線圈（11、12、13）；與該感應(yīng)加熱線圈（11、12、13）分別串聯(lián)連接的電容器（21、22、23）；多個(gè)逆變裝置（30、35、31），它們將從直流電壓變換而成的高頻電壓施加到各個(gè)所述感應(yīng)加熱線圈和電容器的串聯(lián)諧振電路；以及控制電路（50），其進(jìn)行控制，使得多個(gè)逆變裝置頻率相同且電流同步，并且，向多個(gè)感應(yīng)加熱線圈供給最大電力的特定逆變裝置產(chǎn)生的高頻電壓與流過(guò)串聯(lián)諧振電路的諧振電流之間的相位差最小，將施加到多個(gè)逆變裝置的直流電源電壓（Vdc）設(shè)定成使得逆變裝置的輸出電壓（Vinv）超過(guò)互感電壓（Vm）的電壓。
【專(zhuān)利說(shuō)明】感應(yīng)加熱裝置、感應(yīng)加熱裝置的控制方法以及控制程序
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及具有向感應(yīng)加熱線圈提供高頻電力的逆變裝置的感應(yīng)加熱裝置、感應(yīng)加熱裝置的控制方法以及控制程序。
【背景技術(shù)】
[0002]在對(duì)鋼坯(billet:鑄錠)進(jìn)行鍛造、壓制和推出而精加工成各種產(chǎn)品之前，例如需要將鋼坯加熱到穩(wěn)定溫度1250°C使其軟化。在要用單一的線圈將棒狀的鋼坯保持在穩(wěn)定溫度時(shí)，溫度分布變得不均勻，因此在準(zhǔn)備(stand by)時(shí)、從準(zhǔn)備時(shí)轉(zhuǎn)移到通常加熱時(shí)等，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生沒(méi)有在過(guò)渡時(shí)變成預(yù)定溫度的無(wú)用的燒制材料。此外，在要將兩端部保持在穩(wěn)定溫度時(shí)，中央部變成高溫，有時(shí)爐自身也會(huì)熔化。因此，在加熱中采用感應(yīng)加熱裝置，該感應(yīng)加熱裝置將感應(yīng)加熱線圈分割成多個(gè)，按照分割而成的每個(gè)感應(yīng)加熱線圈單獨(dú)地連接高頻電源(例如逆變器)而進(jìn)行電力控制。
[0003]但是，分割而成的各個(gè)感應(yīng)加熱線圈彼此靠近，以防止感應(yīng)加熱線圈間的溫度降低，因此存在互感M，成為產(chǎn)生互感電壓的狀態(tài)。因此，各逆變器成為經(jīng)由互感M而并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，在逆變器彼此之間電流相位存在偏差的情況下，有時(shí)在逆變器彼此之間發(fā)生電力交換。即，由于各逆變器的電流相位的偏差，在分割而成的感應(yīng)加熱線圈之間，磁場(chǎng)產(chǎn)生相位差，因此在相鄰的感應(yīng)加熱線圈的邊界附近磁場(chǎng)減弱，基于感應(yīng)加熱電力的發(fā)熱密度下降。結(jié)果，有可能在被加熱物(鋼坯或晶片等)的表面產(chǎn)生溫度不均。
[0004]因此，由發(fā)明人等提出了如下的“區(qū)域控制感應(yīng)加熱(Zone ControlledInduction Heating:ZCIH)”的技術(shù):即使在相鄰的感應(yīng)加熱線圈之間存在互感M而產(chǎn)生互感電壓的狀況下，也能夠使得在逆變器彼此之間不流過(guò)循環(huán)電流，并且使得發(fā)熱密度不會(huì)在分割而成的感應(yīng)加熱線圈的邊界附近下降，從而進(jìn)行感應(yīng)加熱電力的適當(dāng)控制。根據(jù)該ZCIH技術(shù)，各電源單元分別構(gòu)成為具備降壓斬波器和電壓形逆變器(以下，簡(jiǎn)稱(chēng)作逆變器)。并且，被分割成多個(gè)電力供給區(qū)域的各電源單元單獨(dú)地與分割而成的各個(gè)感應(yīng)加熱線圈連接而進(jìn)行電力供給。
[0005]此時(shí)，各電源單元中的各個(gè)逆變器被進(jìn)行電流同步控制(即電流相位的同步控制)，使流過(guò)各逆變器的電流相位一致，從而使得在多個(gè)逆變器彼此之間不流過(guò)循環(huán)電流。換言之，使得在多個(gè)逆變器之間不會(huì)發(fā)生電流交換，從而使得不會(huì)由于流入逆變器的再生電力而產(chǎn)生過(guò)電壓。另外，逆變器通過(guò)使流過(guò)分割而成的各個(gè)感應(yīng)加熱線圈的電流相位一致，使得基于感應(yīng)加熱電力的發(fā)熱密度不會(huì)在各感應(yīng)加熱線圈的邊界附近急劇下降。
[0006]而且，各降壓斬波器改變各個(gè)逆變器的輸入直流電壓，從而進(jìn)行各逆變器的電流振幅控制，進(jìn)行向各感應(yīng)加熱線圈供給的感應(yīng)加熱電力的控制。即，專(zhuān)利文獻(xiàn)I公開(kāi)的ZCIH技術(shù)通過(guò)按照每個(gè)降壓斬波器進(jìn)行電流振幅控制，從而按照每個(gè)區(qū)域進(jìn)行感應(yīng)加熱線圈的電力控制，并通過(guò)各逆變器的電流同步控制，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)逆變器彼此之間的循環(huán)電流的抑制和各感應(yīng)加熱線圈的邊界附近基于感應(yīng)加熱電力的發(fā)熱密度的均勻化。使用這樣的ZCIH技術(shù)，降壓斬波器的控制系統(tǒng)和逆變器的控制系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)的控制，從而能夠任意地控制被加熱物上的發(fā)熱分布。即，通過(guò)專(zhuān)利文獻(xiàn)I公開(kāi)的ZCIH技術(shù)，能夠進(jìn)行快速且精密的溫度控制以及溫度分布控制。
[0007]專(zhuān)利文獻(xiàn)I中記載的技術(shù)公開(kāi)有逆變器電路，在該逆變器電路中，與加熱線圈串聯(lián)地連接諧振電容器而構(gòu)成電流諧振逆變裝置，并且，將單一的整流裝置(斬波器)作為供給直流電力的電源連接到多個(gè)諧振型逆變裝置，通過(guò)改變公共施加到多個(gè)諧振型逆變裝置的電源電壓，增長(zhǎng)矩形波電壓的上升定時(shí)與諧振電流的過(guò)零定時(shí)之間的相位差，實(shí)現(xiàn)ZVS(Zero Voltage Switching:零電壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作),從而減少了整流二極管的恢復(fù)損耗。
[0008]此外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中公開(kāi)有向與多個(gè)感應(yīng)加熱線圈單獨(dú)地連接的逆變器同時(shí)供給直流電力而使多個(gè)感應(yīng)加熱線圈同時(shí)工作的技術(shù)。該技術(shù)是如下技術(shù):求出使額定輸出電流運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的額定時(shí)輸出電壓、和額定時(shí)電壓下降與額定時(shí)感應(yīng)電壓之和的比為預(yù)定值以上的系數(shù)，以及此時(shí)的控制對(duì)象逆變器的額定時(shí)輸出電壓與額定輸出電流之間的相位角，對(duì)控制對(duì)象逆變器的輸出頻率進(jìn)行控制，使得任意運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的控制對(duì)象逆變器能夠得到求出的系數(shù)(在實(shí)施方式中是“2”)和相位角。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0010]專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0011]【專(zhuān)利文獻(xiàn)I】日本特開(kāi)2010-287447號(hào)公報(bào)
