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技術 誘導加熱装置の制御方法

出願人 JFEスチール株式会社
発明者 山崎孝博湯澤秀行
出願日 2002年4月30日 (18年7ヶ月経過) 出願番号 2002-127941
公開日 2003年11月14日 (17年0ヶ月経過) 公開番号 2003-323967
状態 未査定
技術分野 誘導加熱一般
主要キーワード 積分路 複数セクション 電源インバータ 最終コイル 加熱タイ 端部検出器 周回積分 電流一定制御
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この項目の情報は公開日時点(2003年11月14日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (20)

課題

鋼管など先後端を備えた被加熱材誘導加熱する場合に、先後端の非定常部の温度偏差を無くし、長手方向(搬送方向)の温度分布を均一にする技術を提供する。

解決手段

被加熱材の先端の位置と後端の位置をトラッキングし、被加熱材の通過中の各誘導加熱コイル電流が一定となるように、誘導加熱装置端子電圧を制御する。

概要

背景

誘導加熱によって先後端を有する被加熱材長手方向に搬送しながら加熱する誘導加熱装置では、被加熱材の中間部に対して先端及び後端の温度が変動する問題がある。誘導加熱装置の電力一定電力にして加熱する技術では被加熱材の端部のみが加熱装置内にある時は加熱装置内の被加熱材の体積が中間部加熱時に比べ小さいため、加熱装置側から見た必要電力も小さく、一定電力では端部を加熱しすぎる。また電流が流れないと電力が発生しないので、制御応答も遅い。

一定電圧で被加熱材を加熱する場合には、加熱端部のみ加熱装置内にある時に電源から見たインピーダンスが大きいので、端子電圧が一定でもコイル電流(磁束)は小さい。このため、被加熱材全体が誘導加熱装置に入るまで、加熱不足となる。

被加熱材が誘導加熱装置に入ったとき入側で温度を測定し、目標温度との差の積分値に基づき加熱装置に電力指令を与えるビレット加熱技術が特開平11−43723号公報に開示されている。また、入側で温度を測定し、板厚方向の平均温度を算出し、目標温度との差に基づき母材長手方向の各位置に対応する電力を加熱装置に与える技術もある。これは圧延材を対象とするもので特開2000−176525号公報に開示されている。また、入側で粗バーの温度を測定し、長手方向極大値曲線測定温度との差に基づき加熱温度を制御する電力制御技術もある(特開2000−182760号公報)。入側と出側で温度を測定し、測温値、目標温度、移動速度から被加熱材の厚み方向温度分布を求め、加熱装置に設定する電力量を決定する技術も特開2000−208241号公報に示されている。これらの技術は上述の一定電力で制御する場合と同様に1セクション当りコイル長を十分に短くしない限り、管端を加熱しすぎる問題がある。

さらに、加熱コイルを2つ以上に分割し、被加熱材を最終コイル入側で測温し、当該位置の加熱タイミングで制御電圧補正する技術が特開平10−144462号公報に開示されているが、補正用コイルと電源(インバータ)が必要なため設備コストが高い。また加熱コイル進入過渡期制御方法が無いと十分均熱化できない。

また、加熱コイルを複数セクションに分割する技術もある。例えば、被加熱材の温度が所定温度に到達するまで電源インバータの電圧または搬送速度を制御する(特開2000−40580号公報)。この技術も、補正用コイルと電源(インバータ)が必要なため設備コストが高い。

鋼管の加熱技術として加熱コイル内の鋼管の体積に比例して、入熱量を補正する技術が特開昭60−135528号公報で提示されている。この技術では電流が流れないと電力が発生しないので、制御応答が遅いという問題がある。また、加熱コイルに被加熱材が進入するに従って電力効率が変化するので、体積に比例した入熱量を正確に設定することは非常に困難である。

概要

鋼管など先後端を備えた被加熱材を誘導加熱する場合に、先後端の非定常部の温度偏差を無くし、長手方向(搬送方向)の温度分布を均一にする技術を提供する。

被加熱材の先端の位置と後端の位置をトラッキングし、被加熱材の通過中の各誘導加熱コイルの電流が一定となるように、誘導加熱装置の端子電圧を制御する。

目的

本発明は、例えば鋼管など先後端を備えた被加熱材を誘導加熱する場合に、長手方向(搬送方向)の温度分布を均一にする技術を提供するもので、特に、先後端の非定常部の温度偏差を無くした誘導加熱装置の制御方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

