JP3854752B2 - 誘導加熱調理器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導加熱調理器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
誘導加熱調理器は、高周波電流を流す加熱コイルに近接させた鉄やステンレス等の負荷に渦電流を発生させ、負荷自体の発熱作用によって加熱するものである。
【０００３】
また、無負荷の場合やアルミや銅鍋、一部のステンレス鍋は、高周波電流の発生回路、いわゆるインバータ回路に過大な電流や高電圧を発生させることがある。あるいは、加熱しにくい場合がある。
【０００４】
したがって、そのような負荷が近接されて加熱状態になった場合は速やかに検出し、加熱動作を停止させなければならない。
【０００５】
従来は、通電初期の段階である低い通電率を設定し、入力電圧および入力電流から入力電力を求め、基準値以下ならば加熱負荷と判断する。
【０００６】
あるいは、入力電流とコイル電流の関係から、入力電流に対してコイル電流が相対的に大きい場合を加熱に適していない負荷と判断している場合が多い。
【０００７】
（例えば、特開昭６４ー３０１９０号公報及び特開平５ー１２９０６８号公報等参照）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
誘導加熱の特徴として、インバータ回路の方式に共振状態を利用しているので、負荷の材質や形状、加熱コイルからの距離によって、加熱コイル端から見た等価インピーダンス、つまり等価抵抗および等価インダクタンスが変化し、その組み合わせによっては過大なコイル電流が流れたり、その逆の現象が現われ、インバータスイッチング素子や共振コンデンサなどが過熱したり、負荷自体を加熱できない場合が発生する。
【０００９】
あるいは、スプーンやナイフなどのいわゆる小物負荷ほどではないが、標準的な負荷に比べて投入電力が低くなる負荷の場合もある。
【００１０】
過電流や過電圧の発生から回路素子を守るためには、負荷検出するときの通電は低電力かつ短時間で行わなければない。特に、アルミ鍋、銅鍋、一部のステンレス鍋などは、過大な電流がインバータ内部に流れることとなり、速やかに加熱動作を停止する必要がある。
【００１１】
しかし、上記のように投入電力が低くなる負荷の場合、負荷検出用の電力を低く設定したときに、小物負荷と入力電流、コイル電流の差がほとんどなくなり、判別が困難になることがある。これを解決するためには、感度の高い電流検出素子が必要となり、コストアップの要因となる。
【００１２】
また、使用者にとっては使えない負荷(鍋)となるため、負荷の選択範囲が狭くなってしまうという問題も発生する。
【００１３】
また、鍋によっては、若干の変形で電力を制限すれば、使用できるものもある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するものであり、交流を直流に変換する整流回路と、前記整流回路で変換された直流を平滑する平滑回路と、この平滑回路の出力をスイッチング素子により高周波電流に変換し、加熱コイル、共振コンデンサからなる共振回路に供給し、加熱コイル近傍に配置した負荷を加熱するインバータ回路と、このインバータ回路を制御する制御回路と、この制御回路に通電電力を設定する設定手段と、商用電源の入力電流を検出する入力電流検出回路と、商用電源の入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、前記加熱コイルの電流を検出する加熱コイル電流検出回路とを備えた誘導加熱調理器において、前記制御回路は、通電開始当初に低電力設定で通電し、前記入力電流検出回路の出力と前記加熱コイル電流検出回路の出力とから加熱適否を判定し、加熱に適している判定した場合は高電力設定で通電して、前記入力電流検出回路の出力と前記加熱コイル電流検出回路の出力とに基づく加熱適否の判定と、前記入力電圧検出回路の出力と前記入力電流検出回路の出力とに基づく加熱適否の判定とのいずれかで加熱不適と判定した場合は通電を停止し、それ以外の場合は通電を継続するように制御を行うものとした。