[0012]【專(zhuān)利文獻(xiàn)2】日本特開(kāi)2004-134138號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]發(fā)明要解決的課題
.[0014]另外，不將感應(yīng)加熱線圈分割成多個(gè)的、由I個(gè)區(qū)域構(gòu)成的一般的感應(yīng)加熱裝置能夠使運(yùn)轉(zhuǎn)頻率追隨固有諧振頻率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠通過(guò)將逆變裝置的輸出矩形波電壓的上升定時(shí)與諧振電流的過(guò)零定時(shí)之間的相位差設(shè)為最小，進(jìn)行提高功率因數(shù)的最小相位角運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0015]關(guān)于這一點(diǎn)，在將感應(yīng)加熱線圈分割成多個(gè)的專(zhuān)利文獻(xiàn)1、2的技術(shù)的情況下，相位角由于互感電壓而增大，因此無(wú)法在全部區(qū)域中進(jìn)行最小相位角控制。因此，可考慮僅在輸出電力較大的區(qū)域(區(qū)域2)中將相位角控制成最小。
[0016]但是，鋼坯存在超過(guò)居里點(diǎn)的溫度上升引起的從磁性體到非磁性體的變化、由被加熱物的形狀變化(空隙變化)引起的相位角變化(相位角降低)，從而具有固有諧振頻率變高并且諧振電流變成大約3倍的特性。
[0017]
冷料熱料空芯線圈
等效電阻R (比率)I0.3 0.15(大約7倍)
電感L (μΗ) 11884 110
[0018]在不是相位角最小控制對(duì)象的區(qū)域(區(qū)域1、區(qū)域3)快速變成超過(guò)居里點(diǎn)的溫度的情況下，電感L變小，因此固有諧振點(diǎn)變高。(當(dāng)固有諧振點(diǎn)變高時(shí)，在頻率恒定的逆變器中，用于流過(guò)預(yù)定電流的相位角降低，從而功率因數(shù)變良。)
[0019]但是,在固有諧振點(diǎn)變高時(shí),逆變器電壓Vinv小于互感電壓Vm(Vinv < Vm),從而流過(guò)急劇的相反相位電流(反向電流)(圖2的(a))。
[0020]例如，空線圈相對(duì)于冷料線圈，等效電阻R是1/7，因此互感電壓Vm不會(huì)發(fā)生變化，等效電阻的電壓下降Vk或等效電感的電壓下降\降低。結(jié)果，逆變器電壓Vinv有時(shí)小于互感電壓Vm，不能說(shuō)在全部的負(fù)載狀態(tài)下都能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0021]此外，當(dāng)區(qū)域1、區(qū)域3 (相鄰區(qū)域)變成穩(wěn)定溫度時(shí)輸出電流減少，因此最大輸出區(qū)域(該區(qū)域)的相位角有時(shí)變小。該情況下，諧振電流從負(fù)轉(zhuǎn)變成正時(shí)的過(guò)零定時(shí)與逆變器的矩形波輸出電壓的上升定時(shí)相比超前，有時(shí)無(wú)法維持ZVS。
[0022]例如，參照示出溫度變化的圖9，在加熱完成的穩(wěn)定溫度(1250°C)附近電流急劇降低，因此最先到達(dá)穩(wěn)定溫度的區(qū)域成為最小電流，未到達(dá)區(qū)域繼續(xù)是大電流。此時(shí)，在最小電流區(qū)域中，逆變器的輸出電壓Vinv比從相鄰的區(qū)域到達(dá)的互感電壓Vm小，無(wú)法進(jìn)行正
常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0023]因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種能夠確保應(yīng)輸出最大電力的區(qū)域的正常運(yùn)轉(zhuǎn)的感應(yīng)加熱裝置、感應(yīng)加熱裝置的控制方法以及控制程序。
[0024]用于解決課題的手段
[0025]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的一個(gè)方法是用最小相位角控制任意一臺(tái)或多臺(tái)逆變裝置，并且，對(duì)施加到所述逆變裝置的電源電壓進(jìn)行變更，以使各個(gè)所述逆變裝置的輸出電壓(Vinv)超過(guò)互感電壓(Vm)。
[0026]在此，將不論逆變裝置的輸出電壓(高頻電壓)是怎樣的頻率都不會(huì)使其相對(duì)于電流(Iin)變成滯后相位(即諧振電流是超前相位)的相位角稱(chēng)作最小相位角。因此，將輸出電壓(Vinv)設(shè)定成比從相鄰區(qū)域到來(lái)的互感電壓(Vml2、Vm32)大的值(Vinv > Vml2、Vinv> Vm32)。Vinv=Vm時(shí)的相位角(最小相位角)是30° (參照?qǐng)D2的(C))。
[0027]優(yōu)選控制成任意一臺(tái)或多臺(tái)逆變器(優(yōu)選是最大輸出逆變器、全部逆變器)成為最小相位角。
[0028]此外，對(duì)施加到所述逆變裝置的電源電壓進(jìn)行變更，以使各個(gè)所述逆變裝置的輸出電壓(Vinv)處于超過(guò)互感電壓(Vm)到所述互感電壓的2倍為止的范圍內(nèi)。
[0029]將輸出電壓(Vinv)設(shè)定成比從相鄰區(qū)域到來(lái)的互感電壓(Vml2、Vm32)之和大的值(Vinv >(Vml2 + Vm32))。特別地，在從相鄰區(qū)域到來(lái)的互感電壓(Vml2、Vm32)相等時(shí)，Vinv > 2 I Vm I ο
[0030]所述感應(yīng)加熱裝置的特征在于，所述感應(yīng)加熱裝置還具有使用商用電源改變所述電源電壓的整流裝置，
[0031]在所述逆變裝置產(chǎn)生對(duì)振幅進(jìn)行調(diào)制后的等效正弦波電壓時(shí)，所述輸出電壓是對(duì)將所述電源電壓(Vdc)除以2的平方根后的值乘以調(diào)制系數(shù)而得到的值，
[0032]在所述逆變裝置是斬波器時(shí)，所述輸出電壓(Vinv)被規(guī)定成對(duì)所述電源電壓乘以占空比(Duty)而得到的值。例如，所述輸出電壓(Vinv)被設(shè)定成對(duì)所述電源電壓乘以占空比(Duty)和波形失真率(0.9)而得到的值。
[0033]發(fā)明效果
[0034]根據(jù)本發(fā)明，能夠確保應(yīng)輸出最大電力的區(qū)域的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，在使用多個(gè)感應(yīng)加熱線圈和多個(gè)逆變裝置的情況下，能夠使它們追隨固有諧振頻率，將流過(guò)各感應(yīng)加熱線圈的大致諧振電流設(shè)為相位滯后模式。另外，供給最大電力的逆變裝置能夠通過(guò)進(jìn)行最小相位角控制來(lái)降低變換器電容。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的感應(yīng)加熱裝置中使用的鋼坯加熱器的剖視圖。
[0036]圖2是鋼坯加熱器的等效電路圖以及用于說(shuō)明動(dòng)作的矢量圖。
[0037]圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的感應(yīng)加熱裝置的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0038]圖4是用于說(shuō)明在冷料和熱料中不同的諧振特性的頻率一電流特性圖。
