JPH04121061A - ２つの負荷回路への高周波電力供給回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、互いに異なる固有の共振周波数を持つ２つ
の誘導加熱負荷回路やプラズマ発生用共振回路などに対
し、１台のインバータから個別に高周波電力を供給する
電力供給回路に関する。

〔従来の技術〕

第２図は１合の高周波インバータから２つの共振回路に
高周波電力を供給する従来例を示す回路図である。同図
において、１は高周波（数ＭＨｚのオーダ）の交流電力
を出力する電子形インバータ、６は交流電力を所定の負
荷回路に供給するための切換スイッチで、この切換スイ
ッチ６には配線８Ａを介して並列共振回路２、および配
線８Ｂを介して直列共振回路３が接続され、スイッチ６
の切り換えにより各負荷にそれぞれ高周波電力が供給さ
れる。

電圧形インバータ１から高周波の交流電力が供給される
負荷は一般に誘導性であることから、図示のように負荷
リアクタンス２１と負荷抵抗２２の直列回路、および負
荷リアクタンス３１と負荷抵抗３２の直列回路で構成さ
れるが、負荷回路２ではこの直列回路に共振コンデンサ
２３を並列に接続することで並列共振回路が形成され、
負荷回路３ではその直列回路に共振コンデンサ３３を直
列に接続することで直列共振回路が形成されている。そ
して、これら共振負荷回路に対して高周波電力を高い効
率で供給するため、電圧形インバータ１は一般に、スイ
ッチ６を介して接続される共振回路の共振周波数または
その近傍の周波数で運転される。

〔発明が解決しようとする課題〕

第２図の如き回路では、並列共振回路２はその共振周波
数におけるインピーダンスをＺＴい高調波に対するイン
ピーダンスをＺＮＩとすれば、−ｉにＺＴ！＞＞ＺＮＩ
である。一方、電圧形インバータｌから出力される電圧
には多くの高調波成分が含まれているので、この電圧形
インバータ１の出力側を配線８Ａを介して直接並列共振
回路２に接続すると、高調波に対するインピーダンスＺ
８□が小であることから、多くの高調波電流が並列共振
回路２に流れ、電圧形インバータ１が過電流となる。

そこで、このような高調波電流が流れるのを抑制する目
的で、配線８Ａには直列リアクトル７Ａが挿入される。

しかしながら、この直列リアクトル７Ａの挿入により、
運転時の電圧変動率が大となり、並列共振回路２に印加
される電圧が低下するという問題が生じる。さらに、配
線８Ａには配線インダクタンス７Ｂが存在しているので
、電圧形インバータ１と並列共振回路２とを接続するた
めの距離が長い場合、またはこの配線を流れる交流の周
波数が特に高い領域にある場合は、配線インダクタンス
７Ｂの影響が大となり、挿入された直列リアクトル７Ａ
を取り除いても全体のインダクタンス値が過大となって
並列共振回路２に印加される電圧が所定値以下になり、
電圧形インバータ１から充分な電力が供給できないとい
う問題が生じる。

一方、配ｍ８Ｂにも配線インダクタンス７Ｃが存在して
いるので、電圧形インバータｌと直列共振回路３とを接
続するための距離が長い場合、またはこの配線を流れる
交流の周波数が特に高い領域にある場合は、配線インダ
クタンス値が増加し、このインダクタンス値が負荷リア
クタンスのインダクタンス値に加算されることになるの
で、インバータ出力端子から直列共振負荷側を見た回路
の共振周波数が、直列共振回路３の共振周波数と異なっ
てしまうという問題や、直列共振回路３に印加される電
子が所定値以下になり、電圧形インバータ１から充分な
電力が供給できないという問題が生じる。

また、電圧形インバータ１から供給する電力を２つの負
荷回路のうちの一方から他方に切り換える場合、スイッ
チ６による切り換えが必要になること、さらには電圧形
インバータｌから各負荷回路に高周波電力を供給するた
めの配線が個別に必要で、そのためのスペースを確保し
なければならない、などの問題がある。