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明では、交流を直流に変換する整流回路と、前記整流回路で変換された直流を平滑する平滑回路と、この平滑回路の出力をスイッチング素子により高周波電流に変換し、加熱コイル、共振コンデンサからなる共振回路に供給し、加熱コイル近傍に配置した負荷を加熱するインバータ回路と、このインバータ回路を制御する制御回路と、この制御回路に通電電力を設定する設定手段と、入力された交流の入力電流を検出する入力電流検出回路と、入力された交流の入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、前記加熱コイルの電流を検出する加熱コイル電流検出回路とを備えた誘導加熱調理器において、前記制御回路は、通電開始当初に低電力設定で通電し、前記入力電流検出回路の出力と前記加熱コイル電流検出回路の出力とから加熱適否を判定し、加熱に適している判定した場合は高電力設定で通電して、前記入力電流検出回路の出力と前記加熱コイル電流検出回路の出力とに基づく加熱適否の判定と、前記入力電圧検出回路の出力と前記入力電流検出回路の出力とに基づく加熱適否の判定とのいずれかで加熱不適と判定した場合は通電を停止し、それ以外の場合は通電を継続するように制御を行う。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を図面を用いて説明する。
【００２１】
図１は本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の要部ブロック図であり、電流共振型の誘導加熱用インバータ回路例である。
【００２２】
商用電源１を整流回路２で直流電源に変換し、平滑コンデンサの平滑回路３で平滑し、安定化させるものである。前記直流電源に対して、共振コンデンサの共振回路４および５を直列接続したものを接続してある。共振コンデンサの共振回路４および５の接続点と加熱コイル６の一端を接続してある。
【００２３】
加熱コイル６のもう一端には、上アーム用スイッチング素子７と逆並列に接続したダンパダイオード８およびスナバ回路９を直流電源の高電圧側に接続し、下アーム用スイッチング素子１０と逆並列に接続したダンパダイオード１１およびスナバ回路１２を直流電源の低電圧側に接続してある。
【００２４】
制御回路２０は使用者が操作する設定手段２１により加熱動作の起動、停止、火力設定等を行い、さらに投入電力補正等の制御を行うものである。
【００２５】
制御回路２０が出力する火力レベル設定出力を基本パルス列に変換するパルス変換回路１３の出力をパルス分割回路１４が上下アームの交互駆動パルスに分割する。
【００２６】
さらに、パルス分割回路１４の出力信号を、ドライブ回路１５およびドライブ回路１６が上下アームのスイッチング素子７およびスイッチング素子１０をドライブするに適した信号レベルに変換する。
【００２７】
入力電流検出回路１８は、商用電源１からみた電流を検出する電流検出素子１７の出力レベルを制御回路２０の入力レベルに適した信号に変換する。
【００２８】
入力電圧検出回路１９は、商用電源１の電圧を検出し、制御回路２０の入力レベルに適した信号に変換する。
【００２９】
加熱コイル電流検出回路２３は、加熱コイル６の電流を検出する電流検出素子２２の出力信号レベルを制御回路２０の入力レベルに適した信号に変換する。
【００３０】
２４は負荷であり、前記加熱コイル６により加熱されるものである。
【００３１】
図２は、インバータ回路からみた負荷２４（加熱コイルおよび磁気結合している負荷）の等価インピーダンス特性例（等価インダクタンスと等価抵抗の直列回路）である。
【００３２】
横軸は負荷２４の等価インダクタンス、縦軸は負荷２４の等価抵抗である。
【００３３】
負荷２４の有無、材質によって等価インダクタンス、等価抵抗の組み合わせは、図中のＡ・Ｂ・Ｃのブロックに大別することができる。
【００３４】
ブロックＡは、鉄、ホーロー等の磁性体負荷である。
【００３５】
ブロックＢは、負荷が無いか、小物負荷が置かれた場合である。
【００３６】
ブロックＣは、アルミニウム、銅、一部のステンレス製の負荷の場合である。
【００３７】
ただし、これらは代表的な負荷２４についてブロック分けしたものであり、負荷２４の形状、底面の金属厚み、加熱コイル６からの距離等の違いによって変動する要因がある。
【００３８】
一般的に、これらのブロックのうちブロックＡのみが誘導加熱に適した負荷２４とされ、加熱コイル６と負荷２４までの距離(ギャップ)およびスイッチング素子７・１０の駆動タイミングの基準となるものである。
【００３９】
ブロックＢは、等価インダクタンスが大きく、等価抵抗が小さい。
【００４０】
ブロックＣは、等価インダクタンスが小さく、等価抵抗も小さい。
【００４１】
図３は、加熱コイル６と負荷２４の間の距離を変化させた場合の等価インピーダンスの変化を表した図である。
【００４２】
一般に、加熱コイル６と負荷２４の等価回路は、抵抗値Ｒ １ およびインダクタンスＬ １ の加熱コイルと、抵抗値Ｒ ２ およびインダクタンスＬ ２ の負荷が、相互インダクタンスＭで結合した回路を表すことができる。