[0039]圖5是用于說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的感應(yīng)加熱裝置的整流裝置以及逆變裝置的電路圖。
[0040]圖6是用于說(shuō)明等效正弦波電壓以及平均值控制的說(shuō)明圖。
[0041]圖7是控制逆變裝置的控制單元的結(jié)構(gòu)框圖。
[0042]圖8是控制斬波器的控制單元的結(jié)構(gòu)框圖。
[0043]圖9是示出各區(qū)域的溫度變化的圖。
[0044]圖10是使用IPM模塊的第2實(shí)施方式的電路圖。
[0045]圖11是使用IPM模塊的第3實(shí)施方式的電路圖。
[0046]圖12是使用高次諧振防止電抗器的第4實(shí)施方式的電路圖。
[0047]圖13是用于說(shuō)明使用矩形波電壓時(shí)的動(dòng)作的波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048]下面，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的本實(shí)施方式。另外，各圖僅是概略示出到能夠充分理解本發(fā)明的程度。因此，本發(fā)明不僅僅限定于圖示例。此外，在各圖中，對(duì)共同的結(jié)構(gòu)要素或相同的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)注相同的標(biāo)號(hào)，并省略其重復(fù)說(shuō)明。
[0049](第I實(shí)施方式)
[0050](整體結(jié)構(gòu))
[0051]圖1的(a) (b)是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的感應(yīng)加熱裝置中使用的鋼坯加熱器的構(gòu)造圖，圖2是鋼坯加熱器的等效電路圖以及用于說(shuō)明動(dòng)作的矢量圖，圖3是感應(yīng)加熱裝置的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0052]如圖1的(a) (b)所示，鋼坯加熱器10構(gòu)成為以作為加熱對(duì)象的圓柱狀的鋼坯(鑄錠)I為中心，具有同心圓狀的耐火材料和絕熱材料，在絕熱材料的外周表面卷繞感應(yīng)加熱線圈。該耐火材料和絕熱材料避免被加熱到高溫的鋼坯的散熱，并且，使得線圈導(dǎo)線束不會(huì)熔斷。另外，鋼坯I的直徑是直徑55mm。
[0053]在圖1的(a)的軸向剖視圖中，感應(yīng)加熱線圈隔著空隙被3分割成區(qū)域I?區(qū)域3，由分割而成的感應(yīng)加熱線圈11、12、13構(gòu)成。另外，有時(shí)將感應(yīng)加熱線圈12稱(chēng)作感應(yīng)加熱中央線圈，將感應(yīng)加熱線圈11、13稱(chēng)作感應(yīng)加熱相鄰線圈。
[0054]在對(duì)鋼坯I進(jìn)行感應(yīng)加熱的情況下，產(chǎn)生渦電流損耗，因此感應(yīng)加熱線圈11、12、13可用等效電感器和等效電阻器的串聯(lián)電路等效表現(xiàn)(圖2的(a))。此外，如圖3所示，感應(yīng)加熱線圈11、12、13分別與電容器21、22、23串聯(lián)連接。因此，感應(yīng)加熱線圈11、12、13以及電容器21、22、23的串聯(lián)電路被等效地表現(xiàn)成RLC串聯(lián)諧振電路，表現(xiàn)成在其一端連接有輸出電壓Vinv的逆變器電源Einv，在另一端連接有互感電壓Vm的交流電源Em (圖2的(a))。由此，流過(guò)逆變器電流Iinv (實(shí)線箭頭)，反向流過(guò)互感電流Im (虛線箭頭)。為了不流過(guò)反向電流，逆變裝置30、35、31 (圖3)的輸出電壓Vinv必須比互感電壓Vm高。
[0055]此外，由于穩(wěn)定溫度(1250°C)已超過(guò)居里點(diǎn)(740°C?770°C)，因此鋼坯I從磁性體變化成非磁性體。因此,固有諧振頻率變高,并且諧振電流變成大約3倍?；ジ须妷篤m的相位根據(jù)頻率變化360°，示出圓形的軌跡(圖2的(b))，因此為了使得不論逆變器(逆變裝置35)的輸出電壓(逆變器電壓Vinv)是怎樣的頻率都不會(huì)變成滯后相位(即諧振電流是超前相位)，將輸出電壓(逆變器電壓Vinv)設(shè)定成比從相鄰區(qū)域(區(qū)域1、區(qū)域3)到來(lái)的互感電壓Vml2、Vm32之和大的值(Vinv > (Vml2 + Vm32))。當(dāng)從區(qū)域1、區(qū)域3到來(lái)的互感電壓 Vml2、Vm32 相等時(shí)，Vinv > 2 I Vm I , Vinv=2 I Vm I 時(shí)的相位角是 30° (圖 2 的(c)的a點(diǎn))。
[0056]在圖3的電路結(jié)構(gòu)圖中，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的感應(yīng)加熱裝置100構(gòu)成為具有2組鋼坯加熱器10 (10a、10b)、2組電容器單元20 (20a、20b)、2組逆變裝置30 (30a、30b)、35 (35a、35b)、31 (31a、31b)、整流裝置40以及控制單元50。
[0057]如使用圖1說(shuō)明的那樣，鋼坯加熱器10具有電感L1、L2、L3的感應(yīng)加熱線圈11、
12、13，將感應(yīng)加熱線圈11、12的互感設(shè)為M12，將感應(yīng)加熱線圈12、13的互感設(shè)為M23。另外，感應(yīng)加熱線圈L1、L3之間的距離較長(zhǎng)，因此其互感忽略不計(jì)。
[0058]電容器單元20內(nèi)置有電容CcilXci2Xtl3的3個(gè)電容器21、22、23。電容器21、22、23分別與感應(yīng)加熱線圈11、12、13串聯(lián)連接，從而構(gòu)成LC諧振電路。
[0059]圖4是示出在鋼坯的冷料和熱料中發(fā)生變化的頻率特性的各區(qū)域的頻率一電流特性圖。圖4的(a)示出區(qū)域1、區(qū)域3的冷料的特性，圖4的(b)示出區(qū)域1、區(qū)域3的熱料的特性，圖4的(c)示出區(qū)域2的冷料的特性，圖4的(d)示出區(qū)域2的熱料的特性。由圖可知，熱料的電流與冷料的電流相比增加至3倍。
[0060]如圖4的(b) (C)所示，感應(yīng)加熱裝置100設(shè)定電容器21、22、23 (圖3)的電容CcilXci2Xtl3，使得區(qū)域1、區(qū)域3的熱時(shí)固有諧振頻率(350Hz)比最大電力區(qū)域(區(qū)域2)的冷料時(shí)固有諧振頻率(400Hz)低。
[0061]換言之，感應(yīng)加熱裝置100在區(qū)域I從區(qū)域2、區(qū)域3受到互感電壓(分別是Vm21、Vm31)時(shí)，設(shè)定電容器21、22的電容，使得區(qū)域I的逆變裝置30的輸出電壓(逆變器電壓Vinv)變成比從區(qū)域2、區(qū)域3到來(lái)的互感電壓高的值(Vinv > Vm21或Vinv > Vm31)。同樣，感應(yīng)加熱裝置100設(shè)定電容器22、23的電容，使得區(qū)域3的逆變裝置31的輸出電壓(逆變器電壓Vinv)變成比從區(qū)域2、區(qū)域I到來(lái)的互感電壓高的值(Vinv > Vm23或Vinv >Vml3)0
[0062]此外，熱料的諧振頻率比冷料的諧振頻率高，因此由圖4的(C) Cd)可知，感應(yīng)加熱裝置100能夠通過(guò)將逆變器電壓Vinv設(shè)為相同并且在各個(gè)區(qū)域中進(jìn)行追隨固有諧振頻率的變化的控制，將各區(qū)域的諧振電流設(shè)為相同。
[0063]S卩，感應(yīng)加熱裝置100在區(qū)域2中對(duì)固有諧振點(diǎn)400Hz的冷料進(jìn)行加熱而使其變成熱料時(shí)，諧振電流增加至3倍，并且固有諧振點(diǎn)上升至550Hz。通過(guò)追隨550Hz的固有諧振點(diǎn)，諧振電流減少，能夠控制成與冷料的諧振電流相同。此時(shí)，感應(yīng)加熱裝置100在區(qū)域
