感應加熱用電源裝置的製作方法

2023-04-26 05:20:16

專利名稱：感應加熱用電源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及感應加熱用電源裝置，尤其涉及用於對感應加熱裝置的 感應線圈(也稱作工作線圈)供給高頻的交變脈衝電流的感應加熱用電 源裝置。
背景技術：
以往，在感應加熱裝置的感應線圈那樣的電感負載中流過交變脈衝
電流的情況下，由於在電感負載中儲存的磁(smibber)能效應，需要從 電源供給伴隨電流變化的高電壓。
根據由半導體開關構成的現有的電壓型換流器，為了在感應線圈中 流過交變脈衝電流，需要讓換流器輸出伴隨電流變化的電壓，但在換流 器的電流和電壓之間產生了相位差，形成所謂的功率因數差的電源。
通過將在高頻電路中經常使用的諧振電容器與感應線圈並聯或串聯 連接能夠改善功率因數，能夠降低換流器電容。感應加熱裝置用換流器 在使用固定的諧振電容器時，在由L和C決定的1個頻率中只能改善功 率因數。
如果使用對電路的磁能進行儲存並在負載中進行再生的磁能再生開 關(Magnetic Energy Recovery Switch:磁能恢復開關，以下稱作"MERS"，
參照專利文獻1。)進行導通/截止，則具有以下優點由於能夠通過流入
磁能儲存電容器的電流而自動產生使電流突變所需要的電壓，因此不需 要從電源供給該電壓。
圖2是表示本發明者已經提出的交變脈衝電流發生裝置(參照專利 文獻2、 3。)。
如圖2所示，如果在交流電源5和感應性負載3之間插入MERS從 而使MERS與交流電源5同步地進行導通/截止，則感應性負載3的磁能儲存在能量儲存電容器2中，能夠再次在感應性負載3中再生該能量， 因此由感應性負載3的電感導致的過渡電壓全部在開關MERS中產生。
在電阻成分少而以電感為主的感應性負載中流過交變脈衝電流的情 況下，以往由於在感應性負載中儲存的磁能效應，需要從電源供給伴隨 電流變化的高電壓，但是在圖2的情況下，具有電源電壓僅為電阻成分 電壓(低電壓)即可的優點並提出了專利申請。
專利文獻1日本特開2000-358359號公報
專利文獻2日本特開2004-260991號公報
專利文獻3日本特開2005-223867號公報
但是，圖2所示的交變脈衝電流發生裝置需要將感應性負載3與低 電壓並且大電流的交流電源5串聯連接，因此作為感應加熱用電源裝置 使用便利性不好。

發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種能夠充分發揮相關的MERS的優 點，並且不需要大電流的交流電源，結構簡單且部件數少，產生交變脈 衝電流的感應加熱用電源裝置。
本發明涉及用於對感應線圈供給高頻的交變脈衝電流的感應加熱用 電源裝置，所述感應線圈用於對被加熱物進行感應加熱，本發明的上述 目的通過具有以下特徵的感應加熱用電源裝置來實現，該感應加熱用電 源裝置具有直流電源(5);平滑用線圈(4)，其用於對來自該直流電 源的直流電進行平滑；電橋電路(1)，其將4個由自消弧型元件和二極 管的逆並聯電路構成的反嚮導通型半導體開關進行橋接而構成；電容器 (2),其連接在所述電橋電路(1)的直流端子間，並且在所述電橋電路 (1)的幵關截止時對電路的再生磁能進行儲存；以及控制單元(6)，其 控制所述反嚮導通型半導體開關的導通/截止，並且所述控制單元(6)進 行控制以便按照向所述感應線圈(3)供給的交變脈衝電流的周期，使所 述反嚮導通型半導體開關中的位於對角線上的開關對同時導通/截止，並 且2組開關對不會同時導通，並且迸行運轉控制以使得所產生的所述交變脈衝電流的頻率比根據所述感應線圈(3)的電感和所述電容器(2) 的靜電電容所確定的諧振頻率低，由此不論脈衝頻率如何都能夠維持諧 振條件，對電路的磁能進行再生並再利用，並且從所述直流電源(5)經 由所述平滑用線圈(4)對所述電容器(2)進行充電，由此對所述感應 線圈(3)持續供給交變脈衝電流。
此外，本發明的上述目的通過具有以下特徵的所述感應加熱用電源 裝置來實現，該感應加熱用電源裝置代替所述直流電源(5)，從商用交 流電源將經由整流用橋式二極體進行了整流的直流電提供給所述平滑用 線圈(4)。


圖1是表示本發明涉及的感應加熱用電源裝置的結構的電路框圖。 圖2是以往的使用了磁能再生開關的脈衝電流發生裝置。 圖3是本發明涉及的感應加熱用電源裝置的脈衝電流發生的動作說 明圖。
