JPH11144851A - 誘導加熱装置および誘導加熱制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力制御を高速に行う誘導加熱装置および誘
導加熱制御方法を実現する。 【解決手段】 スイッチング手段６のスイッチング周波
数を調節するとともに、平滑手段８，１０の出力のフィ
ードバック信号および出力設定値に基づいてスイッチン
グ手段のスイッチングのデューテイレシオを制御し、加
熱出力を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導加熱装置およ
び誘導加熱制御方法に関し、特に、例えば鋼の焼入れ等
に用いる可変出力の誘導加熱装置およびそのような誘導
加熱装置の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の可変出力の誘導加熱装置では、加
熱出力の調節は、サイリスタを用いて商用周波数の交流
電圧の導通位相角を制御することによって行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】焼入れ等を高精度に行
うためには、高速な出力制御性を必要とするが、上記の
ような出力制御では、交流電源の周期に基づく制約によ
り、出力制御動作時間を２０ｍｓまたは１６．７ｍｓよ
り短くすることができず、このため、０．１Ｓ以下の加
熱時間制御を精度良く行うことは困難であった。

【０００４】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、出力制御を高速に行う誘導
加熱装置および誘導加熱制御方法を実現することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】（１）上記の課題を解決
する請求項１の発明は、商用周波数の交流電源の出力を
整流平滑する整流平滑手段と、前記整流平滑手段の出力
をスイッチングするスイッチング手段と、前記スイッチ
ング手段の出力を平滑する平滑手段と、前記スイッチン
グ手段のスイッチング周波数を調節するとともに、前記
平滑手段の出力のフィードバック信号および出力設定値
に基づいて前記スイッチング手段のスイッチングのデュ
ーテイレシオを制御する制御手段と、前記平滑手段の出
力を交流出力に変換する変換手段と、前記変換手段の交
流出力が供給される加熱コイルと、を具備することを特
徴とする。

【０００６】請求項１の発明では、制御手段により、ス
イッチング手段のスイッチング周波数を調節するととも
に、平滑手段の出力のフィードバック信号および出力設
定値に基づいてスイッチング手段のスイッチングのデュ
ーテイレシオを制御し、加熱出力を制御する。

【０００７】（２）上記の課題を解決する請求項２の発
明は、商用周波数の交流電源の出力を整流平滑し、前記
整流平滑によって得られた整流平滑出力をスイッチング
し、前記スイッチングによって得られた出力を平滑し、
前記平滑によって得られた平滑出力を交流出力に変換
し、前記交流出力を加熱コイルに供給し、前記スイッチ
ングの周波数を調節するとともに、前記平滑出力のフィ
ードバック信号および出力設定値に基づいて前記スイッ
チングのデューテイレシオを制御する、ことを特徴とす
る。

【０００８】請求項２の発明では、スイッチング手段の
スイッチング周波数を調節するとともに、平滑手段の出
力のフィードバック信号および出力設定値に基づいてス
イッチング手段のスイッチングのデューテイレシオを制
御し加熱出力を制御する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。

【００１０】図１に、誘導加熱装置のブロック(block)
図を示す。本装置は本発明の誘導加熱装置の実施の形態
の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に
関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によ
って、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示され
る。

【００１１】（構成）本装置の構成を説明する。図１に
示すように、本装置は、商用周波数の交流電源２から供
給される交流電圧を整流回路４で整流し、キャパシタ３
で平滑するようになっている。整流回路４およびキャパ
シタ３は、本発明における整流平滑手段の実施の形態の
一例である。

【００１２】キャパシタ３の両端電圧をスイッチング素
子６でスイッチングし、スイッチング出力をインダクタ
８およびキャパシタ１０からなるＬ型回路で平滑するよ
うになっている。スイッチング素子６は、本発明におけ
るスイッチング手段の実施の形態の一例である。スイッ
チング素子６としては、例えばＭＯＳＦＥＴ等が用いら
れる。

