誘導溶解炉の制御装置
【課題】簡易な構成で電力変換部の出力電圧と出力電流との位相差を確実に検出することができる誘導溶解炉の制御装置を提供する。
【解決手段】制御回路１０は、出力電圧信号生成部１１によりＩＧＢＴ式逆変換器４２ａの動作信号の立ち上がりとＩＧＢＴ式逆変換器４２ｂの動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号を生成すると共に、出力電流信号生成部１２により検出された電力変換装置４の出力電流の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号を生成する。そして、生成した出力電圧信号および出力電流信号とから電力変換装置４の出力電流と出力電圧との位相差を検出する。
【解決手段】制御回路１０は、出力電圧信号生成部１１によりＩＧＢＴ式逆変換器４２ａの動作信号の立ち上がりとＩＧＢＴ式逆変換器４２ｂの動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号を生成すると共に、出力電流信号生成部１２により検出された電力変換装置４の出力電流の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号を生成する。そして、生成した出力電圧信号および出力電流信号とから電力変換装置４の出力電流と出力電圧との位相差を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の誘導溶解炉の制御装置としては、下記特許文献１に示すように、インバータ回路からなる電力変換部の出力電力と出力電流との位相差を検出する時間差検出部を備えるインバータ装置が知られている。
【０００３】
具体的に、かかる従来の誘導溶解炉の制御装置では、インバータ駆動信号生成部のインバータ駆動信号Ｖｉｎｖの立ち上がりゼロクロス点ａと、電流検出部により検出される負荷に流れる電流ｉｉｎｖの立ち上がりゼロクロス点ｂとの時間差を位相差として検出する（下記特許文献 段落００２２〜００２４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５７３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、かかる従来の誘導溶解炉の制御装置では、電力変換部においてパルス幅制御（ＰＷＣ制御）を行った場合には、電流ｉｉｎｖが不連続となりゼロクロス点ｂを正確に検出することが困難となる。
【０００６】
さらに、インバータ駆動信号生成部における発振周波数が高い場合には、短周期でインバータ駆動信号Ｖｉｎｖおよび負荷に流れる電流ｉｉｎｖが変化するため、インバータ駆動信号Ｖｉｎｖの立ち上がりゼロクロス点ａに対応させて、負荷に流れる電流ｉｉｎｖの立ち上がりゼロクロス点ｂを検出し、これらの間の位相差を検出することは困難である。
【０００７】
以上の事情に鑑みて、本発明は、簡易な構成で電力変換部の出力電圧と出力電流との位相差を確実に検出することができる誘導溶解炉の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明の誘導溶解炉の制御装置は、炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、
順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器とが直列共振型回路を構成する電力変換部と、
前記第１および第２スイッチング素子の動作信号を検出する信号検出部と、
前記電力変換部の出力電流を検出する電流検出部と、
前記信号検出部により検出された前記第１および第２スイッチング素子の動作信号と、前記電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流とに基づいて、前記電力変換部の出力電圧と出力電流との位相差を検出する位相差検出部と
を備え、
前記位相差検出部は、前記信号検出部により検出された前記第１スイッチング素子の動作信号の立ち上がりと前記第２スイッチング素子の動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号とすると共に、前記電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号として、該出力電圧信号と該出力電流信号との位相差を検出することを特徴とする。
【０００９】
かかる第１発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、位相差検出部は、信号検出部により検出された第１および第２スイッチング素子の動作信号から次の出力電圧信号を生成する。
【００１０】
すなわち、出力電圧信号は、第１および第２スイッチング素子の動作信号そのものではなく、第１スイッチング素子の動作信号の立ち上がりと第２スイッチング素子の動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号である。
【００１１】
さらに、位相差検出部は、電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流から次の出力電流信号を生成する。
【００１２】
すなわち、出力電流信号は、電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流そのものではなく、電力変換部の出力電流の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号である。
【００１３】
このようにして加工された出力電流信号は、電力変換部においてパルス幅制御（ＰＷＣ制御）を行った場合に、出力電流波形自体が不連続になっても確実に出力電流を検出することができる。
【００１４】
さらに、このようにして加工された出力電圧信号は、発振周波数が高く、短い周期で第１および第２スイッチング素子の動作信号が変化する場合でも、確実に出力電圧を検出することができる。
【００１５】
そして、加工された出力電圧信号および出力電流信号とを位相差検出回路などで比較することで、簡易な構成で電力変換部の出力電圧と出力電流との位相差を確実に検出することができる。
【００１６】
第２発明の誘導溶解炉の制御装置は、第１発明において、