1、區(qū)域3中將固有諧振頻率較低地設(shè)定成350Hz，但是以與區(qū)域2相同頻率的550Hz進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此諧振電流進(jìn)一步減少。即，區(qū)域1、區(qū)域3從區(qū)域2受到的互感電壓不發(fā)生變化，因此逆變裝置30、31的輸出電壓(逆變器電壓Vinv)減少。
[0064]圖3所示的逆變裝置30 (31)具有串聯(lián)連接的電解電容器CF1、Cf2以及2個(gè)IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絕緣柵型雙極晶體管)Qll、Q12 (Q31、Q32),構(gòu)成半橋電路，經(jīng)由電容器21、23向感應(yīng)加熱線圈11、13供給電力。
[0065]在逆變裝置30 (31)中，晶體管Qll的發(fā)射極端與晶體管Q12的集電極端連接，向晶體管Qll的集電極端與晶體管Q12的發(fā)射極端之間施加直流電壓Vdc，向串聯(lián)連接的電解電容器Cf1、Cf2施加直流電壓Vdc。
[0066]在感應(yīng)加熱裝置100中，晶體管Qll的發(fā)射極端和晶體管Q12的集電極端的連接點(diǎn)與電容器21的一端連接，電容器21的另一端與感應(yīng)加熱線圈11的一端連接，感應(yīng)加熱線圈11的另一端與電解電容器CF1、CF2的連接點(diǎn)P連接。
[0067]逆變裝置35具有單一的電解電容器CF3和4個(gè)晶體管Q21、Q22、Q23、Q24，構(gòu)成全橋電路，經(jīng)由電容器22向感應(yīng)加熱線圈12供給比逆變裝置30、31大的電力。
[0068]在逆變裝置35中，晶體管Q21的發(fā)射極端與晶體管Q22的集電極端連接，晶體管Q23的發(fā)射極端與晶體管Q24的集電極端連接，向晶體管Q21、Q23的集電極端和晶體管Q22、Q24的發(fā)射極端施加直流電壓Vdc，向電解電容器CF3施加直流電壓Vdc。在感應(yīng)加熱裝置100中，晶體管Q23的發(fā)射極端和晶體管Q24的集電極端的連接點(diǎn)與電容器22的一端連接，電容器22的另一端與感應(yīng)加熱線圈12的一端連接。
[0069]此外，在感應(yīng)加熱裝置100中，晶體管Q21的發(fā)射極端和晶體管Q22的集電極端的連接點(diǎn)與感應(yīng)加熱線圈12的另一端連接。
[0070]逆變裝置31的結(jié)構(gòu)與逆變裝置30相同，逆變裝置30b、35b、31b的結(jié)構(gòu)與逆變裝置 30a、35a、31a 相同。
[0071]整流裝置40由二極管橋41和斬波器45 (圖5)構(gòu)成，使用商用電源AC產(chǎn)生直流電壓Vdc，向第I逆變裝置集合體(逆變裝置30a、35a、31a)和第2逆變裝置集合體(逆變裝置30b、35b、31b)進(jìn)行電力供給。由此，整流裝置40向逆變裝置30a、35a、31a施加相同的直流電壓Vdc。
[0072]另外，如此前使用圖4說(shuō)明的那樣，電容器21、22、23設(shè)定電容h、Ctl2、Ctl3，使得區(qū)域1、區(qū)域3的熱時(shí)固有諧振頻率比最大電力區(qū)域(區(qū)域2)的冷料時(shí)固有諧振頻率低。
[0073]圖5是用于說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的感應(yīng)加熱裝置的整流裝置以及逆變裝置的電路圖。
[0074]整流裝置40a具有二極管橋41、電解電容器42、作為開(kāi)關(guān)元件的晶體管(IGBT)Q41、Q42、整流二極管以及平滑電抗器L。二極管橋41對(duì)商用電源的交流電壓進(jìn)行全波整流。電解電容器42對(duì)由二極管橋41整流后的直流電壓進(jìn)行平滑。晶體管Q41、Q42以及整流二極管以預(yù)定的占空比使電解電容器42的兩端電壓VdcO斷續(xù)，從而生成矩形波電壓。平滑電抗器L對(duì)IGBTQ41、Q42生成的矩形波電壓進(jìn)行平滑。
[0075]逆變裝置35a與上述結(jié)構(gòu)相同，但是，也可以替代電解電容器CF3而使用電容較小的薄膜電容器(電容器CF4)。另外，將直流電壓Vdc稱(chēng)作電容器CF3、CF4的兩端電壓。
[0076](控制單元的功能)
[0077]控制單元50生成對(duì)逆變裝置30、31、35內(nèi)部的晶體管(IGBT)的柵極進(jìn)行控制的柵極信號(hào)，由 ROM (Read Only Memory:只讀存儲(chǔ)器)、RAM (Random Access Memory:隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、CPU (Central Processing Unit:中央處理單元)構(gòu)成,通過(guò)由CPU執(zhí)行存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)的預(yù)定程序，實(shí)現(xiàn)下述功能。
[0078]I)使全部區(qū)域以同一頻率，電流同步地運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0079]分割而成的感應(yīng)加熱線圈11、12、13相互接近，因此存在互感M12、M23，成為產(chǎn)生互感電壓Vm的狀態(tài)。為了避免伴隨在逆變裝置相互之間產(chǎn)生的電力交換而產(chǎn)生的感應(yīng)加熱線圈間的磁場(chǎng)的相位差，使區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3以同一頻率且以同步的正弦波電流運(yùn)轉(zhuǎn)。由此，能夠避免發(fā)熱量局部降低而產(chǎn)生發(fā)熱不均的現(xiàn)象。
[0080]2)控制單元50使逆變裝置30、35、31作為PWM非諧振逆變器發(fā)揮功能。具體而言，逆變裝置30、35、31需要實(shí)現(xiàn)ZVS，因此產(chǎn)生用預(yù)定運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的正弦波信號(hào)(Sin on)對(duì)預(yù)定載波頻率的矩形波電壓進(jìn)行PWM調(diào)制后的矩形波狀的等效正弦波電壓(在作為全橋電路的逆變裝置35中是圖6的(a))。該等效正弦波電壓利用L 一 R時(shí)間常數(shù)((LI 一 C01)R時(shí)間常數(shù))進(jìn)行平均化，在感應(yīng)加熱線圈11、12、13中流過(guò)大致正弦波形的線圈電流。并且，控制單元50進(jìn)行使同步控制時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)于諧振時(shí)間常數(shù)(T=2L/R)的平均值控制(參照?qǐng)D6的(b))，對(duì)逆變裝置30、35、31的等效正弦波電壓進(jìn)行反饋控制，使得線圈電流的頻率變成目標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率且相位變成目標(biāo)相位。另外，將該目標(biāo)相位稱(chēng)作生成等效正弦波的正弦波信號(hào)從負(fù)轉(zhuǎn)變成正的過(guò)零點(diǎn)、與大致正弦波形的線圈電流從負(fù)轉(zhuǎn)變成正的過(guò)零點(diǎn)之間的相位。由此，控制單元50通過(guò)PWM控制，使用載波頻率SkHz的三角波信號(hào)，生成運(yùn)轉(zhuǎn)頻率IkHz的等效正弦波信號(hào)，對(duì)逆變裝置30、35、31內(nèi)部的IGBT的柵極進(jìn)行控制。
