| 研究課題/領域番号 |
15K05940
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| 研究機関 | 神戸大学 |
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研究代表者 |
三島 智和 神戸大学, 海事科学研究科(研究院), 准教授 (40370019)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 電力変換工学 / パワーエレクトロニクス / 高周波電力変換 / ソフトスイッチング / 誘導加熱 / 金属熱処理加工 / 非接触エネルギー伝送 |
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| 研究実績の概要 |
高周波誘導加熱(IH)応用を目的とする時分割多重制御高周波インバータとその非接触エネルギー伝送システムを検討した。
時分割周波数多重高周波共振形インバータとして，電流形１石ゼロ電流ソフトスイッチング（ZCS）インバータを検討した。中速ながら耐圧・電流定格を両立しており，産業用をはじめとする高周波IH応用電力変換器に多用される絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT)を適用し，スイッチング損失を効果的に抑制できる。時分割の原理に基づき，多相化によりスイッチング周波数の逓倍周波を生成可能である。
提案高周波インバータについて，まず理論数値解析を行い，回路パラメータの設計を実施した。次に，専用回路シミュレータを用いて、提案回路の動作特性を検討し、逓倍周波が生成可能（周波数の多重化可能）であり、広範囲は出力電力に対してもソフトスイッチング動作が可能であることを確認した。さらに、定格2kW・スイッチング周波数50kHzの試作器により、ソフトスイッチング動作、直流電圧パルス振幅制御による広範囲な電力制御、および２相化による100kHz高周波電流の生成を実証し、最高効率９５％を達成した。
電力制御手法として、２相間の位相差を調整して負荷電流実効値を変化させる共振電流フェーザを実験により評価した。その結果、比較的簡易な回路構造と制御システムにより連続的な高周波電力制御が可能なことを試作器により確認した。ゆえに、提案高周波インバータそのものに電力制御機能を持たせることが出来るため、電力変換システムの全体をよりシンプルに構成できることを明にした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究の主課題である高周波共振形インバータを考案し、理論と実験によりその有効性を実証できたことは大きな成果と言える。特に、中速IGBTを利用しながらも100kHz以上の高周波化が可能であることの見通しが立ったことは意義が大きい。
当初予定していた、シミュレーション解析や回路パラメータ設計も計画取り実施し、さらに実験評価では、提案高周波インバータの効率を９５％以上を達成しており，当初の数値目標に近いものである。
成果報告および公表についても，３件の国際会議発表、４件の国内学会研究講演会発表を実施している。
以上の理由から，初年度の研究計画と照らし合わせて総合的に評価して，概ね順調な進展状態と判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
初年度の実証評価では，誘導加熱負荷をアルミ調理器具またはDC出力の電子負荷で代用した。高周波インバータとしての性能評価の観点からは適切と言える。しかしながら、金属熱処理装置しての応用を考えた場合に，温度に依存して抵抗率が大きく変動する金属を実際に使用し，高周波インバータの性能評価が不可欠である。
２８年度は、強磁性体やステンレス，アルミニウムや銅などの抵抗率・透磁率の異なる金属負荷に対する実験を行い，より詳細に評価する。また、温度依存性をもつ抵抗率変化に伴い共振周波数が大きく変動することを想定し，負荷温度をフィードバックしてスイッチング周波数を制御するパルス周波数変調(PFM)の制御系を新たに構築し、その有効性を実験評価する。
さらに、ゼロ電流ソフトスイッチング適用によるパワー半導体スイッチからの電磁ノイズ(EMC）の実測測定も28年度以降段階に実施する予定である。加えて、商用周波から高周波インバータ入力直流段へ高効率かつ高調波電流を抑制しながら電力を変換可能な単相（三相）力率コンバータとの組み合わせ構成（システムインテグレーション）についても、検討する計画である。
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