先後端を備えた被加熱材長手方向に搬送しながら誘導加熱するに当り、被加熱材の先端の位置と後端の位置をトラッキングし、被加熱材の通過中の各誘導加熱コイル電流が一定となるように、誘導加熱装置端子電圧を制御することを特徴とする誘導加熱装置の制御方法

請求項2

先後端を備えた被加熱材を長手方向に搬送しながら誘導加熱するに当り、被加熱材の先端の位置と後端の位置をトラッキングし、被加熱材の通過中の各誘導加熱装置の端子電圧を一定に保ちつつ、コイル電流に比例した搬送速度で被加熱材を搬送することを特徴とする誘導加熱装置の制御方法。

請求項3

誘導加熱装置の端子電圧を一定に保ち、被加熱材の寸法に合わせた先後端フォーシング電圧を誘導加熱装置に設定して被加熱材を搬送することを特徴とする請求項2記載の誘導加熱装置の制御方法。

請求項4

誘導加熱装置の入側温度計の測定に基づき、平均温度補償を行うことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の誘導加熱装置の制御方法。

技術分野

0001

本発明は、先後端を有する被加熱材を搬送中に加熱する誘導加熱装置制御方法に関する。

背景技術

0002

誘導加熱によって先後端を有する被加熱材を長手方向に搬送しながら加熱する誘導加熱装置では、被加熱材の中間部に対して先端及び後端の温度が変動する問題がある。誘導加熱装置の電力一定電力にして加熱する技術では被加熱材の端部のみが加熱装置内にある時は加熱装置内の被加熱材の体積が中間部加熱時に比べ小さいため、加熱装置側から見た必要電力も小さく、一定電力では端部を加熱しすぎる。また電流が流れないと電力が発生しないので、制御応答も遅い。

0003

一定電圧で被加熱材を加熱する場合には、加熱端部のみ加熱装置内にある時に電源から見たインピーダンスが大きいので、端子電圧が一定でもコイル電流(磁束)は小さい。このため、被加熱材全体が誘導加熱装置に入るまで、加熱不足となる。

0004

被加熱材が誘導加熱装置に入ったとき入側で温度を測定し、目標温度との差の積分値に基づき加熱装置に電力指令を与えるビレット加熱技術が特開平11−43723号公報に開示されている。また、入側で温度を測定し、板厚方向の平均温度を算出し、目標温度との差に基づき母材長手方向の各位置に対応する電力を加熱装置に与える技術もある。これは圧延材を対象とするもので特開2000−176525号公報に開示されている。また、入側で粗バーの温度を測定し、長手方向極大値曲線測定温度との差に基づき加熱温度を制御する電力制御技術もある(特開2000−182760号公報)。入側と出側で温度を測定し、測温値、目標温度、移動速度から被加熱材の厚み方向温度分布を求め、加熱装置に設定する電力量を決定する技術も特開2000−208241号公報に示されている。これらの技術は上述の一定電力で制御する場合と同様に1セクション当りコイル長を十分に短くしない限り、管端を加熱しすぎる問題がある。

0005

さらに、加熱コイルを2つ以上に分割し、被加熱材を最終コイル入側で測温し、当該位置の加熱タイミングで制御電圧補正する技術が特開平10−144462号公報に開示されているが、補正用コイルと電源(インバータ)が必要なため設備コストが高い。また加熱コイル進入過渡期の制御方法が無いと十分均熱化できない。

0006

また、加熱コイルを複数セクションに分割する技術もある。例えば、被加熱材の温度が所定温度に到達するまで電源インバータの電圧または搬送速度を制御する(特開2000−40580号公報)。この技術も、補正用コイルと電源(インバータ)が必要なため設備コストが高い。

0007

鋼管の加熱技術として加熱コイル内の鋼管の体積に比例して、入熱量を補正する技術が特開昭60−135528号公報で提示されている。この技術では電流が流れないと電力が発生しないので、制御応答が遅いという問題がある。また、加熱コイルに被加熱材が進入するに従って電力効率が変化するので、体積に比例した入熱量を正確に設定することは非常に困難である。

発明が解決しようとする課題

0008

本発明は、例えば鋼管など先後端を備えた被加熱材を誘導加熱する場合に、長手方向(搬送方向)の温度分布を均一にする技術を提供するもので、特に、先後端の非定常部の温度偏差を無くした誘導加熱装置の制御方法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

0009

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、本発明の第1の発明は先後端を備えた被加熱材を長手方向に搬送しながら誘導加熱するに当り、被加熱材の先端の位置と後端の位置をトラッキングし、被加熱材の通過中の各誘導加熱コイルの電流が一定となるように、誘導加熱装置の端子電圧を制御することを特徴とする誘導加熱装置の制御方法である。