[0081]3)最小相位角控制
[0082]輸出最大電力的區(qū)域2的逆變裝置35追隨固有諧振頻率進(jìn)行最小相位角控制。以下說(shuō)明最小相位角控制。
[0083]控制成最大輸出區(qū)域(區(qū)域2)的最小相位角(例如30° )。
[0084]具體而言，如上所述，將最小相位角設(shè)定成，輸出電壓(逆變器電壓Vinv)變成比從相鄰區(qū)域(區(qū)域1、區(qū)域3)到來(lái)的互感電壓Vml2、Vm32之和大的值(Vinv > (Vml2 + Vm32))。當(dāng)從區(qū)域1、區(qū)域3到來(lái)的互感電壓￥11112、￥11132相等時(shí)，￥丨鮮>2 I Vm I (圖2的(c))，此時(shí)的最小相位角是30°。
[0085]另外，為了即使存在固有諧振頻率的變化，也始終輸出大于從其它區(qū)域到來(lái)的互感電壓Vm的逆變器電壓Vinv，還要考慮以使得成為足夠大的相位角的固定頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，產(chǎn)生以下的問(wèn)題。
[0086]a)賦予了足夠大的相位角，因此無(wú)法進(jìn)行高功率因數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0087]b)現(xiàn)有的逆變裝置產(chǎn)生了超過(guò)互感電壓Vm的逆變器電壓Vinv，因此電壓電流額定(有效功率VdcX Idc)需要余量。
[0088]此外，在ZCIH中，相對(duì)于額定功率以最大比率輸出的區(qū)域成為最小相位角，因此，以區(qū)域1、區(qū)域3的熱料的固有諧振點(diǎn)(350Hz)低于區(qū)域2的冷料的固有諧振點(diǎn)(400Hz)的方式設(shè)定電容(圖2的(a))。另外，區(qū)域1、區(qū)域3的線圈電壓較低，因此也可以沒(méi)有電容器。
[0089](控制單元的結(jié)構(gòu))
[0090]接著，對(duì)用于控制逆變裝置30、31、35以及整流裝置(斬波器)45的控制單元50的結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體說(shuō)明。
[0091]圖7是控制逆變裝置30、31、35的控制單元50a的結(jié)構(gòu)框圖，示出控制區(qū)域1、區(qū)域3的控制單元的結(jié)構(gòu)圖，但是，區(qū)域2的控制單元的結(jié)構(gòu)圖也是相同的。控制單元50a在外部具有A/D變換器，檢測(cè)線圈電流k。
[0092]控制單元50a具有振幅運(yùn)算器201、目標(biāo)電流生成器202、加法器203、PI運(yùn)算器204、208、過(guò)零檢測(cè)器205、電流同步用基準(zhǔn)相位信號(hào)生成器206、同步偏差檢測(cè)器207、電壓指令值運(yùn)算器209、三角波比較器210、頻率設(shè)定器211、相位角比較器215、30 °基準(zhǔn)值生成器216、比較器217、219以及PI控制器218。
[0093]振幅運(yùn)算器201運(yùn)算對(duì)線圈電流k進(jìn)行A/D變換后的變換值L的振幅。目標(biāo)電流生成器202生成線圈電流k的目標(biāo)值。加法器203從目標(biāo)電流生成器202的輸出值中減去振幅運(yùn)算器201的輸出波形而輸出誤差信號(hào)。PI控制器204對(duì)加法器203輸出的誤差信號(hào)進(jìn)行比例積分運(yùn)算。
[0094]過(guò)零檢測(cè)器205使用對(duì)線圈電流k進(jìn)行A/D變換后的變換值Iy運(yùn)算線圈電流k從負(fù)變化成正時(shí)的過(guò)零點(diǎn)。電流同步用基準(zhǔn)相位信號(hào)生成器206為了使流過(guò)感應(yīng)加熱線圈
11、12、13的線圈電流同步，輸出與目標(biāo)電流生成器202之間的相位差的基準(zhǔn)值。該基準(zhǔn)值在區(qū)域2的情況下，被設(shè)定成30°的最小相位角，在區(qū)域1、區(qū)域3的情況下，由于功耗較小，也可以是大于最小相位角的值。
[0095]同步偏差檢測(cè)器207對(duì)電流同步用基準(zhǔn)相位信號(hào)生成器206的輸出值與過(guò)零檢測(cè)器205的輸出值之間的差分(同步偏差)進(jìn)行檢測(cè)。PI控制器208對(duì)同步偏差檢測(cè)器206的輸出偏差進(jìn)行比例積分運(yùn)算。
[0096]電壓指令運(yùn)算器209根據(jù)PI控制器204、208的輸出信號(hào)以及頻率指令值f \生成示出運(yùn)轉(zhuǎn)頻率IkHz的正弦波形的電壓指令值Vinv '頻率設(shè)定器211輸出載波頻率8kHz的值。三角波比較器210對(duì)電壓指令值Vim與頻率設(shè)定器211設(shè)定的載波頻率的三角波信號(hào)進(jìn)行比較，生成PWM控制信號(hào)。PWM控制信號(hào)被輸入到逆變裝置30、35、31，通過(guò)將流過(guò)感應(yīng)加熱線圈11、12、13的線圈電流k作為A/D變換值L進(jìn)行反饋，線圈電流k的振幅收斂成運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的正弦波信號(hào)的波形，線圈電流k從負(fù)變化成正時(shí)的相位在各區(qū)域中一致。此外，示出正弦波形的電壓指令值Vim的過(guò)零點(diǎn)與三角波信號(hào)的反轉(zhuǎn)定時(shí)一致。由此，對(duì)于逆變裝置30、35、31的輸出電壓Vinv，在電壓指令值Vinv*過(guò)零時(shí)矩形波狀電壓正負(fù)反轉(zhuǎn)，并且，在原點(diǎn)O處正負(fù)反轉(zhuǎn)前后的轉(zhuǎn)變定時(shí)與過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間T1、T2 (圖6的(a))—致。
[0097]相位角比較器215對(duì)過(guò)零檢測(cè)器205的輸出相位與電壓指令值運(yùn)算器209輸出的電壓指令值Vinv *的相位進(jìn)行比較。S卩，相位角比較器215運(yùn)算電壓指令值Vinv *的正弦波信號(hào)與線圈電流之間的相位差，輸出電壓一電流相位差Qv' 30°生成器216輸出作為最小相位角的30°的值。
[0098]比較器217對(duì)相位角比較器215輸出的電壓一電流相位差θν*與30°的值進(jìn)行比較，在電壓一電流相位差Θ V*的值大于30°時(shí)，輸出負(fù)的恒定值，在電壓一電流相位差Θ V*的值小于30°時(shí)，輸出正的恒定值。此時(shí)，比較器217還對(duì)來(lái)自其它區(qū)域(區(qū)域2、區(qū)域3)的電壓一電流相位差與30°的值進(jìn)行比較。PI控制器218對(duì)比較器217的輸出信號(hào)進(jìn)行比例積分運(yùn)算，將大約IkHz的頻率指令值f*輸出到電壓指令值運(yùn)算器209。由此，在電壓一電流相位差Θ V*的值大于30°時(shí)，反饋控制成頻率指令值f*降低，在電壓一電流相位差θν*的值小于30°時(shí)，反饋控制成頻率指令值f*上升。[0099]比較器219對(duì)電壓指令值Vinv *與來(lái)自其它區(qū)域的互感電壓Vm的2倍(2Vm)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果輸出到電壓指令值運(yùn)算器209。在此，電壓指令值運(yùn)算器209在電壓指令值Vinv *小于來(lái)自其它區(qū)域的2Vm時(shí)，在輔助回路中進(jìn)行控制，以使電壓指令值Vinv *的值上升。另外，區(qū)域I從區(qū)域2、區(qū)域3受到的互感電壓Vm通過(guò)Vm= (M12i2 + M13i3)進(jìn)行運(yùn)笪