【００４３】
相互インダクタンスＭは加熱コイル６と負荷２４の距離、材質、形状などにより変化する。
【００４４】
この等価回路を更に変形すると、インバータ電源の負荷としての等価インピーダンスＬ、Ｒは下記のような式で表すことができる。
【００４５】
（式）
Ｌ＝Ｌ １ −（ω ２ Ｌ ２ Ｍ ２ ）／（Ｒ ２ ２ ＋ω ２ Ｌ ２ ２ ）
Ｒ＝Ｒ １ ＋（ω ２ Ｒ ２ Ｍ ２ ）／（Ｒ ２ ２ ＋ω ２ Ｌ ２ ２ ）
したがって、相互インダクタンスＭの変化、つまり、加熱コイル６と負荷２４の距離、負荷２４の材質や形状によって、インバータ電源から見た等価インダクタンス、等価抵抗は大きく変化することがわかる。（結合度が低くなれば、等価インダクタンス、等価抵抗とも加熱コイル自体の値に近づく）この等価インダクタンスと等価抵抗の組み合わせが、負荷２４によって異なるため、加熱できる負荷、しにくい負荷、できない負荷等に分けることができる。
【００４６】
また、負荷２４に流す電流によっても、等価インダクタンス、等価抵抗は変化するため、初期の負荷検知電流のみで加熱可・不可を判断すると、実際には、加熱しにくいが加熱できる負荷を加熱できない負荷と誤判定してしまうことになる。
【００４７】
ある通電率でインバータ部を動作させた場合、図２におけるブロックＡに属する負荷２４に対し、ブロックＢに属する負荷２４、ブロックＣに属する負荷２４の入力電流、コイル電流は下記の傾向となる。
【００４８】
――――――――――――――――――――――――
ブロックＡに対し 入力電流 コイル電流
――――――――――――――――――――――――
ブロックＢは 小さい 小さい
ブロックＣは 小さい 大きい
――――――――――――――――――――――――
図４はインバータ回路が加熱できる負荷２４として許容できる領域を示したものである。この図において、入力電流に対するコイル電流の許容範囲は、境界線Ａの下側になる。
【００４９】
制御回路２０は、ある通電電力設定において、ブロックＣの負荷２４は境界線Ａの上側に入力電流とコイル電流の分布があることになるので、加熱できない負荷２４と判断すればよい。
【００５０】
また、ブロックＢの負荷２４は図４の境界線に対して下側の入力電流とコイル電流の分布となるが、加熱する負荷２４としては不適切なものである。
【００５１】
これは、ブロックＡの負荷２４に対して、同じ通電率でインバータを動作させた場合、商用電源１から見た消費電力が低いことと等価である。
【００５２】
図５は、ある通電率でインバータを動作させた場合に、電源電圧と入力電流の許容できる範囲を表したものである。同一の負荷２４を加熱しようとしても、負荷２４と加熱コイル６の距離が離れると結合度が下がるため、図３で示すように等価インダクタンスが大きくなり等価抵抗が小さくなる。同一の材質で作られたものであっても、形状が小さくなれば加熱コイル６と負荷２４の結合度が低くなるために、等価インダクタンスが大きくなり等価抵抗が小さくなる傾向となる。
【００５３】
負荷２４で消費する電力（発熱）は等価抵抗によるものであるから、通電率を同じ設定にした場合は入力電圧と入力電流から求まる入力電力から、加熱の適否を判断すればよい。
【００５４】
したがって、図５において境界線Ｂの下側に存在する負荷２４は加熱に適さない負荷２４と判断すればよい。
【００５５】
さらに、図４、５において、斜線の部分は電流検出素子１７および電流検出素子２２が正常に検出できる電流値よりも低いレベルとなる部分である。この領域においては入力電流検出回路１８および加熱コイル電流検出回路２３に使用する非線型素子（半導体など）による不感部分や回路動作によるノイズの混入に弱い等の問題が発生する。
【００５６】
よって、両方の検出出力がこの斜線部領域内にある場合は、より高い検出レベルを得ることのできる通電率を設定することによって、高感度な部品を使わずに済み、コストアップせずに済む。
【００５７】
ただし、加熱に適さない負荷２４を加熱しようとした場合、インバータ回路内で異常な高電流や高電圧の発生を抑えなければならない。
【００５８】
よって、初期に低い通電率で負荷２４の適性を検出できる設定を先に行い、その結果が不適となった場合を除いて、初期の低通電率より高い通電率で再度負荷２４の適性を判断すればよい。
【００５９】
一般に、ブロックＢの負荷２４で通電を開始するより、アルミ鍋や一部のステンレス鍋等のブロックＣの負荷２４を通電しようとした場合に発生する過電流の方がインバータ回路のストレスになり易いが、これらの負荷２４は低通電率でも高いコイル電流を発生させるので、早い段階で判別しなければならない。
【００６０】
これらの理由により、最初に低通電率でブロックＣの負荷２４を検出し、次により高い通電率でブロックＢの負荷２４を検出すればよい。