【００１３】インダクタ８およびキャパシタ１０は、本
発明における平滑手段の実施の形態の一例である。イン
ダクタ８としては、例えば空芯コイル等が用いられる。
インダクタ８には、キャパシタ１０とは対称的な位置関
係でダイオード１２が接続され、スイッチングにともな
ってインダクタ８に生じる逆電圧を吸収するようになっ
ている。

【００１４】キャパシタ１０の両端電圧は、次段の負荷
に供給される。出力検出器１３は、負荷に供給される出
力電流を検出して制御回路１４にフィードバックするよ
うになっている。出力検出器１３としては例えば電流検
出抵抗等が用いられる。あるいは、出力検出器１３は、
キャパシタ１０の両端電圧を検出してフィードバックす
るようにしたものでも良い。その場合は、例えば分圧抵
抗等が用いられる。

【００１５】制御回路１４は、本発明における制御手段
の実施の形態の一例である。制御回路１４には、設定器
１６から設定信号を与えるようになっている。設定信号
には、スイッチングの基本周波数を設定する周波数設定
信号が含まれる。また、出力設定信号が含まれる。

【００１６】制御回路１４は、周波数設定信号に対応し
た基本周波数でスイッチング素子６をスイッチングさせ
るようになっている。基本周波数設定値は、例えば２０
ＫＨｚ〜２００ＫＨｚの範囲で可変となっている。

【００１７】制御回路１４は、また、出力設定信号とフ
ィードバック信号との差に基づいてスイッチングのデュ
ーティレシオを制御し、出力電流を出力設定信号に一致
させるようになっている。なお、フィードバック信号が
出力電圧をフィードバックしたものである場合は、出力
電圧を出力設定信号に一致させるように制御する。

【００１８】図２に、出力制御の例を示す。同図の
（ａ）は５０％出力状態を示すものであり、キャパシタ
３の両端電圧Ａ−Ａ’をスイッチング素子６によりデュ
ーティレシオ５０％でスイッチングすることにより、ダ
イオード１２の両端電圧Ｂ−Ｂ’を得る。これをインダ
クタ８とキャパシタ１０で平滑することにより５０％出
力Ｃ−Ｃ’を得る。

【００１９】同図の（ｂ）は２５％出力状態を示すもの
であり、キャパシタ３の両端電圧Ａ−Ａ’をスイッチン
グ素子６によりデューティレシオ２５％でスイッチング
することにより、ダイオード１２の両端電圧Ｂ−Ｂ’を
得る。これをインダクタ８とキャパシタ１０で平滑する
ことにより２５％出力Ｃ−Ｃ’を得る。

【００２０】同図の（ｃ）は１％出力状態を示すもので
あり、キャパシタ３の両端電圧Ａ−Ａ’をスイッチング
素子６によりデューティレシオ１％でスイッチングする
ことにより、ダイオード１２の両端電圧Ｂ−Ｂ’を得
る。これをインダクタ８とキャパシタ１０で平滑するこ
とにより１％出力Ｃ−Ｃ’を得る。

【００２１】同図の（ｄ）は７５％出力状態を示すもの
であり、キャパシタ３の両端電圧Ａ−Ａ’をスイッチン
グ素子６によりデューティレシオ７５％でスイッチング
することにより、ダイオード１２の両端電圧Ｂ−Ｂ’を
得る。これをインダクタ８とキャパシタ１０で平滑する
ことにより７５％出力Ｃ−Ｃ’を得る。

【００２２】以上の、整流回路４乃至設定器１６からな
る部分は、スイッチングギュレーション型の直流電源を
構成する。この直流電源の出力は、設定器１６で出力設
定信号を変えることにより、任意に変更することができ
る。すなわち、可変出力の直流電源となる。

【００２３】この直流電源では、スイッチング周波数を
例えば２０ＫＨｚ〜２００ＫＨｚとしている。２０ＫＨ
ｚでスイッチングした電圧の周期は５０μＳとなり、２
００ＫＨｚでは５μＳとなる。すなわち、商用周波数の
交流電源の周期よりもはるかに短い周期を持つ信号とな
る。