前記位相差検出部は、前記信号検出部により検出された前記第１および第２スイッチング素子の動作信号の各立ち上がりエッジをＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路により前記出力電圧信号を生成すると共に、前記電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流の立ち上がりエッジおよび立下りエッジをそれぞれＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路により前記出力電流信号を生成することを特徴とする。
【００１７】
かかる第２発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、信号検出部により検出された第１および第２スイッチング素子の動作信号の各立ち上がりエッジをＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を用いることで、第１スイッチング素子の動作信号の立ち上がりと第２スイッチング素子の動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号を簡易かつ確実に生成することができる。
【００１８】
また、電流検出部により検出された電力変換部の出力電流の立ち上がりエッジおよび立下りエッジをそれぞれＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を用いることで、電力変換部の出力電流の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号を簡易かつ確実に生成することができる。
【００１９】
このように、出力波形のエッジをＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を用いることで、簡易な構成で電力変換部の出力電圧と出力電流との位相差を確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】誘導溶解炉の制御装置の構成を示す全体構成図。
【図２】制御回路の構成を示す説明図。
【図３】制御回路の出力電圧信号生成回路の処理内容を示す説明図。
【図４】制御回路の出力電流信号生成回路の処理内容を示す説明図。
【図５】制御回路の位相差検出回路の処理内容を示す説明図。
【図６】周波数制御時の位相差検出の例を示す説明図。
【図７】パルス幅制御時の位相差検出の例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１を参照して、本実施形態の誘導溶解炉の制御装置について説明する。誘導溶解炉は、溶解炉内に収納された被加熱材Ｘを溶解させるものである。
【００２２】
具体的に、誘導溶解炉の制御装置は、電源１と、高圧受電盤２と、変換装置用変圧器３と、電力変換装置４（本発明の電力変換部に相当する）と、誘導加熱装置５と、制御回路１０（本発明の位相差検出部としての機能を有する）と、コントローラ１００とを備える。
【００２３】
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。
【００２４】
高圧受電盤２は、誘導溶解炉への電源通電・停止と故障発生時の電源遮断を行う装置であって、パワーヒューズ２ａと遮断器２ｂとを備える。パワーヒューズ２ａは、短絡事故時に電流遮断する手段であって、遮断器２ｂは、電源の通電と停止に伴う開閉動作を行う。
【００２５】
変換装置用変圧器３は、高圧受電盤２に接続され、電力変換装置４への入力電圧が所定の値となるように調整する。
【００２６】
電力変換装置４は、変換装置用変圧器３に接続され、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源から任意の高周波電圧を生成するための装置であって、交流/直流変換器である順変換器４１ａ，４１ｂと、直流/交流変換器である逆変換器４２ａ，４２ｂとを備え、制御回路１０からの出力制御信号により制御される。
【００２７】
具体的に、電力変換装置４は、入力側にダイオード式順変換器４１ａ，４１ｂを備え、出力側にＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂを備え、順変換器４１ａ，４１ｂには直列に直流リアクトル４３が接続されると共に、順変換器４１ａ，４１ｂに並列に直流コンデンサ４４が接続される。
【００２８】
なお、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａが本発明の第１スイッチング素子に相当し、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ｂが本発明の第２スイッチング素子に相当する。
【００２９】
さらに、電力変換装置４は、順変換器４１ａ，４１ｂの出力側の直流電圧（ａ）を検出して出力する直流電圧検出器４５と、直流電流（ｂ）を検出して出力する直流電流検出器４６とを備え、直流電圧検出器４５および直流電流検出器４６の出力値は、制御回路１０に出力される。
【００３０】
なお、制御回路１０による電力変換装置４の制御内容については詳細を後述する。
【００３１】
逆変換器４２ａ，４２ｂと誘導加熱装置５との間には、高周波整合装置として機能を有する、力率調整用高周波コンデンサ４７ａ，４７ｂと、出力電流（ｄ）を検出して出力する電流検出器４８（本発明の電流検出部に相当する）と、出力電圧（ｅ）を検出して出力する電圧検出器４９とを備える。ここで、電流検出器４８および電圧検出器４９の出力値は、制御回路１０に出力される。
【００３２】
誘導加熱装置５は、電力変換装置４から供給される高周波電流を加熱コイル５１に通電させることにより、溶解炉本体内に収納された被加熱材Ｘにうず電流を発生させ、うず電流により金属材料間に発生するジュール熱で被加熱材Ｘを昇温させて溶解させる。
【００３３】
コントローラ１００は、誘導溶解炉の運転・停止を始めとする誘導溶解炉の運転の全般を制御する。
【００３４】
次に、説明を後回しにした制御回路１０について、図２を参照して説明する。
【００３５】
制御回路１０は、誘導溶解炉の制御装置としてＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号生成部としての機能を備えるほか、図２に示すように、本発明の位相差検出部としての機能を有する出力電圧信号生成回路１１と、出力電流信号生成回路１２と、位相差検出回路１３とを備える。