圖4是對從直流電壓注入電力(電容器的充電)進行說明的圖。 圖5是表示通過商用頻率電源進行驅動時的實施例的圖。 圖6是表示圖5的實施例的仿真條件和結果的圖。 圖7是模型實驗的電路圖和實驗結果。
圖8是表示使用了半橋結構的磁能再生開關的感應加熱用電源裝置 的實施例的圖。
具體實施例方式
圖1是表示本發明涉及的感應加熱用電源裝置的結構的電路框圖。 感應加熱用電源裝置具有直流電源5;用於對來自直流電源5的直流電進 行平滑的平滑用線圈4;將4個由自消弧型元件和二極體的逆並聯電路構 成的反嚮導通型半導體開關(SW1 SW4)進行橋接而構成的電橋電路1; 連接在電橋電路1的直流端子之間、並且在電橋電路1的開關截止時儲 存電路的再生磁能的電容器2;控制反嚮導通型半導體開關的導通/截止的控制單元6;以及包含用於對被加熱物進行加熱的感應線圈的感應性負
載3。具有電容器2隻要具有僅能吸收感應性負載3的磁能的極小的靜電 電容即可的優點。
使用圖3對感應加熱用電源裝置的動作進行說明。首先，從向電容 器2充了電壓後的狀態開始，但是當向圖3 (1)的磁能再生開關的開關 SW1、 SW3的開關對發送選通信號從而使它們導通時，電容器2的電荷 放電到負載3 (電流沿箭頭方向流動)。此時，在使(SW2、 SW4)的開 關對導通的情況下，負載3中流過的電流的方向與箭頭相反。由此，能 夠通過使哪一個開關對導通，來選擇電流的方向。能夠通過使一對開關 SW1、 SW3中的哪個開關截止來使電容器2的電流停止，線圈電流經由 二極體持續流過。例如，在使SW1截止的情況下電流經由SW4的二極 管流過。
接下來，如圖3 (2)所示，當電容器放電，電壓成為零時，SW2和 SW4的二極體自動導通，電流在所有開關中回流並持續流過(並聯導通 狀態)。在負載中流過的電流由於負載的電阻R而衰減。
接下來，如圖3 (3)所示，當所有開關截止時，負載的電流經由二 極管自動地充電到電容器，在電流停止前電容器的電壓一直上升。在電 流停止時，再生磁能移動到了儲存電容器。在此處返回圖3 (1)的狀態。 此時電容器的電壓極性不論電流的方向如何而始終相同。
電容器的靜電電容小、與負載的電感L的諧振頻率比脈衝頻率高， 因此半導體開關成為零電壓開關、零電流開關。即，成為使用磁能再生 開關，對感應性負載的磁能進行再生，在感應性負載中交替產生雙極性 電流脈衝的結構。
交變脈衝電流在感應性負載的感應線圈所包含的電阻成分R、或被 電磁感應的2次電阻中消耗能量，從而電流衰減。能量的注入通過恆流 電源5進行。將儲存電容器2與恆流電源5連接，從而在電流切換時在L 與C的諧振的半周期之間、以及停止了選通後(將所有開關設為截止後) 線圈電流停止的期間，在電容器2的兩端出現電容器電壓，因此此處從 恆流電源5注入(電流)x (電容器電壓)的電力(圖4)。恆流電源5能夠通過經由平滑用線圈4的電壓源來實現，所述平滑 用線圈4具有大電感。此時，電源電流通過平滑用線圈4而變成紋波少 的直流，比振動的脈衝負載電流小。恆流電源5能夠以高電壓、小電流 構成是本發明的特徵，具有來自恆流電源5的供電線可以較細的優點。實施例1
圖5表示仿真電路。電路常數為能量儲存電容器2: C=0.47mF、 感應負載線圈3: L=lmH、等效電阻R-5Q、電流源電感4 (平滑用線圈) L-40mH、直流電源用橋式二極體7對IOOV交流進行了整流的電源。
電路動作的說明與輸入電力和輸出的概要計算如下。
(1) 經由大電感4連接電源，因此流過紋波少的電流。
(2) 在電容器中產生電壓的期間，流入恆流Iin，從電源注入電力。
電容器的電壓產生的期間是負載L和能量儲存電容器C的半周期的LC
諧振狀態的期間，在交變脈衝的1周期中有2次該期間，因此其時間T 為T - 2 tciT (L C)。
(3) 電容器電壓的大小是平均值，為峰值電壓Vc的2/兀，因此 電壓越大此期間的電力Pin越大。此外，如果電源電壓恆定，則電容器電 壓越大電流越下降。
(4) 當使所有開關截止來停止負載電流時，電容器儲存磁能，在保 持其電壓的時間內電力流入。
(5) 當短路時沒有電壓，因此將其時間比、電容器電壓的平均值定 義為波形率D時，Pin='D*Vc * I in。
(6) 在本仿真的例子中，當設D為0.65時，D依賴於電容器電壓波形。
formula see original document page 7
此外，感應性負載3的等效電阻R與coL之比是該LC諧振電路的Q，
因此
formula see original document page 7
當設電容器的峰值電壓為Vc時，若設LC電路的波阻抗(surge i叩edance)為2 =廠(L/c〉，則感應線圈的最大電流Imax為I max= V c / Z