【００２４】そのような周期を持つ電圧のデューティレ
シオを制御して出力を調節するようにしているので、出
力制御動作が高速となり、例えば基本周波数が２０ＫＨ
ｚの場合は出力制御動作時間は５０μＳとなり、２００
ＫＨｚでは５μＳとなる。

【００２５】また、このような制御の高速性により、短
時間動作を時間精度良く行うことができる。これによ
り、従来は困難であった０．１Ｓ以下の短時間動作を精
度良くかつ容易に行うことができる。

【００２６】また、基本周波数が高いため、平滑用のイ
ンダクタ８は空芯コイルで良く、従来装置におけるよう
な鉄心入りの大きなチョークコイルは不要になる。ま
た、電源周波数でのうなり音等も生じない。

【００２７】また、出力制御動作時間が５０μＳ以下な
ので、スイッチング素子６の保護に特別な回路を必要と
せずに、異常時の動作停止および正常回復時の動作復帰
を高速に行うことができる。

【００２８】また、高周波でのスイッチングレギュレー
ション方式なので、電源歪みないし高調波の発生も微弱
である。このような直流電源の出力を、スイッチング素
子１８，２０，２２，２４からなるブリッジ回路に供給
するようになっている。スイッチング素子１８〜２４か
らなるブリッジ回路は、本発明における変換手段の実施
の形態の一例である。スイッチング素子１８〜２４とし
ては、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等が用いられる。

【００２９】スイッチング素子１８，２０，２２，２４
は、それぞれブリッジの１辺を構成する。スイッチング
素子１８と２０の共通接続点がブリッジの一方の給電端
となり、スイッチング素子２２と２４の共通接続点がブ
リッジの他方の給電端となる。スイッチング素子１８と
２２の直列接続点がブリッジの一方の出力端となり、ス
イッチング素子２０と２４の直列接続点がブリッジの他
方の出力端となる。

【００３０】ブリッジ回路の出力端間にトランス２８の
１次側を接続し、トランス２８の２次側にワークコイル
２８とキャパシタ３０の直列回路を接続するようになっ
ている。ワークコイル２８は、本発明における加熱コイ
ルの実施の形態の一例である。

【００３１】スイッチング素子１８〜２４は、駆動回路
２６で駆動され、スイッチング素子１８，２４の対とス
イッチング素子２０，２２の対が、一方の対がオンにな
るとき他方がオフになる関係、すなわち、互いに逆な位
相でオン・オフするようになっている。これによって、
トランス２８を通じてワークコイル３０とキャパシタ３
０の直列回路に交流電流が流れる。この交流電流は、ワ
ークコイル２８のインダクタンスとキャパシタ３０のキ
ャパシタンスによって定まる直列共振周波数を持つ。

【００３２】キャパシタ３０の両端電圧は、トランス３
４を介して駆動回路２６にフィードバックするようにな
っている。駆動回路２６は、ＰＬＬ回路を内蔵し、その
働きにより、フィードバック信号の周波数すなわち共振
周波数に一致した周波数の駆動信号を発生するようにな
っている。

【００３３】図３に、駆動回路２６が内蔵するＰＬＬ回
路の一例を示す。同図に示すように、ＰＬＬ回路は、ト
ランス３４からのフィードバック電圧を、抵抗４２，４
４を通じてダイオード４６，４８の逆極性の並列回路に
印加し、それらの順方向の電圧降下を利用して矩形波に
波形成形し、この矩形波信号をキャパシタ５０，５２を
通じてＯＰアンプ５４に入力し、増幅するようになって
いる。

【００３４】ＯＰアンプ５４の出力信号は、キャパシタ
５６を通じてナンド回路５８の一方の入力とするように
なっている。ナンド回路５８の出力信号はナンド回路６
０の一方の入力とするようになっている。ナンド回路６
０の出力信号はナンド回路５８の他方の入力とするよう
になっている。