【００３６】
なお、本実施形態において、制御回路１０がＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号を生成し、その生成した信号を検出する信号検出部としての機能を有する。
【００３７】
出力電圧信号生成回路１１は、制御回路１０からＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂへ出力された動作信号であるゲート信号を検出して、かかるゲート信号を基に電力変換装置４の出力電圧信号を次のように生成する。
【００３８】
図３に示すように、出力電圧信号生成回路１１は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａのゲート信号であるＵ相ゲート信号に対して、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ｂのゲート信号であるＸ相ゲート信号を参照してデットタイム調整を行った上で、（Ｕ相ゲート信号１以外の信号２等を除去して）Ｕ相ゲート信号の１つの信号を取り出す。
【００３９】
ここで、デットタイム調整を行うのは、電力変換装置４の出力電圧は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂのゲート信号に同期して出力されるものであるため、実際のゲート信号に合わせるためである。なお、デットタイム調整後のゲート信号を検出する場合には、かかるデットタイム調整を行う必要はない。
【００４０】
同様にして、出力電圧信号生成回路１１は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ｂのゲート信号であるＸ相ゲート信号に対して、Ｕ相ゲート信号を参照してデットタイム調整を行った上で、（Ｘ相ゲート信号１以外の信号２等を除去して）Ｘ相ゲート信号の１つの信号を取り出す。
【００４１】
このようにして取り出されたＵ相ゲート信号１とＸ相ゲート信号１とをリセット・セット・フリップ・フロップ回路（ＲＳ−ＦＦ）に導入することにより、出力電圧信号生成回路１１は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａの動作信号の立ち上がりとＩＧＢＴ式逆変換器４２ｂの動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号（ｇ）を生成する。
【００４２】
出力電流信号生成回路１２は、電流検出器４８により検出された出力電流を基に電力変換装置４の出力電流信号を次のように生成する。
【００４３】
図４に示すように、出力電流信号生成回路１２は、電流検出器４８により検出された出力電流（ｄ）の立ち上がりおよび立ち下がりを２つの二値化回路によりそれぞれ検出する矩形波を生成し、これらの矩形波をリセット・セット・フリップ・フロップ回路（ＲＳ−ＦＦ）に導入することにより、出力電流信号生成回路１２は、出力電流の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号（ｈ）を生成する。
【００４４】
位相差検出回路１３は、図５に示すように、出力電圧信号生成回路１１により生成された出力電圧信号（ｇ）と、出力電流信号生成回路１２により生成された出力電流信号（ｈ）とからフリップ・フロップ回路により位相差信号（ｉ），（ｊ）を生成する。
【００４５】
次に、以上のように構成された誘導溶解炉の制御装置によれば、図６に示すように、誘導溶解炉を周波数制御する場合においても、図７に示すように、誘導溶解炉をパルス幅制御する場合においても、電力変換装置４の出力電圧および出力電流の位相差を検出することができる。
【００４６】
まず、図６を参照して、高周波コンデンサ４７ａ，４７ｂと加熱コイル５１とで構成される直列共振回路の負荷共振周波数ｆ１に対して、電力変換装置４の発振周波数ｆ２を可変制御することで、直列共振回路の昇圧比を調整する周波数制御の場合について説明する。
【００４７】
図６（ａ）は、力率１の場合であり、図６（ｂ）は、遅れ力率の場合である。
【００４８】
まず、図６（ａ）に示す力率１の場合に、制御回路１０は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂへ出力された動作信号であるゲート信号に対して、出力電圧信号生成回路１１により出力電圧信号（ｇ）を生成する。一方、出力電流信号生成回路１２により、出力電流により出力電流信号（ｈ）を生成する。
【００４９】
この場合、電力変換装置４の出力電圧と出力電流とは同期しているため、これらの出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号（ｈ）とから位相差検出回路１３により検出される位相差信号（ｉ），（ｊ）は、いずれもフラットとなっている。
【００５０】
次に、図６（ｂ）に示す遅れ力率の場合に、制御回路１０は、同様に、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂへ出力された動作信号であるゲート信号に対して、出力電圧信号生成回路１１により出力電圧信号（ｇ）を生成し、出力電流信号生成回路１２により、出力電流から出力電流信号（ｈ）を生成する。
【００５１】
この場合、電力変換装置４の出力電圧に対して出力電流が位相遅れとなっているため、これらの出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号（ｈ）とから位相差検出回路１３により検出される位相差信号は、位相遅れを示す信号（ｊ）において、遅れ時間に相当する矩形波が検出される。
【００５２】
次に、図７を参照して、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂのパルス幅をゲート信号により可変させて電力変換装置４の出力を制御するパルス幅制御の場合について説明する。この場合には、仮に仮想中性点（ＣＯＭ）を設定して出力電圧ＹＵ（図１参照）を検出したとしても、図中に破線で囲った領域では、斜線で示すように通電電流の流れる方向によって不要電圧が発生するため、一般に出力電圧の検出が困難である。
【００５３】
図７（ａ）は、力率１の場合であり、図７（ｂ）は、遅れ力率の場合である。