0010

また、本発明の第2の発明は、先後端を備えた被加熱材を長手方向に搬送しながら誘導加熱するに当り、被加熱材の先端の位置と後端の位置をトラッキングし、被加熱材の通過中の各誘導加熱装置の端子電圧を一定に保ちつつ、コイル電流に比例した搬送速度で被加熱材を搬送することを特徴とする誘導加熱装置の制御方法である。この場合誘導加熱装置の端子電圧を一定に保ち、被加熱材の寸法に合わせた先後端フォーシング電圧を誘導加熱装置に設定して被加熱材を搬送することが好ましい。ここでフォーシング電圧とは、先端及び後端の端部における異常温度偏差修正するための電圧パターンである。

0011

また、以上の技術において誘導加熱装置の入側温度計の測定に基づき、平均温度補償を行うことによって、などの季節差による制御精度の補正を行うことができ、好適である。

発明を実施するための最良の形態

0012

下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。まず、誘導加熱の原理について説明する。図3に示すような単位長さ当りNターンコイル21に電流Icを流すと、図2の符号11〜13で示すように、コイルの軸方向に磁界の強さH、磁束密度B、磁束φの磁界を生じ、このときアンペア周回積分法則により、積分路lに関し、
NIc=∫Hdl
成立する。この場合、単位長さ当りNターンの無限長のコイルの場合にはH=NIcとなる。

0013

また、
B=μH
φ=∫Bds
ただし、s:面積
μ:透磁率
φ:磁束
である。図4に示すように、被加熱体10がコイル中に存在するとフアラデーの電磁誘導の法則により
Vw=−dφ/dt
で表される電圧Vwが被加熱体10に誘導される(図2の符号14)。この電圧により
Iw=Vw/Rw
但し、Rw:被加熱材の電気抵抗値の電流Iwが被加熱材10に流れる(図2の符号15)。この電流により図2の符号16で示すように、被加熱材10に次式で示す電力Pwが発生する。

0014

Pw=Rw・Iw2=Vw2/Rw
図5に示すようにコイル21の両端間に電圧を加えてコイル21に電流Icを発生させ、このコイル21中を軸方向に一方から他端に被加熱材10を通過させると、被加熱材10中にも電流Iwが流れる。これをモデル化すると図6となる。

0015

ただし、
i0n=Ic

0016

0017

である。

0018

これを数式で示すと、自己インダクタンスをLとし、相互インダクタンスをMとすると次式が成立する。

0019

0020

コイル21に加えられる全電圧

0021

0022

である。ここで加える電圧が周波数fの交流であると、

0023

0024

代入して、数2及び数3は

0025

0026

となる。

0027

次に、コイル電圧一定制御について説明する。図7に示すようにコイル21の一端から被加熱材10を進行させながら挿入する工程(a),(b),(c),(d)を考える。被加熱材10を長手方向に輪切り分割して多数の分割部とするモデルで考える。図7(a)の状態はコイル中に被加熱材が存在しないので、この状態は図8(a)に示す等価回路で表わすことができ、電流i00は

0028

0029

で表わされる。次に図7(b)に被加熱材10の第1の分割部がコイル21中に進入した状態を示した。コイル中に進入した部分には点を施して示した。この状態の等価回路は図8(b)となる。このときの電流i01及び|I11|は

0030

0031

で表わされる。同様に図7(c)に示すように、被加熱材10がコイル21中に第2分割部まで進入した工程は、図9(c)に示すような等価回路となり、電流i02及び|I12|は

0032

0033

となる。一般に被加熱材10が図7(d)に示すように、コイル21中に第n分割部まで進入したときの状態は図9(d)に示す等価回路で表わすことができ、そのときの電流i0n及び|I1n|は

0034

0035

で示すようになる。

0036

次に、電流一定で、被加熱材10の搬送速度が一定の場合の制御について説明する。前述の図7(a)、(b)、(c)、(d)にそれぞれ対応する等価回路を図10(a)、(b)、図11(c)、(d)に示した。そしてこれらの工程における電圧及び電流は

0037

0038

0039

0040

0041

に示されるようになり、これらの工程にそれぞれ対応している。

0042

次に図12図13は被加熱材10の電流と被加熱材の搬送時間との積が一定となる制御を示している。図12図13図7の工程(a)、(b)、(c)、(d)にそれぞれ対応する等価回路として図12(a)、(b)、図13(c)、(d)を示している。そしてこれらの図12(a)、(b)、図13(c)、(d)に対応する等価回路の電圧、電流、搬送時間は