【００６１】
図６は以上の点を考慮した負荷２４検出の通電率設定パターンである。
【００６２】
横軸は時刻、縦軸は制御回路２０が設定する通電率である。
【００６３】
時刻Ｔ０以前は通電していない。使用者の操作によって時刻Ｔ０より通電を開始するものとする。
【００６４】
時刻Ｔ０に第一の通電率設定Ｓ１で通電を開始する。
【００６５】
時刻Ｔ１で１回目の負荷判定を行う。このときの判定は図４に示す判定領域を用いる。その結果、加熱不可と判断した場合は通電動作を中止する。
【００６６】
加熱可能な負荷２４と判断した場合は引き続き第二の通電率設定Ｓ２で通電を開始する。ここで、通電率設定Ｓ１とＳ２の関係は、
Ｓ１＜Ｓ２ （Ｓ１よりＳ２がより通電電力が大きい）
とする。
【００６７】
時刻Ｔ２で２回目の負荷判定を行う。このときの判定は、図４および図５に示す判定領域両方を用いる。
【００６８】
その結果、両方同時に加熱可能と判断した場合のみ引き続き通電を継続し、それ以外の場合は加熱できない負荷２４として通電を中止する。
【００６９】
なお、時刻Ｔ０からＴ１、およびＴ１からＴ２までの間隔は、電源電圧検出、入力電流検出、加熱コイル電流検出が安定して行うことができるのに十分な時間とする。（通常は１秒以内）
図７および図８、９は、ブロックＡ〜Ｃの代表的な負荷２４を上述の通電パターンで負荷検知を行った場合の動作例であり、１回目の負荷判定をＴ１判定、２回目の負荷判定をＴ２判定とする。
【００７０】
図７は検出波形のタイミング図、図８、９は負荷判定時の検出値と判定領域の関係を表したものであり、入力電流と加熱コイル電流の比較による判定を判定Ａ、入力電圧と入力電力の比較による判定を判定Ｂとする。（ただし、入力電圧を一定とした場合）
図８、９において、Ａ（Ｔ１）は、ブロックＡの負荷２４に対する時刻Ｔ１の電流ないし電流の検出結果を表す。
【００７１】
ブロックＡ〜Ｃの検出結果をまとめると下記のようになる。
【００７２】
―――――――――――――――――――――――――――――――
負荷＼判定 Ｔ１判定 Ｔ２判定
―――――――――――――――――――――――――――――――
ブロックＡ ＯＫ ＯＫ
ブロックＢ ＯＫ 判定Ａ・ＯＫ 判定Ｂ・ＮＧ
ブロックＣ 判定Ａ・ＮＧ （未実行）
―――――――――――――――――――――――――――――――
ブロックＣの負荷２４は、Ｔ１判定において、図８中のＢ（Ｔ１）は入力電流が不安定出力部分にあるが、コイル電流は高い値を示し、正常出力範囲にあるために、不適切な負荷２４と判断することができる。
【００７３】
また、負荷２４によっては時刻Ｔ２の判定において、判定ＡがＮＧで判定ＢがＯＫの場合もありうる。このような負荷２４の場合はさらに通電率を上げるほどコイル電流が増加する傾向を表すため、インバータ回路にとって異常な電流や電圧を発生させる状態を未然に防ぐことができる。
【００７４】
さらに、各ブロックの境界にあたる等価インピーダンスを有する負荷２４を加熱しようとする場合でも、上記２段階２種類の判定結果から負荷２４の加熱可否を適切に判定できるものである。
【００７５】
本例では、入力電流と加熱コイル電流の判定は、１回目の通電と２回目の通電で同じ判定領域を用いているが、それぞれ個別の判定領域を使用してもよい。
【００７６】
また、本例では電流共振型の誘導加熱調理器として説明したが、電圧共振型の回路構成においても、加熱コイル６と負荷２４の等価インピーダンスは上述の関係が成り立つので適用できるものである。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷の材質や形状、加熱コイルからの距離の変動によるインバータ負荷としての適否を適切かつ高精度で判断することができる。
【００７８】
また、誘導加熱調理器のインバータ回路に与える過電流、過電圧等のストレスを軽減することができ、使用者にとっては適切な負荷検知を行うこととなり、使い勝手が向上するものである。
【００７９】
また、判定値近傍のものは、即使用不可ではなく、上限を設定して使用可能範囲を設定するので鍋の使用範囲が広がり、使い勝手が向上するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器のブロック図である。
【図２】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の負荷のインピーダンス特性図である。
【図３】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の等価インピーダンスの変化図である。