【００５４】
まず、図７（ａ）に示す力率１の場合に、制御回路１０は、同様に、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂへ出力された動作信号であるゲート信号に対して、出力電圧信号生成回路１１により出力電圧信号（ｇ）を生成する。
【００５５】
一方、出力電流信号生成回路１２により、出力電流（ｄ）から出力電流信号（ｈ）を生成する。この場合も、出力電流（ｄ）は不連続となっているが、出力電流（ｄ）の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号（ｈ）を生成する。
【００５６】
これら出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号（ｈ）とから位相差検出回路１３により検出される位相差信号（ｉ），（ｊ）は、電力変換装置４の出力電圧と出力電流とが同期しているため、いずれもフラットとなっている。
【００５７】
次に、図７（ｂ）に示す遅れ力率の場合に、制御回路１０は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂへ出力された動作信号であるゲート信号に対して、出力電圧信号生成回路１１により出力電圧信号（ｇ）を生成する。
【００５８】
この場合には、出力電圧信号生成回路１１は、デットタイム調整を考慮して、実際のＩＧＢＴ式逆変換器４２ａの動作信号の立ち上がりとＩＧＢＴ式逆変換器４２ｂの動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号（ｇ）を生成する。
【００５９】
一方、出力電流信号生成回路１２により、出力電流（ｄ）から出力電流信号（ｈ）を生成する。この場合、出力電流（ｄ）は不連続となっているが、予め出力電流（ｄ）の立ち上がりおよび立ち下がりを２つの二値化回路により検出して矩形波を生成して、これをリセット・セット・フリップ・フロップ回路（ＲＳ−ＦＦ）に導入することで、出力電流（ｄ）の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号（ｈ）を生成することができる。
【００６０】
これら出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号（ｈ）とから位相差検出回路１３により検出される位相差信号（ｉ），（ｊ）は、電力変換装置４の出力電圧に対して出力電流が位相遅れとなっているため、位相遅れを示す信号（ｊ）において、遅れ時間に相当する矩形波が検出される。
【００６１】
以上、詳しく説明したように、本実施形態の誘導溶解炉の制御装置によれば、出力電圧信号生成回路１１により加工された出力電圧信号（ｇ）は、発振周波数が高く、短い周期でＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの動作信号が変化する場合でも、確実に出力電圧を検出することができる。
【００６２】
さらに、出力電流信号生成回路１２により加工された出力電流信号（ｈ）は、電力変換部においてパルス幅制御（ＰＷＣ制御）を行った場合に、出力電流波形自体が不連続になっても確実に出力電流を検出することができる。
【００６３】
そして、加工された出力電圧信号（ｇ）および出力電流信号（ｈ）を位相差検出回路１３などで比較することで、簡易な構成で電力変換装置４の出力電圧と出力電流との位相差を確実に検出することができる。さらに、検出された位相差を基に力率制御を行うことで、電力損失が生じることを抑制することが可能となる。
【００６４】
なお、本実施形態では、制御回路１０がＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号を生成し、その生成した信号を検出する信号検出部としての機能を有する構成について説明したが、信号検出部はこれに限定されるものではない。すなわち、制御回路１０以外に別途、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御信号（動作信号）を検出する信号検出部を設けてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１…電源、２…高圧受電盤、３…変換装置用変圧器、４…電力変換装置（電力変換部）、５…誘導加熱装置、１０…制御回路（信号検出部）、１１…出力電圧信号生成回路、１２…出力電流信号生成回路、１３…位相差検出回路（位相差検出部）、４１ａ，４１ｂ…ダイオード式順変換器、４２ａ，４２ｂ…ＩＧＢＴ式逆変換器（第１および第２スイッチング素子）、４８…電流検出器（電流検出部）、５１…加熱コイル、１００…コントローラ、Ｘ…被溶解材。
【技術分野】
【０００１】
炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の誘導溶解炉の制御装置としては、下記特許文献１に示すように、インバータ回路からなる電力変換部の出力電力と出力電流との位相差を検出する時間差検出部を備えるインバータ装置が知られている。
【０００３】
具体的に、かかる従来の誘導溶解炉の制御装置では、インバータ駆動信号生成部のインバータ駆動信号Ｖｉｎｖの立ち上がりゼロクロス点ａと、電流検出部により検出される負荷に流れる電流ｉｉｎｖの立ち上がりゼロクロス点ｂとの時間差を位相差として検出する（下記特許文献 段落００２２〜００２４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５７３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、かかる従来の誘導溶解炉の制御装置では、電力変換部においてパルス幅制御（ＰＷＣ制御）を行った場合には、電流ｉｉｎｖが不連続となりゼロクロス点ｂを正確に検出することが困難となる。
【０００６】
さらに、インバータ駆動信号生成部における発振周波数が高い場合には、短周期でインバータ駆動信号Ｖｉｎｖおよび負荷に流れる電流ｉｉｎｖが変化するため、インバータ駆動信号Ｖｉｎｖの立ち上がりゼロクロス点ａに対応させて、負荷に流れる電流ｉｉｎｖの立ち上がりゼロクロス点ｂを検出し、これらの間の位相差を検出することは困難である。
【０００７】