0043

0044

0045

0046

0047

にそれぞれ示した通りとなる。

0048

以上の検討結果、先後端を備えた被加熱材を長手方向に搬送しながら誘導加熱するに当り、被加熱材の通過中の各誘導加熱コイルの電流が一定となるように、誘導加熱装置の端子電圧を制御することによって被加熱材の均一加熱ができることが分る。

0049

また、電流一定制御代り、被加熱材の通過中の各誘導加熱装置の端子電圧を一定に保ちつつ、コイル電流に比例した搬送速度で被加熱材を搬送することにより、被加熱材の端部を含めて均一温度に加熱することができる。

0050

図1は本発明の実施に係るシステム図である。両端を有するある長さの被加熱材10が図の向って右側から誘導加熱装置1内に進入する。被加熱材10の端部を検出する端部検出器3、被加熱材10の搬送速度を検出する速度検出器2のデータはトラッキング装置4内に入力される。また被加熱材10の加熱前の温度を温度計5で測定する。これらのトラッキングデータ及び被加熱材10の温度データは、電圧設定制御装置7に入力される。一方設定器6は被加熱材のサイズ、目標温度、物理定数(例えば比熱比透磁率電気抵抗率)などを制御装置7に設定する。制御装置7はこれらのデータに基いて誘導加熱装置を制御する。

0051

図16に先後端を有する被加熱材の先端及び後端における加熱後の温度が目標温度に対して偏差を生ずることを示した。この偏差を生ずる異常部の長さは被加熱材が鋼管の場合、管径の1/2程度である。この異常温度は被加熱材の端部において誘導加熱コイルの磁束が曲がり、電流密度が変化するためと考えられる。図14図15にそれぞれ管の後端及び先端側の部分の温度異常の測定例を示した。このような温度異常を防止するために、この部分にこの温度変化を補償するフォーシング電圧(電圧パターン)を加えるとよい。

0052

図17図18図19図20に本発明の制御フローを示す。図17は電流一定制御を示すものでコイルの検出電流電流指令との差に常数Kを乗じた値を出力する。この出力に電圧指令加算し、またコイル電流、もしくは搬送速度設定を加算する。また、管端部の特異現象を防ぐフォーシング電圧指令を加味して制御すると管端直近の異常温度発生を防止することができる。

0053

図19は本発明の第2の発明に対応する制御フローで、温度指令と検出温度との差をゲイン常数K’を通して電圧に変換し、電圧を一定に保って速度変更を出力する速度制御の制御フローである。ここでもフォーシング電圧を設定するとよい。図20は本発明の制御システムの全体を示す制御フロー図である。電圧制御及び速度制御にフォーシング電圧(電圧パターン)を設定する全体制御システムを示したものである。誘導加熱コイル21の電流一定とする電圧制御と、被加熱材10の搬送モータ22の回転数を制御する搬送速度制御とを同時に行うと共に、フォーシング電圧制御補償を加えることができる。

発明の効果

0054

本発明の第1の発明によれば、コイル電流を一定にするように誘導加熱装置の端子電圧を制御するので、管端まで均一の温度に加熱できる。また、第2の発明では誘導加熱装置の端子電圧を一定にたもちつつ、コイル電流に比例した搬送速度で鋼管を搬送するようにしたので、管端まで均一の温度に加熱できる。さらに、管端が誘導加熱装置内にある際の非定常磁束および制御遅れを補償するフォーシング電圧を導入すれば、さらに均一性の良い加熱性を行うことができる。

図面の簡単な説明

0055

図1本発明の実施に係るシステム図である。
図2本発明の実施に係るフローチャートである。
図3本発明の原理説明図である。
図4本発明の原理説明図である。
図5本発明の原理説明図である。
図6図5のモデル等価回路図である。
図7加熱工程図である。
図8等価回路図である。
図9等価回路図である。
図10等価回路図である。
図11等価回路図である。
図12等価回路図である。
図13等価回路図である。
図14後端部異常温度部のチャートである。
図15先端部異常温度部のチャートである。
図16温度分布図である。
図17本発明の制御フロー図である。
図18電流測定回路の説明図である。
図19本発明の制御フロー図である。
図20全体制御フロー図である。

--

0056

1誘導加熱装置
2速度検出器
3端部検出器
4トラッキング装置
5温度計
6設定器
7電圧設定制御装置
10被加熱材
21コイル
22 モータ

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