【図４】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の入力電流に対するコイル電流の許容領域図である。
【図５】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の入力電圧に対する入力電流の許容領域図である。
【図６】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の負荷検出通電率設定パターン図である。
【図７】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の負荷検知の動作波形図である。
【図８】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の負荷検知の判定（入力電流とコイル電流）図である。
【図９】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の負荷検知の判定（入力電圧と入力電流）図である。
【符号の説明】
１ 商用電源
２ 整流回路
３ 平滑回路
４ 共振回路
５ 共振回路
６ 加熱コイル
７ スイッチング素子
８ ダンパダイオード
９ スナバ回路
１０ スイッチング素子
１１ ダンパダイオード
１２ スナバ回路
１３ パルス変換回路
１４ パルス分割回路
１５ ドライブ回路
１６ ドライブ回路
１７ 電流検出素子
１８ 入力電流検出回路
１９ 入力電圧検出回路
２０ 制御回路
２２ 電流検出素子
２３ 加熱コイル電流検出回路
２４ 負荷
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導加熱調理器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
誘導加熱調理器は、高周波電流を流す加熱コイルに近接させた鉄やステンレス等の負荷に渦電流を発生させ、負荷自体の発熱作用によって加熱するものである。
【０００３】
また、無負荷の場合やアルミや銅鍋、一部のステンレス鍋は、高周波電流の発生回路、いわゆるインバータ回路に過大な電流や高電圧を発生させることがある。あるいは、加熱しにくい場合がある。
【０００４】
したがって、そのような負荷が近接されて加熱状態になった場合は速やかに検出し、加熱動作を停止させなければならない。
【０００５】
従来は、通電初期の段階である低い通電率を設定し、入力電圧および入力電流から入力電力を求め、基準値以下ならば加熱負荷と判断する。
【０００６】
あるいは、入力電流とコイル電流の関係から、入力電流に対してコイル電流が相対的に大きい場合を加熱に適していない負荷と判断している場合が多い。
【０００７】
（例えば、特開昭６４ー３０１９０号公報及び特開平５ー１２９０６８号公報等参照）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
誘導加熱の特徴として、インバータ回路の方式に共振状態を利用しているので、負荷の材質や形状、加熱コイルからの距離によって、加熱コイル端から見た等価インピーダンス、つまり等価抵抗および等価インダクタンスが変化し、その組み合わせによっては過大なコイル電流が流れたり、その逆の現象が現われ、インバータスイッチング素子や共振コンデンサなどが過熱したり、負荷自体を加熱できない場合が発生する。
【０００９】
あるいは、スプーンやナイフなどのいわゆる小物負荷ほどではないが、標準的な負荷に比べて投入電力が低くなる負荷の場合もある。
【００１０】
過電流や過電圧の発生から回路素子を守るためには、負荷検出するときの通電は低電力かつ短時間で行わなければない。特に、アルミ鍋、銅鍋、一部のステンレス鍋などは、過大な電流がインバータ内部に流れることとなり、速やかに加熱動作を停止する必要がある。
【００１１】
しかし、上記のように投入電力が低くなる負荷の場合、負荷検出用の電力を低く設定したときに、小物負荷と入力電流、コイル電流の差がほとんどなくなり、判別が困難になることがある。これを解決するためには、感度の高い電流検出素子が必要となり、コストアップの要因となる。
【００１２】
また、使用者にとっては使えない負荷(鍋)となるため、負荷の選択範囲が狭くなってしまうという問題も発生する。
【００１３】