以上の事情に鑑みて、本発明は、簡易な構成で電力変換部の出力電圧と出力電流との位相差を確実に検出することができる誘導溶解炉の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明の誘導溶解炉の制御装置は、炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、
順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器とが直列共振型回路を構成する電力変換部と、
前記第１および第２スイッチング素子の動作信号を検出する信号検出部と、
前記電力変換部の出力電流を検出する電流検出部と、
前記信号検出部により検出された前記第１および第２スイッチング素子の動作信号と、前記電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流とに基づいて、前記電力変換部の出力電圧と出力電流との位相差を検出する位相差検出部と
を備え、
前記位相差検出部は、前記信号検出部により検出された前記第１スイッチング素子の動作信号の立ち上がりと前記第２スイッチング素子の動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号とすると共に、前記電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号として、該出力電圧信号と該出力電流信号との位相差を検出することを特徴とする。
【０００９】
かかる第１発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、位相差検出部は、信号検出部により検出された第１および第２スイッチング素子の動作信号から次の出力電圧信号を生成する。
【００１０】
すなわち、出力電圧信号は、第１および第２スイッチング素子の動作信号そのものではなく、第１スイッチング素子の動作信号の立ち上がりと第２スイッチング素子の動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号である。
【００１１】
さらに、位相差検出部は、電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流から次の出力電流信号を生成する。
【００１２】
すなわち、出力電流信号は、電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流そのものではなく、電力変換部の出力電流の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号である。
【００１３】
このようにして加工された出力電流信号は、電力変換部においてパルス幅制御（ＰＷＣ制御）を行った場合に、出力電流波形自体が不連続になっても確実に出力電流を検出することができる。
【００１４】
さらに、このようにして加工された出力電圧信号は、発振周波数が高く、短い周期で第１および第２スイッチング素子の動作信号が変化する場合でも、確実に出力電圧を検出することができる。
【００１５】
そして、加工された出力電圧信号および出力電流信号とを位相差検出回路などで比較することで、簡易な構成で電力変換部の出力電圧と出力電流との位相差を確実に検出することができる。
【００１６】
第２発明の誘導溶解炉の制御装置は、第１発明において、
前記位相差検出部は、前記信号検出部により検出された前記第１および第２スイッチング素子の動作信号の各立ち上がりエッジをＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路により前記出力電圧信号を生成すると共に、前記電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流の立ち上がりエッジおよび立下りエッジをそれぞれＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路により前記出力電流信号を生成することを特徴とする。
【００１７】
かかる第２発明の誘導溶解炉の制御装置によれば、信号検出部により検出された第１および第２スイッチング素子の動作信号の各立ち上がりエッジをＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を用いることで、第１スイッチング素子の動作信号の立ち上がりと第２スイッチング素子の動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号を簡易かつ確実に生成することができる。
【００１８】
また、電流検出部により検出された電力変換部の出力電流の立ち上がりエッジおよび立下りエッジをそれぞれＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を用いることで、電力変換部の出力電流の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号を簡易かつ確実に生成することができる。
【００１９】
このように、出力波形のエッジをＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路を用いることで、簡易な構成で電力変換部の出力電圧と出力電流との位相差を確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】誘導溶解炉の制御装置の構成を示す全体構成図。
【図２】制御回路の構成を示す説明図。
【図３】制御回路の出力電圧信号生成回路の処理内容を示す説明図。
【図４】制御回路の出力電流信号生成回路の処理内容を示す説明図。
【図５】制御回路の位相差検出回路の処理内容を示す説明図。
【図６】周波数制御時の位相差検出の例を示す説明図。
【図７】パルス幅制御時の位相差検出の例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１を参照して、本実施形態の誘導溶解炉の制御装置について説明する。誘導溶解炉は、溶解炉内に収納された被加熱材Ｘを溶解させるものである。
【００２２】
具体的に、誘導溶解炉の制御装置は、電源１と、高圧受電盤２と、変換装置用変圧器３と、電力変換装置４（本発明の電力変換部に相当する）と、誘導加熱装置５と、制御回路１０（本発明の位相差検出部としての機能を有する）と、コントローラ１００とを備える。
【００２３】