したがって、この発明の課題はこのような様々な問題を
解消し、１つのインバータ回路から、２つの共振負荷回
路に高周波電力を高効率に供給し得る回路を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕 高周波の交流電力を出力する電圧形インバータから、第
１の固有周波数では特定のインピーダンスを持ち、それ
以外の周波数ではこの特定インピーダンスよりも小さな
値のインピーダンスを持つ第１の負荷と、前記第１の固
有周波数とは異なる第２の固有周波数では特定のインピ
ーダンスを持ち、それ以外の周波数ではこの特定インピ
ーダンスよりも大きな値のインピーダンスを持つ第２の
負荷とにそれぞれ高周波電力を供給するため、前記電圧
形インバータから前記第１の負荷へ電力を供給する電力
伝送線路には、この線路内における第１の固有周波数の
伝搬波長の１／４またはその奇数倍に相当する線路長を
持つ第１の分布定数線路を、また前記電圧形インバータ
から前記第２の負荷へ電力を供給する電力伝送線路には
、前記第１の負荷と直列に接続され、かつ前記第１の分
布定数線路長との和がこれらの線路内における第２の固
有周波数の伝搬波長の１／２波長またはその整数倍に相
当する線路長を持つ第２の分布定数線路を設け、前記第
１の負荷への電力供給は前記電圧形インバータの動作周
波数を前言己第１の固有周波数またはその近傍の周波数
にして行ない、また前記第２の負荷への電力供給は前記
電圧形インバータの動作周波数を前記第２の固有周波数
またはその近傍の周波数にしてそれぞれ行なう。

〔作用〕

伝搬波長の１／４またはその整数倍の長さを持つ第１の
分布定数線路において、その終端にインピーダンスＺＬ
を接続し、分布定数線路の特性インピーダンスをＺ。と
すると、送電端インピーダンスＺ３は、 Ｚ　ｓ　−Ｚ。”／ＺＬ となり、終端が短絡状態の場合は終端に適当な大きさの
インピーダンス負荷を接続した場合に比べて極端に大き
な値を持つことが一般に良く知られている。そのため、
前記第１の負荷回路を接続すると、その固有周波数にお
ける送電端インピーダンスは適切な値となる一方、高調
波周波数成分における送電端インピーダンスは極端に大
きくなるので、電圧形インバータの出力電圧に含まれる
高調波電圧成分に伴うその出力高調波電流は極小値に抑
制され、本来伝送すべき基本周波数電圧成分に伴う基本
波電流成分のみを第１の負荷回路に供給することができ
る。しかもこのとき、第１の負荷回路と直列に接続され
る第２の分布定数線路も第１の伝搬波長の１／４の奇数
倍になり、かつ第２の負荷回路のインピーダンスＺＬ２
は大きな値になるので、第２の送電端インピーダンスＺ
ｓ２は第１の固有周波数およびその高調波周波数成分に
おいて非常に低インピーダンスになる。第１の負荷回路
のインピーダンスＺＬと第２の送電端インピーダンス７
５２は直列に接続されるので、第２の負荷回路には電力
の供給は殆ど行なわれない。

一方、伝搬波長の１／２またはその整数倍の長さを持つ
第１．第２の分布定数線路の直列線路において、その終
端にインピーダンスＺＬを接続し、分布定数線路の特性
インピーダンスを７８とすると、送電端インピーダンス
Ｚ、は、 ＺＳ＝ＺＬ となることが一般に知られている。そのため、前記第２
の負荷回路を終端に接続すると、これはあたかも送電端
すなわちインバータの出力端に直接接続したのと同様と
なる。つまり、第２の固有周波数における送電端インピ
ーダンスは適切な値となる一方、その高調波周波数成分
における送電端インピーダンスは極端に大きくなるので
、電圧形インバータの出力電圧に含まれる高調波電圧成
分に伴う出力高調波電流は極小値に抑制され、本来伝送
すべき基本周波数電圧成分に伴う基本波電流成分を第２
の負荷回路に供給することができる。