【００３５】ナンド回路６０の出力信号は、また、抵抗
６２を通じてＯＰアンプ６４の負入力端子に入力するよ
うになっている。ＯＰアンプ６４の負入力端子には、ま
た、抵抗６６を通じて抵抗分圧器６８の出力電圧を入力
するようになっている。ＯＰアンプ６４の正入力端子は
コモンに接続し、負入力端子と出力端子をキャパシタ７
０で接続し、積分器を構成するようになっている。

【００３６】この積分器の出力信号は、抵抗７２を通じ
てＶ／Ｆコンバータ７４に入力するようになっている。
Ｖ／Ｆコンバータ７４は、入力信号（電圧）に対応した
周波数を持つ矩形波信号を発生するものである。この矩
形波信号に基づいてスイッチング素子１８〜２４の駆動
信号を形成する。Ｖ／Ｆコンバータ７４の出力信号は、
キャパシタ７６を通じてナンド回路６０の他方の入力信
号とし、閉ループを形成している。

【００３７】このような構成において、ナンド回路５
８，６０は、ＯＰアンプ５４から入力されたフィードバ
ック信号とＶ／Ｆコンバータ７４の出力信号について位
相差検出を行い、位相差検出信号をナンド回路６０から
出力する。ＯＰアンプ６４は位相差検出信号の積分値で
Ｖ／Ｆコンバータ７４を制御してフェーズロックを行
い、Ｖ／Ｆコンバータ７４の出力信号の周波数をフィー
ドバック信号の周波数に一致させる。

【００３８】駆動回路２６がこのようなＰＬＬ回路を内
蔵することにより、駆動回路２６、スイッチング素子１
８〜２４、トランス２８、ワークコイル３０、キャパシ
タ３２およびトランス３４からなる閉ループは、発振機
を構成する。そして、その発振周波数は、ワークコイル
３０とキャパシタ３２の直列共振周波数に一致する。し
たがって、ワークコイル３０の交換や被加熱物の変化等
により共振周波数が変化しても、常にそれに追従して発
振する。

【００３９】このため、トランス２８、ワークコイル３
０およびキャパシタ３２からなる部分を、例えば図４に
示すように、共振周波数が５００Ｈｚから４００ＫＨｚ
までの広い範囲でそれぞれ異なる、複数種類のワークコ
イルユニット８０〜１０６として構成することができ、
しかも、それらのいずれを切換器１０８によって発振機
本体１１０に切り換え接続しても、発振機本体１１０は
各ワークコイルユニットの共振周波数に一致した周波数
で発振することができる。

【００４０】なお、駆動回路２６には、図示しない保護
回路を設けてスイッチングの出力波形を監視し、波高値
等が異常になった場合にスイッチングを停止するように
している。

【００４１】（動作）本装置の動作を説明する。作業者
は、予め、焼入れ等をおこなう被加熱物に適応したワー
クコイルユニットを切換器１０８によって選択する。ま
た、設定器１６で基本周波数、出力値および出力時間等
を設定する。

【００４２】基本周波数は、所望の出力制御動作時間に
合わせて、例えば２０ＫＨｚ〜２００ＫＨｚの中から適
切なものを設定する。出力値および出力時間は、必要な
加熱量に合わせて適切な値を設定する。出力制御動作が
高速なので、０．１Ｓ以下の出力時間でも精度良く設定
することが可能である。

【００４３】次に、図示しない起動ボタン等を押して本
装置を起動する。それによって、制御回路１４による制
御の下で本装置が動作する。すなわち、スイッチング素
子６が制御回路１４による制御の下で出力設定値に対応
したデューティレシオでスイッチング動作を行う。これ
によって、設定どおりの出力電流あるいは出力電圧をス
イッチング素子１８〜２４からなるブリッジ回路に供給
する。

【００４４】スイッチング素子１８〜２４は駆動回路２
６で駆動され、ワークコイル３０とキャパシタ３２の直
列回路の共振周波数に一致する周波数でスイッチング動
作を行い、ワークコイル３０に交流電流を流す。ワーク
コイル３０は交流電流に応じた交流磁界を生じ、被加熱
物を誘導加熱する。