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。
【００２４】
高圧受電盤２は、誘導溶解炉への電源通電・停止と故障発生時の電源遮断を行う装置であって、パワーヒューズ２ａと遮断器２ｂとを備える。パワーヒューズ２ａは、短絡事故時に電流遮断する手段であって、遮断器２ｂは、電源の通電と停止に伴う開閉動作を行う。
【００２５】
変換装置用変圧器３は、高圧受電盤２に接続され、電力変換装置４への入力電圧が所定の値となるように調整する。
【００２６】
電力変換装置４は、変換装置用変圧器３に接続され、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源から任意の高周波電圧を生成するための装置であって、交流/直流変換器である順変換器４１ａ，４１ｂと、直流/交流変換器である逆変換器４２ａ，４２ｂとを備え、制御回路１０からの出力制御信号により制御される。
【００２７】
具体的に、電力変換装置４は、入力側にダイオード式順変換器４１ａ，４１ｂを備え、出力側にＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂを備え、順変換器４１ａ，４１ｂには直列に直流リアクトル４３が接続されると共に、順変換器４１ａ，４１ｂに並列に直流コンデンサ４４が接続される。
【００２８】
なお、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａが本発明の第１スイッチング素子に相当し、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ｂが本発明の第２スイッチング素子に相当する。
【００２９】
さらに、電力変換装置４は、順変換器４１ａ，４１ｂの出力側の直流電圧（ａ）を検出して出力する直流電圧検出器４５と、直流電流（ｂ）を検出して出力する直流電流検出器４６とを備え、直流電圧検出器４５および直流電流検出器４６の出力値は、制御回路１０に出力される。
【００３０】
なお、制御回路１０による電力変換装置４の制御内容については詳細を後述する。
【００３１】
逆変換器４２ａ，４２ｂと誘導加熱装置５との間には、高周波整合装置として機能を有する、力率調整用高周波コンデンサ４７ａ，４７ｂと、出力電流（ｄ）を検出して出力する電流検出器４８（本発明の電流検出部に相当する）と、出力電圧（ｅ）を検出して出力する電圧検出器４９とを備える。ここで、電流検出器４８および電圧検出器４９の出力値は、制御回路１０に出力される。
【００３２】
誘導加熱装置５は、電力変換装置４から供給される高周波電流を加熱コイル５１に通電させることにより、溶解炉本体内に収納された被加熱材Ｘにうず電流を発生させ、うず電流により金属材料間に発生するジュール熱で被加熱材Ｘを昇温させて溶解させる。
【００３３】
コントローラ１００は、誘導溶解炉の運転・停止を始めとする誘導溶解炉の運転の全般を制御する。
【００３４】
次に、説明を後回しにした制御回路１０について、図２を参照して説明する。
【００３５】
制御回路１０は、誘導溶解炉の制御装置としてＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号生成部としての機能を備えるほか、図２に示すように、本発明の位相差検出部としての機能を有する出力電圧信号生成回路１１と、出力電流信号生成回路１２と、位相差検出回路１３とを備える。
【００３６】
なお、本実施形態において、制御回路１０がＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号を生成し、その生成した信号を検出する信号検出部としての機能を有する。
【００３７】
出力電圧信号生成回路１１は、制御回路１０からＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂへ出力された動作信号であるゲート信号を検出して、かかるゲート信号を基に電力変換装置４の出力電圧信号を次のように生成する。
【００３８】
図３に示すように、出力電圧信号生成回路１１は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａのゲート信号であるＵ相ゲート信号に対して、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ｂのゲート信号であるＸ相ゲート信号を参照してデットタイム調整を行った上で、（Ｕ相ゲート信号１以外の信号２等を除去して）Ｕ相ゲート信号の１つの信号を取り出す。
【００３９】
ここで、デットタイム調整を行うのは、電力変換装置４の出力電圧は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂのゲート信号に同期して出力されるものであるため、実際のゲート信号に合わせるためである。なお、デットタイム調整後のゲート信号を検出する場合には、かかるデットタイム調整を行う必要はない。
【００４０】
同様にして、出力電圧信号生成回路１１は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ｂのゲート信号であるＸ相ゲート信号に対して、Ｕ相ゲート信号を参照してデットタイム調整を行った上で、（Ｘ相ゲート信号１以外の信号２等を除去して）Ｘ相ゲート信号の１つの信号を取り出す。
【００４１】
このようにして取り出されたＵ相ゲート信号１とＸ相ゲート信号１とをリセット・セット・フリップ・フロップ回路（ＲＳ−ＦＦ）に導入することにより、出力電圧信号生成回路１１は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａの動作信号の立ち上がりとＩＧＢＴ式逆変換器４２ｂの動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号（ｇ）を生成する。
【００４２】
出力電流信号生成回路１２は、電流検出器４８により検出された出力電流を基に電力変換装置４の出力電流信号を次のように生成する。
【００４３】
図４に示すように、出力電流信号生成回路１２は、電流検出器４８により検出された出力電流（ｄ）の立ち上がりおよび立ち下がりを２つの二値化回路によりそれぞれ検出する矩形波を生成し、これらの矩形波をリセット・セット・フリップ・フロップ回路（ＲＳ−ＦＦ）に導入することにより、出力電流信号生成回路１２は、出力電流の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号（ｈ）を生成する。