しかもこのとき、第１の分布定数線路と第２の分布定数
線路との間に接続される前記第１の負荷回路のインピー
ダンスは充分に小さな値となるので、第１の負荷回路に
は電力の供給は殆ど行なわれない。

〔実施例〕

第１図はこの発明の実施例を示す構成図でζ　１は電圧
形インバータ、２は並列共振負荷回路、３は直列共振負
荷回路、４は第１の分布定数形量軸線路、５は第２の分
布定数形量軸線路である。

電圧形インバータ１はスイッチング素子、還流ダイオー
ドおよび逆流防止用ダイオード等から構成され、その高
周波交流出力端子ｕ、ｖは第１の分布定数形量軸線路４
の一方の中心ＭＡ＠子および被覆線端子に接続され、第
１の分布定数形同軸線路４の他方の中心線端子は並列共
振負荷回路２の一方の端子に接続される。また、第１の
分布定数形量軸線路４の他方の被覆線端子は第２の分布
定数形量軸線路５の被覆線端子に、第２の分布定数形量
軸線路５の一方の中心線端子は並列共振負荷回路２の他
方の端子に接続される。さらに、第２の分布定数形量軸
線路５の他方の中心線端子および被覆線端子は直列共振
負荷回路３の２つの端子にそれぞれ接続される。しかし
て、並列共振負荷回路２は第１の負荷リアクタンス２１
と第１の負荷抵抗２２からなる直列回路と第１の共振コ
ンデンサ２３との並列回路で構成されて第１の共振周波
数ＦＴ、を持ち、直列共振負荷回路３は第２の負荷リア
クタンス３１．第２の負荷抵抗３２および第２の共振コ
ンデンサ３３の直列回路で構成されて第２の共振周波数
ＦＴｚを持つ。

そして、第１の共振周波数Ｆア、は第２の共振周波数Ｆ
ｔ□の整数倍、例えば２倍の周波数とし、第１の分布定
数線路の長さＸｌは周波数ＦＴＩの伝搬波長λ１の１／
４またはその奇数倍、また第２の分布定数線路の長さＸ
２と第１の分布定数線路の長さＸｌとの和は、周波数Ｆ
ＴＺの伝搬波長λ２の１／２またはその整数倍とする。

これらの関係を数式で示すと、次のようになる。

Ｘ　ｌ　＝　（２ｎ　＋　１）　　・λ１／４Ｘ１＋Ｘ
２＝ｎ・λ２／２ （ｎ＝１．２・・・） なお、第１．第２分布定数線路の特性インピーダンスは
、いずれも等しくＺｌ、ｌとする。

このような構成において、インハークｌの出力周波数が
第１の共振周波数Ｆア、のとき並列共振負荷回路２は共
振状態となるので、その基本波インピーダンスは線路の
特性インピーダンスＺ。とほぼ等しいか多少大きく、第
１の共振周波数ＦＴＩの高調波周波数成分に対するイン
ピーダンスは充分に小さくなり、また直列共振負荷回路
３のインピーダンスにおいてはその共振周波数ＦＴ□よ
りも高いので、常に誘導性でその絶対値も大きな値とな
る。このとき、第２の分布定数線路の長さは、第１の共
振周波数の１／４伝搬波長の奇数倍になる（ＸＩをλ１
／４、λ２−２λ１とすると、ｘ２−３／４・ｊｌとな
る）から、第２の分布定数線路の送電端におけるインピ
ーダンスは、共振状態にある並列共振負荷回路２のイン
ピーダンスに比べて充分小さく、したがって第１の分布
定数線路受電端には、あたかも並列共振負荷回路２だけ
が接続されたのと同様となる。第１の分布定数線路の長
さは周波数ＦＴＩの波長λ１の１／４またはその整数倍
であるから、その結果として、第１の分布定数線路の送
電端インピーダンスＺ、は周波数Ｆ丁、においでは、 Ｚ３吋Ｚｗ”／Ｚｔ＋ となり、その高調波成分に対しては充分に大きな値とな
る。そのため、インバータ１の出力電流は周波数ＦＴＩ
の正弦波形になり、その電力の殆ど全てが並列共振負荷
回路２に供給される。