[0100]圖8是控制斬波器的控制單元的結(jié)構(gòu)框圖。
[0101]控制單元50b為了控制斬波器45，根據(jù)區(qū)域2的線圈電流L以及斬波器45的輸出矩形波電壓平滑后的直流電壓Vdc生成脈寬控制信號(hào)DUTY?？刂茊卧?0b具有增益單元255、259、加法器256、電壓控制器257以及脈寬信號(hào)生成器258。
[0102]增益單元255對(duì)區(qū)域2的線圈電流k的A/D變換值L2乘以互感系數(shù)M的2倍(2M)而輸出2ML。由于互感電壓Vm是MI因此增益單元255輸出2Vm。增益單元259對(duì)斬波器45的直流輸出電壓Vdc乘以波形失真率0.9。加法器256從增益單元255的輸出值中減去增益單元259的輸出值。
[0103]電壓控制器257使用加法器256輸出的偏差運(yùn)算直流電壓指令值Vdc '脈寬信號(hào)生成器258對(duì)直流電壓指令值Vdc *和固定頻率的三角波信號(hào)進(jìn)行比較，生成脈寬控制信號(hào)DUTY。通過(guò)輸入該脈寬控制信號(hào)DUTY作為斬波器45的柵極信號(hào)，斬波器45被反饋控制成輸出區(qū)域2的互感電壓的2倍的直流電壓。
[0104](效果)
[0105]根據(jù)本實(shí)施方式，以最大輸出區(qū)域(區(qū)域2)為對(duì)象的逆變裝置35進(jìn)行控制，使得逆變裝置輸出的矩形波電壓的上升定時(shí)與諧振電流從負(fù)轉(zhuǎn)變成正時(shí)的過(guò)零定時(shí)之間的相位角成為最小值。
[0106]將該最小相位角設(shè)定成，在從相鄰區(qū)域(區(qū)域1、區(qū)域3)受到互感電壓(Vml2、Vm32)時(shí)，作為最大輸出區(qū)域的中央?yún)^(qū)域(區(qū)域2)的逆變裝置35的輸出電壓(逆變器電壓Vinv)變成比從區(qū)域1、區(qū)域3到來(lái)的互感電壓(Vml2、Vm32)之和大的值(Vinv > (Vml2 +Vm32))。
[0107]此外，設(shè)定電容器21、22、23的電容，使得相鄰區(qū)域(區(qū)域1、區(qū)域3)的居里點(diǎn)以上的熱時(shí)固有諧振頻率在(最大電力區(qū)域(區(qū)域2)的)冷料時(shí)固有諧振頻率以下。即，設(shè)定電容器21、22、23的電容，使得在從區(qū)域2或區(qū)域3受到互感電壓(Vm21、Vm31)時(shí)，區(qū)域I的逆變裝置30的輸出電壓Vinv變成比互感電壓Vm21、Vm31高的值(Vinv > Vm21或Vinv >Vm31)0
[0108]逆變裝置30、35、31產(chǎn)生以預(yù)定的載波頻率進(jìn)行PWM調(diào)制后的等效正弦波電壓，該等效正弦波電壓利用L 一 R時(shí)間常數(shù)進(jìn)行平均化，在感應(yīng)加熱線圈11、12、13中流過(guò)大致正弦波形的線圈電流。由此，逆變裝置30、35、31能夠設(shè)為ZVS，因此整流二極管不會(huì)從導(dǎo)通狀態(tài)變成截止?fàn)顟B(tài)，不產(chǎn)生恢復(fù)電流。并且，逆變裝置30、35、31使同步控制時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)于諧振時(shí)間常數(shù)(T=2L/R)，對(duì)產(chǎn)生的等效正弦波電壓進(jìn)行PWM控制，使得線圈電流的頻率變成目標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率且相位變成目標(biāo)相位。即，逆變裝置30、35、31作為PWM諧振型逆變器發(fā)揮功倉(cāng)泛。
[0109]此外，對(duì)最大電力區(qū)域(區(qū)域2)進(jìn)行最小相位角控制。由此，能夠使相鄰區(qū)域(區(qū)域1、區(qū)域3)追隨感應(yīng)加熱線圈11、12、13的固有諧振頻率來(lái)進(jìn)行相位控制，因此能夠在使頻率相同且使電流同步的同時(shí)設(shè)為ZVS。另外，供給最大電力的逆變裝置35能夠通過(guò)進(jìn)行使得變成諧振電流相位滯后模式的控制以及最小相位角控制來(lái)降低變換器電容。
[0110]因此，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)、以及基于高功率因數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)的效率提高和逆變裝置的低電容化(收斂于額定電容)。
[0111]圖9是示出各區(qū)域的溫度變化的圖。
[0112]在加熱完成的穩(wěn)定溫度(1250°C)附近，電流急劇降低。
[0113]因此，最先到達(dá)穩(wěn)定溫度的區(qū)域成為最小電流，未到達(dá)區(qū)域繼續(xù)是大電流。此時(shí)，在最小電流區(qū)域中，逆變器的輸出電壓Vinv比從相鄰的區(qū)域到達(dá)的互感電壓Vm小。因此，以Vm?2Vm的方式使斬波器45的輸出電壓上升。
[0114](第2實(shí)施方式)
[0115]在所述第I實(shí)施方式中，在逆變裝置30、31中使用半橋電路，在逆變裝置35中使用全橋電路而構(gòu)成獨(dú)立的電路,但是,在3個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)中，能夠使用三相IPM(InteligentPower Module:智能功率模塊)模塊進(jìn)行并聯(lián)連接。
[0116]圖10是使用IPM模塊的逆變裝置以及鋼坯加熱器的電路圖。
[0117]IPM模塊是以驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)為目的，對(duì)6個(gè)IGBT、6個(gè)整流二極管進(jìn)行模塊化和通用化而得到的。IPM模塊60具有電源端子V +、V —，輸出端子U、V、W以及柵極端子。
[0118]感應(yīng)加熱裝置101使用I個(gè)IPM模塊60，針對(duì)3個(gè)感應(yīng)加熱線圈11、12、13分別使半橋電路構(gòu)成3電路結(jié)構(gòu)，在電源端子V +、V —的兩端連接有串聯(lián)連接的電解電容器Cf1、Cf23，施加直流電壓Vdc。輸出端子1￥、胃分別與電容器24、25、26的一端連接，電容器24、25、26的另一端與感應(yīng) 加熱線圈11、12、13的一端連接，感應(yīng)加熱線圈11、12、13的另一端與電容器27、28、29的一端連接，電容器27、28、29的另一端一并與電解電容器CF1、CF2的連接點(diǎn)P連接。另外，電容器24、25、26、27、28、29的電容是電容器21、22、23 (圖2)的電容的2倍。
[0119]能夠通過(guò)使用IPM模塊60，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且小型的ZCIH，因此適合用于半導(dǎo)體的基板加熱的用途。
[0120](第3實(shí)施方式)
[0121]第2實(shí)施方式使用了 I個(gè)IPM模塊，但是，也能夠并聯(lián)連接2個(gè)以上的IPM模塊來(lái)
實(shí)現(xiàn)大容量化。
[0122]圖11是使用IPM模塊的逆變裝置、以及鋼坯加熱器周邊的電路圖。
[0123]感應(yīng)加熱裝置102具有2個(gè)IPM模塊60a、60b、電解電容器CF1、CF2、電容器24a、25a、26a、電容器27、28、29、電容器24b、25b、26b和感應(yīng)加熱線圈11、12、13。