將該Imax的電流被等效電阻R消耗的電力設為Wr。包括即使電流 被二極體鉗位而成為直流也通過電阻衰減的情況在內，能夠如下地概略 近似。
W r = I坦ax * I max* R / g
在Wr與Pin平衡之前，電壓/電流的振動增長。
P in-O. 65* I nax* Z * I in- I邁ax承I max* R / 2
此處，根據該式Imax和Iin的電流比為 I磁/ I in- 2 *0.65* Z/R-1.3* Z/RI nax/ I in^ Z/R
該比值與電路的Q成為大致相同的值，是模擬能夠接受的結果。即， 考慮在負載中流過恆流輸入Iin的Q倍的電流。
在本仿真的情況下，L-lmH、 C=0.47^F、 R=5Q，因此成為 Z=/" (L/C〉=化12，當設nn-o,5A時，成為 I邁ax/ I in^ I max = 9, 2承I in=4* 6A
計算值與仿真結果(圖6)在概要計算中一致。
在以上的概要計算中重要的方面是，輸入電力Pin與負載R和電流 的平方成比例，並且與直流電源電壓成比例。所謂的流過與電源電壓成 比例的電流是指，將與電壓相位同相的電流，例如如果將用整流用橋式 二極體整流過的交流的半波設為直流電源，則成為功率因數1的交流輸 入。
實施例2
圖7是表示模型實驗的電路圖和結果的圖，如圖所示從商用交流電 源8通過整流用橋式二極體7供給電流，則交流電流與電壓成為同相， 從交流電源輸出的高次諧波也變少，並且交流輸入功率因數變好。實施例3如圖8所示，即使用半橋結構來構成磁能再生開關也能夠獲得相同 的效果。即，也可以用以下的半橋結構的磁能再生開關來替換由電橋電
路(1)和電容器(2)構成的磁能再生開關設電橋的一側臂為兩個反 嚮導通型半導體開關的串聯連接，另一側的臂為兩個電容器的串聯連接，
用並聯二極體對各電容器進行鉗位。電容器成為圖1時的2倍的靜電電
容，但是開關是兩個而且在二極體中僅在短時間內流過電流。
本發明的感應加熱用電源裝置具有以下的優良效果僅利用磁能再
生開關(MERS)就能夠產生交變脈衝電流，並且能夠通過開關MERS 的選通信號的控制來改變交變脈衝電流的頻率。
權利要求
1. 一種感應加熱用電源裝置，其用於對感應線圈(3)供給高頻的交變脈衝電流，所述感應線圈(3)用於對被加熱物進行感應加熱，其特徵在於，該感應加熱用電源裝置具有直流電源(5)；平滑用線圈(4)，其用於對來自該直流電源的直流電進行平滑；電橋電路(1)，其將4個由自消弧型元件和二極體的逆並聯電路構成的反嚮導通型半導體開關進行橋接而構成；電容器(2)，其連接在所述電橋電路(1)的直流端子間，並且在所述電橋電路(1)的開關截止時對電路的再生磁能進行儲存；以及控制單元(6)，其控制所述反嚮導通型半導體開關的導通/截止，並且，所述控制單元(6)控制成按照向所述感應線圈(3)供給的交變脈衝電流的周期，使所述反嚮導通型半導體開關中的位於對角線上的開關對同時導通/截止，且2組開關對不同時導通，並且運轉控制成使產生的所述交變脈衝電流的頻率比根據所述感應線圈(3)的電感和所述電容器(2)的靜電電容所確定的諧振頻率低，由此不論脈衝頻率如何都能夠維持諧振條件，對電路的磁能進行再生並再利用，並且從所述直流電源(5)經由所述平滑用線圈(4)對所述電容器(2)進行充電，由此對所述感應線圈(3)持續供給交變脈衝電流。
2. 根據權利要求l所述的感應加熱用電源裝置，其特徵在於， 代替所述直流電源(5)，從商用交流電源將經由整流用橋式二極體進行了整流的直流電提供給所述平滑用線圈(4)。
3. —種感應加熱裝置，其特徵在於，該感應加熱裝置具有用於對被 加熱物進行感應加熱的感應線圈；以及權利要求1或2所述的感應加熱 用電源裝置，從所述感應加熱用電源裝置向所述感應線圈供給高頻的交 變脈衝電流從而進行感應加熱。
全文摘要
使反嚮導通型半導體開關為電橋結構，能量儲存電容器與該反嚮導通型半導體開關的直流端子連接從而成為磁能再生開關，感應線圈與該反嚮導通型半導體開關的交流端子連接。通過向半導體開關施加選通信號使其導通/截止來獲得可變頻率的交變脈衝電流，通過磁能的再生而自動產生電壓，因此從直流電源經由平滑用線圈與電容器的兩端連接從而注入電力。
文檔編號H02M7/48GK101523713SQ20078003716
公開日2009年9月2日 申請日期2007年9月21日 優先權日2006年10月5日
發明者北原忠幸, 嶋田隆一, 福谷和彥 申請人:國立大學法人東京工業大學