次に、インバータ１の出力周波数が第２の共振周波数Ｆ
ＴＺのとき直列共振負荷回路３は共振状態となるので、
その基本波インピーダンスは線路の特性インピーダンス
Ｚ１．ｌに比べ一般に比較的小さく、高調波に対するイ
ンピーダンスは充分に大きい。しかも、並列共振負荷回
路２は上記いずれの周波数においても充分に低いインピ
ーダンスになるので、送電端インピーダンスは見かけ上
直列共振負荷回路３の基本波インピーダンス値とほぼ等
しくなる。そのため、インバータ１の出力電流は周波数
Ｆア２の正弦波形になり、その電力の殆ど全てが直列共
振負荷回路３に供給される。

〔発明の効果〕

この発明によれば、各々が固有の共振周波数を持つ２つ
の負荷回路を、１本の分布定数線路上において各共振周
波数の伝搬波長がら与えられる長さの位置に接続し、こ
れを１台のインバータ回路に直接接続することにより、
以下のような効果を期待することができる。

イ）インバータ回路と各負荷回路とは分布定数線路によ
り直接接続されるため、配線のインダクタンス成分に伴
う電圧の低下を防止することができる。

口）インバータの動作周波数を負荷回路の共振周波数ま
たはその近傍で運転することにより、その共振周波数を
持つ負荷回路にだけその周波数成分の電力を供給でき、
しかもインバータの出力電流波形をほぼ正弦波状にする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す構成図、第２図は従来
例を示す構成図である。 １・・・電圧形インバータ、２・・・並列共振負荷回路
、２１．３１・・・負荷リアクタンス、２２．３２・・
・負荷抵抗、２３．３３・・・共振コンデンサ、４・・
・第１の分布定数線路、５・・・第２の分布定数線路、
６・・・切換スイッチ、７Ａ・・・直列リアクトル、７
Ｂ、７Ｃ・・・配線インダクタンス、８Ａ、８Ｂ・・・
配線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）高周波の交流電力を出力する電圧形インバータから
   、第１の固有周波数では特定のインピーダンスを持ち、
   それ以外の周波数ではこの特定インピーダンスよりも小
   さな値のインピーダンスを持つ第１の負荷と、前記第１
   の固有周波数とは異なる第２の固有周波数では特定のイ
   ンピーダンスを持ち、それ以外の周波数ではこの特定イ
   ンピーダンスよりも大きな値のインピーダンスを持つ第
   ２の負荷とにそれぞれ高周波電力を供給する回路であっ
   て、 前記電圧形インバータから前記第１の負荷へ電力を供給
   する電力伝送線路には、この線路内における第１の固有
   周波数の伝搬波長の１／４またはその奇数倍に相当する
   線路長を持つ第１の分布定数線路を、また前記電圧形イ
   ンバータから前記第２の負荷へ電力を供給する電力伝送
   線路には、前記第１の負荷と直列に接続され、かつ前記
   第１の分布定数線路長との和がこれらの線路内における
   第２の固有周波数の伝搬波長の１／２波長またはその整
   数倍に相当する線路長を持つ第２の分布定数線路を設け
   、 前記第１の負荷への電力供給は前記電圧形インバータの
   動作周波数を前記第１の固有周波数またはその近傍の周
   波数にして行ない、また前記第２の負荷への電力供給は
   前記電圧形インバータの動作周波数を前記第２の固有周
   波数またはその近傍の周波数にしてそれぞれ行なうこと
   を特徴とする２つの負荷回路への高周波電力供給回路。