【００４４】
位相差検出回路１３は、図５に示すように、出力電圧信号生成回路１１により生成された出力電圧信号（ｇ）と、出力電流信号生成回路１２により生成された出力電流信号（ｈ）とからフリップ・フロップ回路により位相差信号（ｉ），（ｊ）を生成する。
【００４５】
次に、以上のように構成された誘導溶解炉の制御装置によれば、図６に示すように、誘導溶解炉を周波数制御する場合においても、図７に示すように、誘導溶解炉をパルス幅制御する場合においても、電力変換装置４の出力電圧および出力電流の位相差を検出することができる。
【００４６】
まず、図６を参照して、高周波コンデンサ４７ａ，４７ｂと加熱コイル５１とで構成される直列共振回路の負荷共振周波数ｆ１に対して、電力変換装置４の発振周波数ｆ２を可変制御することで、直列共振回路の昇圧比を調整する周波数制御の場合について説明する。
【００４７】
図６（ａ）は、力率１の場合であり、図６（ｂ）は、遅れ力率の場合である。
【００４８】
まず、図６（ａ）に示す力率１の場合に、制御回路１０は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂへ出力された動作信号であるゲート信号に対して、出力電圧信号生成回路１１により出力電圧信号（ｇ）を生成する。一方、出力電流信号生成回路１２により、出力電流により出力電流信号（ｈ）を生成する。
【００４９】
この場合、電力変換装置４の出力電圧と出力電流とは同期しているため、これらの出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号（ｈ）とから位相差検出回路１３により検出される位相差信号（ｉ），（ｊ）は、いずれもフラットとなっている。
【００５０】
次に、図６（ｂ）に示す遅れ力率の場合に、制御回路１０は、同様に、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂへ出力された動作信号であるゲート信号に対して、出力電圧信号生成回路１１により出力電圧信号（ｇ）を生成し、出力電流信号生成回路１２により、出力電流から出力電流信号（ｈ）を生成する。
【００５１】
この場合、電力変換装置４の出力電圧に対して出力電流が位相遅れとなっているため、これらの出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号（ｈ）とから位相差検出回路１３により検出される位相差信号は、位相遅れを示す信号（ｊ）において、遅れ時間に相当する矩形波が検出される。
【００５２】
次に、図７を参照して、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂのパルス幅をゲート信号により可変させて電力変換装置４の出力を制御するパルス幅制御の場合について説明する。この場合には、仮に仮想中性点（ＣＯＭ）を設定して出力電圧ＹＵ（図１参照）を検出したとしても、図中に破線で囲った領域では、斜線で示すように通電電流の流れる方向によって不要電圧が発生するため、一般に出力電圧の検出が困難である。
【００５３】
図７（ａ）は、力率１の場合であり、図７（ｂ）は、遅れ力率の場合である。
【００５４】
まず、図７（ａ）に示す力率１の場合に、制御回路１０は、同様に、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂへ出力された動作信号であるゲート信号に対して、出力電圧信号生成回路１１により出力電圧信号（ｇ）を生成する。
【００５５】
一方、出力電流信号生成回路１２により、出力電流（ｄ）から出力電流信号（ｈ）を生成する。この場合も、出力電流（ｄ）は不連続となっているが、出力電流（ｄ）の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号（ｈ）を生成する。
【００５６】
これら出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号（ｈ）とから位相差検出回路１３により検出される位相差信号（ｉ），（ｊ）は、電力変換装置４の出力電圧と出力電流とが同期しているため、いずれもフラットとなっている。
【００５７】
次に、図７（ｂ）に示す遅れ力率の場合に、制御回路１０は、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂへ出力された動作信号であるゲート信号に対して、出力電圧信号生成回路１１により出力電圧信号（ｇ）を生成する。
【００５８】
この場合には、出力電圧信号生成回路１１は、デットタイム調整を考慮して、実際のＩＧＢＴ式逆変換器４２ａの動作信号の立ち上がりとＩＧＢＴ式逆変換器４２ｂの動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号（ｇ）を生成する。
【００５９】
一方、出力電流信号生成回路１２により、出力電流（ｄ）から出力電流信号（ｈ）を生成する。この場合、出力電流（ｄ）は不連続となっているが、予め出力電流（ｄ）の立ち上がりおよび立ち下がりを２つの二値化回路により検出して矩形波を生成して、これをリセット・セット・フリップ・フロップ回路（ＲＳ−ＦＦ）に導入することで、出力電流（ｄ）の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号（ｈ）を生成することができる。
【００６０】
これら出力電圧信号（ｇ）と出力電流信号（ｈ）とから位相差検出回路１３により検出される位相差信号（ｉ），（ｊ）は、電力変換装置４の出力電圧に対して出力電流が位相遅れとなっているため、位相遅れを示す信号（ｊ）において、遅れ時間に相当する矩形波が検出される。
【００６１】
以上、詳しく説明したように、本実施形態の誘導溶解炉の制御装置によれば、出力電圧信号生成回路１１により加工された出力電圧信号（ｇ）は、発振周波数が高く、短い周期でＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの動作信号が変化する場合でも、確実に出力電圧を検出することができる。
【００６２】
さらに、出力電流信号生成回路１２により加工された出力電流信号（ｈ）は、電力変換部においてパルス幅制御（ＰＷＣ制御）を行った場合に、出力電流波形自体が不連続になっても確実に出力電流を検出することができる。