【００４５】加熱の過程でワークコイル３０と被加熱物
との距離や位置関係が変化し、ワークコイル３０のイン
ダクタンスが変化し、共振周波数が変化しても発振周波
数はそれに追従して変化するので、発振が停止するよう
なことはなく効果的な加熱を行うことができる。

【００４６】加熱は設定された時間後に終了する。出力
制御の高速性により、０．１Ｓ以下の極く短時間の加熱
であっても精度良く行える。

【００４７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１の
発明または請求項２の発明では、スイッチング手段のス
イッチング周波数を調節するとともに、平滑手段の出力
のフィードバック信号および出力設定値に基づいてスイ
ッチング手段のスイッチングのデューテイレシオを制御
し、加熱出力を制御するようにしたので、出力制御を高
速に行う誘導加熱装置および誘導加熱制御方法を実現す
ることができる。

【００４８】また、出力制御を高速に行うようにしたの
で、短時間加熱を精度良く行う誘導加熱装置および誘導
加熱制御方法を実現することができる。また、出力制御
の基本周波数が高いため、出力平滑用のインダクタは空
芯コイルで良く、従来装置におけるような鉄心入りの大
きなチョークコイルは不要になり、また、電源周波数で
のうなり音等も生じない。

【００４９】また、出力制御を高速に行うようにしたの
で、スイッチング素子の保護に特別な回路を必要とせず
に、異常時の動作停止および正常回復時の動作復帰を高
速に行うことができる。

【００５０】また、高周波でのスイッチングレギュレー
ション方式なので、電源歪みないし高調波の発生も微弱
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図
である。

【図２】本発明の実施の形態の一例の装置における出力
制御を示すグラフである。

【図３】本発明の実施の形態の一例の装置におけるＰＬ
Ｌ回路のブロック図である。

【図４】本発明の実施の形態の一例の装置におけるワー
クコイルユニットの切り換え接続を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

２ 交流電源 ４ 整流回路 ３ キャパシタ ６ スイッチング素子 ８ インダクタ １０ キャパシタ １２ ダイオード １３ 出力検出器 １４ 制御回路 １６ 設定器 １８〜２４ スイッチング素子 ２６ 駆動回路 ２８ トランス ３０ ワークコイル ３２ キャパシタ ３４ トランス ４２，４４ 抵抗 ４６，４８ ダイオード ５０，５２ キャパシタ ５４ ＯＰアンプ ５６ キャパシタ ５８，６０ ナンド回路 ６２ 抵抗 ６４ ＯＰアンプ ６６ 抵抗 ６８ 分圧抵抗 ７０ キャパシタ ７２ 抵抗 ７４ Ｖ／Ｆコンパータ ７６ キャパシタ ８０〜１０６ ワークコイルユニット １０８ 切換器 １１０ 発振器本体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 商用周波数の交流電源の出力を整流平滑
   する整流平滑手段と、 前記整流平滑手段の出力をスイッチングするスイッチン
   グ手段と、 前記スイッチング手段の出力を平滑する平滑手段と、 前記スイッチング手段のスイッチング周波数を調節する
   とともに、前記平滑手段の出力のフィードバック信号お
   よび出力設定値に基づいて前記スイッチング手段のスイ
   ッチングのデューテイレシオを制御する制御手段と、 前記平滑手段の出力を交流出力に変換する変換手段と、 前記変換手段の交流出力が供給される加熱コイルと、を
   具備することを特徴とする誘導加熱装置。
2. 【請求項２】 商用周波数の交流電源の出力を整流平滑
   し、 前記整流平滑によって得られた整流平滑出力をスイッチ
   ングし、 前記スイッチングによって得られた出力を平滑し、 前記平滑によって得られた平滑出力を交流出力に変換
   し、 前記交流出力を加熱コイルに供給し、 前記スイッチングの周波数を調節するとともに、前記平
   滑出力のフィードバック信号および出力設定値に基づい
   て前記スイッチングのデューテイレシオを制御する、こ
   とを特徴とする誘導加熱制御方法。