[0124]IPM模塊60a、60b在其電源端子V +、V —的兩端連接有串聯(lián)連接的電解電容器Cf1、Cf2，施加直流電壓Vdc。IPM模塊60a的輸出端子UUVU Wl與電容器24a、25a、26a的一端連接，電容器24a、25a、26a的另一端與感應(yīng)加熱線圈11、12、13的一端以及電容器24b、25b,26b的一端連接，感應(yīng)加熱線圈11、12、13的另一端與電容器29、28、27的一端連接，電容器29、28、27的另一端一并與電解電容器Cf1、Cf2的連接點(diǎn)P連接。此外，電容器24b、25b、26b的另一端與IPM模塊60b的輸出端子U2、V2、W2連接。
[0125]根據(jù)本實(shí)施方式的感應(yīng)加熱裝置102，對(duì)使用IPM模塊60a、60b的各個(gè)逆變裝置的輸出電力進(jìn)行相加，因此能夠?qū)崿F(xiàn)輸出增大。[0126](第4實(shí)施方式)
[0127]所述第I實(shí)施方式在逆變裝置的電源側(cè)僅連接有電解電容器Cfi，但是，為了防止高次的電流成分環(huán)流到電源側(cè)，能夠按照每個(gè)逆變裝置設(shè)置低通濾波器。
[0128]圖12是使用高次諧振防止電抗器的第4實(shí)施方式的電路圖。
[0129]感應(yīng)加熱裝置103與第I實(shí)施方式同樣，具有逆變裝置30、35、31、電容器21、22、23和感應(yīng)加熱線圈11、12、13，進(jìn)而在逆變裝置30、35、31各自的電源側(cè)具有構(gòu)成LC低通濾波器的高次諧振電抗器73和電容器74，連接有3個(gè)高次諧振電抗器73的一端，并與電解電容器72的一端以及扼流線圈71的一端連接。扼流線圈71的另一端被施加直流電壓Vdc，電解電容器72的另一端以及電容器74的另一端接地。
[0130]高次諧振防止電抗器73以如下方式設(shè)定其電感，通過(guò)將其電感追加到布線的電感(幾μ H)，使得由與電容器74(例如1000 μ F)決定的諧振頻率f0低于高次諧振頻率2f0。
[0131]由此，能夠防止互感電動(dòng)勢(shì)Vm的高次諧振頻率2f0的成分環(huán)流到逆變裝置30、35、31的電源側(cè)。
[0132](第5實(shí)施方式)
[0133]對(duì)于所述各實(shí)施方式，在全部區(qū)域(區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3)中，控制單元50使逆變裝置30、35、31作為PWM諧振逆變器發(fā)揮功能，以運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的正弦波對(duì)載波頻率的矩形波電壓(高頻電壓)進(jìn)行PWM調(diào)制，輸出等效正弦波。加熱中心的區(qū)域2的供給電力變多，因此，控制單元50能夠使逆變裝置35作為輸出運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的矩形波電壓的電流諧振型逆變器發(fā)揮功能來(lái)減少損耗(參照日本特開(kāi)2010 - 287447號(hào)公報(bào))。
[0134]S卩，控制單元50對(duì)逆變裝置35控制脈寬，以變成正弦波電流從負(fù)過(guò)零成為正的過(guò)零定時(shí)與矩形波驅(qū)動(dòng)電壓的上升定時(shí)相比滯后的諧振電流相位滯后模式。由此，不會(huì)產(chǎn)生逆變裝置35內(nèi)部的整流二極管的逆恢復(fù)損耗。另外，該情況下，控制單元50還使逆變裝置30、31作為PWM諧振逆變器發(fā)揮功能。
[0135]圖13是用于說(shuō)明使用矩形波電壓時(shí)的動(dòng)作的波形圖。該波形圖示出逆變裝置35的輸出電壓Vinv (矩形波電壓波形)及其基波電壓波形和線圈電流波形，縱軸是電壓/電流，橫軸是相位(《t)。逆變裝置35的輸出電壓Vinv是用實(shí)線示出的正負(fù)對(duì)稱(chēng)的奇函數(shù)波形(矩形波電壓波形)，將其基波作為虛線的基波電壓波形示出。輸出電壓Vinv的最大振幅是土Vdc，相對(duì)于基波電壓波形的過(guò)零點(diǎn)設(shè)定控制角δ的相位角。S卩，逆變裝置35的輸出電壓Vinv的上升定時(shí)和下降定時(shí)雙方與基波電壓波形的過(guò)零定時(shí)具有控制角δ的相位差。此時(shí)，基波電壓波形的振幅是(4Vdc/Ji ).cos δ，頻率是運(yùn)轉(zhuǎn)頻率(IkHz)。
[0136]此外，用虛線表示的線圈電流波形k是比基波電壓波形的過(guò)零定時(shí)滯后相位差Θ的正弦波。
[0137](變形例)
[0138]本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，例如可進(jìn)行以下各種變形。
[0139](I)所述第I實(shí)施方式是在感應(yīng)加熱線圈11、12、13串聯(lián)連接電容器24、25、26，但是，也可以不在區(qū)域1、區(qū)域3的感應(yīng)加熱線圈11、13連接電容器24、26而直接耦合。
[0140]S卩，區(qū)域1、區(qū)域3的供給電力較少，因此能夠通過(guò)追加電容器而作為PWM非諧振逆變器發(fā)揮功能。這是因?yàn)閰^(qū)域1、區(qū)域3不需要降低輸出電壓Vinv而降低功率因數(shù)，或者降低逆變裝置的電容。[0141](2)所述第I實(shí)施方式是將逆變裝置30、35、31與電容器24、25、26和感應(yīng)加熱線圈11、12、13的串聯(lián)電路進(jìn)行直接連接，但是，能夠經(jīng)由匹配變壓器進(jìn)行連接。
[0142]例如，在以下方面是有效的:在電源電壓400Vdc時(shí)輸出電壓Vinv=200Vac即可的情況下，能夠通過(guò)匹配變壓器減小逆變器的輸出電流。
[0143](3)所述各實(shí)施方式說(shuō)明了向烘烤I根鋼坯的鋼坯加熱器(圖1)進(jìn)行電力供給的電路，但是在縱型爐或扁平型的螺旋線圈中也能夠使用。
[0144]在縱型爐中，將溫度容易降低的最下段區(qū)域設(shè)定成最大輸出，因此最小相位角控制的對(duì)象是最下段區(qū)域。對(duì)上方的區(qū)域設(shè)定電容器的電容，以使固有諧振點(diǎn)比最下段區(qū)域的固有諧振點(diǎn)低。
[0145]在扁平型的螺旋線圈中，最外周區(qū)域成為最大輸出，因此將最外周區(qū)域設(shè)為相位角恒定控制的對(duì)象。對(duì)其它區(qū)域設(shè)定電容，以使固有諧振點(diǎn)與最外周區(qū)域的固有諧振點(diǎn)相比處于下方。另外，設(shè)中心線圈(異常點(diǎn))的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率是200kHz，其它線圈的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率是40kHz ο
[0146](4)所述各實(shí)施方式是進(jìn)行金屬鋼坯的直接感應(yīng)加熱，但是，能夠?qū)ψ鳛榉谴判泽w的石墨進(jìn)行感應(yīng)加熱，對(duì)半導(dǎo)體晶片等進(jìn)行間接加熱。
[0147]對(duì)輸出最大輸出的區(qū)域進(jìn)行最小相位角控制，對(duì)其它區(qū)域的電容器也設(shè)定電容，以使固有諧振點(diǎn)與最下段區(qū)域的固有諧振點(diǎn)相比處于下方。
[0148]可用于利用電磁鐵線圈的縱形石墨管加熱、利用扁平線圈的圓板狀石墨加熱。
[0149]另外，該情況下，優(yōu)選加熱頻率=大約20kHz?50kHz且使用斬波器+諧振型逆變器。