【００６３】
そして、加工された出力電圧信号（ｇ）および出力電流信号（ｈ）を位相差検出回路１３などで比較することで、簡易な構成で電力変換装置４の出力電圧と出力電流との位相差を確実に検出することができる。さらに、検出された位相差を基に力率制御を行うことで、電力損失が生じることを抑制することが可能となる。
【００６４】
なお、本実施形態では、制御回路１０がＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御を行う制御信号を生成し、その生成した信号を検出する信号検出部としての機能を有する構成について説明したが、信号検出部はこれに限定されるものではない。すなわち、制御回路１０以外に別途、ＩＧＢＴ式逆変換器４２ａ，４２ｂの制御信号（動作信号）を検出する信号検出部を設けてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１…電源、２…高圧受電盤、３…変換装置用変圧器、４…電力変換装置（電力変換部）、５…誘導加熱装置、１０…制御回路（信号検出部）、１１…出力電圧信号生成回路、１２…出力電流信号生成回路、１３…位相差検出回路（位相差検出部）、４１ａ，４１ｂ…ダイオード式順変換器、４２ａ，４２ｂ…ＩＧＢＴ式逆変換器（第１および第２スイッチング素子）、４８…電流検出器（電流検出部）、５１…加熱コイル、１００…コントローラ、Ｘ…被溶解材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、
順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器とが直列共振型回路を構成する電力変換部と、
前記第１および第２スイッチング素子の動作信号を検出する信号検出部と、
前記電力変換部の出力電流を検出する電流検出部と、
前記信号検出部により検出された前記第１および第２スイッチング素子の動作信号と、前記電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流とに基づいて、前記電力変換部の出力電圧と出力電流との位相差を検出する位相差検出部と
を備え、
前記位相差検出部は、前記信号検出部により検出された前記第１スイッチング素子の動作信号の立ち上がりと前記第２スイッチング素子の動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号とすると共に、前記電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号として、該出力電圧信号と該出力電流信号との位相差を検出することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の誘導溶解炉の制御装置において、
前記位相差検出部は、前記信号検出部により検出された前記第１および第２スイッチング素子の動作信号の各立ち上がりエッジをＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路により前記出力電圧信号を生成すると共に、前記電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流の立ち上がりエッジおよび立下りエッジをそれぞれＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路により前記出力電流信号を生成することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項１】
炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉の制御装置であって、
順変換器と、第１および第２スイッチング素子が交互に動作する逆変換器とが直列共振型回路を構成する電力変換部と、
前記第１および第２スイッチング素子の動作信号を検出する信号検出部と、
前記電力変換部の出力電流を検出する電流検出部と、
前記信号検出部により検出された前記第１および第２スイッチング素子の動作信号と、前記電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流とに基づいて、前記電力変換部の出力電圧と出力電流との位相差を検出する位相差検出部と
を備え、
前記位相差検出部は、前記信号検出部により検出された前記第１スイッチング素子の動作信号の立ち上がりと前記第２スイッチング素子の動作信号の立ち上がりとにより規定される時間領域をＯＮ信号とする出力電圧信号とすると共に、前記電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流の立ち上がりから次の立ち下がりまでの間をＯＮ信号とする出力電流信号として、該出力電圧信号と該出力電流信号との位相差を検出することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の誘導溶解炉の制御装置において、
前記位相差検出部は、前記信号検出部により検出された前記第１および第２スイッチング素子の動作信号の各立ち上がりエッジをＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路により前記出力電圧信号を生成すると共に、前記電流検出部により検出された前記電力変換部の出力電流の立ち上がりエッジおよび立下りエッジをそれぞれＯＮ信号として、リセット・セット・フリップ・フロップ回路により前記出力電流信号を生成することを特徴とする誘導溶解炉の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２４３６９２（Ｐ２０１２−２４３６９２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１５３１８（Ｐ２０１１−１１５３１８）
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００２４２１２７）北芝電機株式会社 (53)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００２４２１２７）北芝電機株式会社 (53)
【Ｆターム（参考）】
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