[0150]標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0151]10:鋼坯加熱器;11、12、13:感應(yīng)加熱線圈；20:電容器單元；21、22、23、24a、24b、25a、25b、26a、26b:電容器;30、30a、30b、31、31a、31b、35、35a、35b:逆變裝置；40:整流裝置；41:二極管橋；42:電解電容器；45:斬波器；50、50a、50b:控制單元;55、56、57:A/D變換器;60、60a、60b:1PM 模塊;71、73:電抗器；72、74:電容器;100、101、102、103:感應(yīng)加熱裝置；201:振幅運(yùn)算單元；202:目標(biāo)電流生成器；203:加法器;204、208、218:PI控制器；205:過(guò)零檢測(cè)單元；206:電流同步用基準(zhǔn)相位信號(hào)生成器；207:同步偏差檢測(cè)單元；209:電壓指令值運(yùn)算器；210:三角波比較器；211:頻率設(shè)定器；215:相位角比較器；216:30°設(shè)定器;217、219:比較器；255、259:增益單元；256:加法器；257:電壓控制器；258:脈寬信號(hào)生成器。
【權(quán)利要求】
1.一種感應(yīng)加熱裝置，該感應(yīng)加熱裝置具有:接近配置的多個(gè)感應(yīng)加熱線圈；與該感應(yīng)加熱線圈分別串聯(lián)連接的電容器；多個(gè)逆變裝置，它們將從直流電壓變換而成的高頻電壓施加到各個(gè)所述感應(yīng)加熱線圈和所述電容器的串聯(lián)諧振電路；以及控制電路，其對(duì)所述多個(gè)逆變裝置進(jìn)行控制，以便對(duì)所述高頻電壓進(jìn)行脈寬控制，并且，使得流過(guò)所述多個(gè)感應(yīng)加熱線圈的線圈電流的相位一致，其特征在于， 所述控制電路進(jìn)行控制，使得所述多個(gè)逆變裝置頻率相同且電流同步，并且，使得向所述多個(gè)感應(yīng)加熱線圈供給最大電力的特定逆變裝置產(chǎn)生的所述高頻電壓與流過(guò)所述串聯(lián)諧振電路的線圈電流之間的相位差最小， 施加到所述多個(gè)逆變裝置的直流電源電壓被設(shè)定成如下的電壓:使得所述高頻電壓超過(guò)從相鄰的所述感應(yīng)加熱線圈受到的互感電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)加熱裝置，其特征在于， 所述最小的相位差是使得在任意頻率下所述高頻電壓相對(duì)于所述線圈電流成為超前相位的相位差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)加熱裝置，其特征在于， 所述感應(yīng)加熱裝置還具有整流裝置，該整流裝置將商用電源的交流電壓變換成直流電壓，將其作為所述直流電源電壓施加到所述逆變裝置， 在所述逆變裝置產(chǎn)生所述脈寬控制后的等效正弦波電壓時(shí)，所述高頻電壓是對(duì)將所述直流電源電壓除以2的平方根后的值乘以調(diào)制系數(shù)而得到的值， 在所述逆變裝置進(jìn)行斬波控制時(shí)，所述高頻電壓被規(guī)定成對(duì)所述直流電源電壓乘以占空比而得到的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)加熱裝置，其特征在于， 所述控制電路進(jìn)行控制，使得任意I臺(tái)或多臺(tái)逆變裝置成為所述最小的相位差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)加熱裝置，其特征在于， 所述控制電路進(jìn)行控制，使得輸出電力最大的特定的所述逆變裝置或全部的所述逆變裝置成為所述最小的相位差。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)加熱裝置，其特征在于， 所述高頻電壓呈矩形波電壓， 所述相位差是所述矩形波電壓的上升定時(shí)與所述線圈電流的過(guò)零定時(shí)之間的相位差。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)加熱裝置，其特征在于， 所述高頻電壓是對(duì)正弦波信號(hào)和三角波信號(hào)進(jìn)行比較而得到的矩形波狀的等效正弦波電壓， 所述相位差是所述正弦波信號(hào)的過(guò)零定時(shí)與所述線圈電流的過(guò)零定時(shí)之間的相位差。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的感應(yīng)加熱裝置，其特征在于， 所述線圈電流的過(guò)零定時(shí)比所述正弦波信號(hào)的過(guò)零定時(shí)滯后。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)加熱裝置，其特征在于， 所述高頻電壓是時(shí)間積分值變化成正弦波形狀的矩形波狀的等效正弦波電壓， 所述相位差是所述正弦波的過(guò)零定時(shí)與所述線圈電流的過(guò)零定時(shí)之間的相位差。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)加熱裝置，其特征在于， 所述高頻電壓是比由流過(guò)所述接近配置的多個(gè)感應(yīng)加熱線圈的諧振電流引起的互感電壓之和大的值。
11.一種感應(yīng)加熱裝置的控制方法，所述感應(yīng)加熱裝置具有:接近配置的多個(gè)感應(yīng)加熱線圈；與該感應(yīng)加熱線圈分別串聯(lián)連接的電容器；以及多個(gè)逆變裝置，它們將從直流電壓變換而成的高頻電壓施加到各個(gè)所述感應(yīng)加熱線圈和所述電容器的串聯(lián)諧振電路，在所述控制方法中對(duì)所述多個(gè)逆變裝置進(jìn)行控制，以便對(duì)所述高頻電壓進(jìn)行電壓幅度控制，并且，使得流過(guò)所述多個(gè)感應(yīng)加熱線圈的線圈電流的相位一致，其特征在于， 施加到所述多個(gè)逆變裝置的直流電源電壓被設(shè)定成如下的電壓:使得所述高頻電壓超過(guò)從相鄰的所述感應(yīng)加熱線圈受到的互感電壓， 進(jìn)行控制，使得所述多個(gè)逆變裝置頻率相同且電流同步，并且，使得向所述多個(gè)感應(yīng)加熱線圈供給最大電力的特定逆變裝置產(chǎn)生的所述高頻電壓與流過(guò)所述串聯(lián)諧振電路的線圈電流之間的相位差最小。
12.—種控制電路的控制程序，所述控制電路具有:接近配置的多個(gè)感應(yīng)加熱線圈；與該感應(yīng)加熱線圈分別串聯(lián)連接的電容器；以及多個(gè)逆變裝置，它們將從直流電壓變換而成的高頻電壓施加到各個(gè)所述感應(yīng)加熱線圈和所述電容器的串聯(lián)諧振電路，所述控制電路對(duì)所述多個(gè)逆變裝置進(jìn)行控制，以便對(duì)所述高頻電壓進(jìn)行電壓幅度控制，并且，使得流過(guò)所述多個(gè)感應(yīng)加熱線圈的線圈電流的相位一致，其特征在于， 施加到所述多個(gè)逆變裝置的直流電源電壓被設(shè)定成使得所述高頻電壓超過(guò)從相鄰的所述感應(yīng)加熱線圈受到的互感電壓的電壓， 所述控制電路的控制 程序使所述控制電路的計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下控制:使所述多個(gè)逆變裝置頻率相同且電流同步，并且，向所述多個(gè)感應(yīng)加熱線圈供給最大電力的特定逆變裝置產(chǎn)生的所述高頻電壓與流過(guò)所述串聯(lián)諧振電路的線圈電流之間的相位差最小。
【文檔編號(hào)】H05B6/06GK103444260SQ201180069489
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月23日
【發(fā)明者】?jī)?nèi)田直喜, 川中啟二, 阿尾高廣 申請(qǐng)人:三井造船株式會(huì)社