また、鍋によっては、若干の変形で電力を制限すれば、使用できるものもある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するものであり、交流を直流に変換する整流回路と、前記整流回路で変換された直流を平滑する平滑回路と、この平滑回路の出力をスイッチング素子により高周波電流に変換し、加熱コイル、共振コンデンサからなる共振回路に供給し、加熱コイル近傍に配置した負荷を加熱するインバータ回路と、このインバータ回路を制御する制御回路と、この制御回路に通電電力を設定する設定手段と、商用電源の入力電流を検出する入力電流検出回路と、商用電源の入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、前記加熱コイルの電流を検出する加熱コイル電流検出回路とを備えた誘導加熱調理器において、前記制御回路は、通電開始当初に低電力設定で通電し、前記入力電流検出回路の出力と前記加熱コイル電流検出回路の出力とから加熱適否を判定し、加熱に適している判定した場合は高電力設定で通電して、前記入力電流検出回路の出力と前記加熱コイル電流検出回路の出力とに基づく加熱適否の判定と、前記入力電圧検出回路の出力と前記入力電流検出回路の出力とに基づく加熱適否の判定とのいずれかで加熱不適と判定した場合は通電を停止し、それ以外の場合は通電を継続するように制御を行うものとした。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明では、交流を直流に変換する整流回路と、前記整流回路で変換された直流を平滑する平滑回路と、この平滑回路の出力をスイッチング素子により高周波電流に変換し、加熱コイル、共振コンデンサからなる共振回路に供給し、加熱コイル近傍に配置した負荷を加熱するインバータ回路と、このインバータ回路を制御する制御回路と、この制御回路に通電電力を設定する設定手段と、入力された交流の入力電流を検出する入力電流検出回路と、入力された交流の入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、前記加熱コイルの電流を検出する加熱コイル電流検出回路とを備えた誘導加熱調理器において、前記制御回路は、通電開始当初に低電力設定で通電し、前記入力電流検出回路の出力と前記加熱コイル電流検出回路の出力とから加熱適否を判定し、加熱に適している判定した場合は高電力設定で通電して、前記入力電流検出回路の出力と前記加熱コイル電流検出回路の出力とに基づく加熱適否の判定と、前記入力電圧検出回路の出力と前記入力電流検出回路の出力とに基づく加熱適否の判定とのいずれかで加熱不適と判定した場合は通電を停止し、それ以外の場合は通電を継続するように制御を行う。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を図面を用いて説明する。
【００２１】
図１は本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の要部ブロック図であり、電流共振型の誘導加熱用インバータ回路例である。
【００２２】
商用電源１を整流回路２で直流電源に変換し、平滑コンデンサの平滑回路３で平滑し、安定化させるものである。前記直流電源に対して、共振コンデンサの共振回路４および５を直列接続したものを接続してある。共振コンデンサの共振回路４および５の接続点と加熱コイル６の一端を接続してある。
【００２３】
加熱コイル６のもう一端には、上アーム用スイッチング素子７と逆並列に接続したダンパダイオード８およびスナバ回路９を直流電源の高電圧側に接続し、下アーム用スイッチング素子１０と逆並列に接続したダンパダイオード１１およびスナバ回路１２を直流電源の低電圧側に接続してある。
【００２４】
制御回路２０は使用者が操作する設定手段２１により加熱動作の起動、停止、火力設定等を行い、さらに投入電力補正等の制御を行うものである。
【００２５】
制御回路２０が出力する火力レベル設定出力を基本パルス列に変換するパルス変換回路１３の出力をパルス分割回路１４が上下アームの交互駆動パルスに分割する。
【００２６】
さらに、パルス分割回路１４の出力信号を、ドライブ回路１５およびドライブ回路１６が上下アームのスイッチング素子７およびスイッチング素子１０をドライブするに適した信号レベルに変換する。
【００２７】
入力電流検出回路１８は、商用電源１からみた電流を検出する電流検出素子１７の出力レベルを制御回路２０の入力レベルに適した信号に変換する。
【００２８】
入力電圧検出回路１９は、商用電源１の電圧を検出し、制御回路２０の入力レベルに適した信号に変換する。
【００２９】
加熱コイル電流検出回路２３は、加熱コイル６の電流を検出する電流検出素子２２の出力信号レベルを制御回路２０の入力レベルに適した信号に変換する。
【００３０】
２４は負荷であり、前記加熱コイル６により加熱されるものである。
【００３１】
図２は、インバータ回路からみた負荷２４（加熱コイルおよび磁気結合している負荷）の等価インピーダンス特性例（等価インダクタンスと等価抵抗の直列回路）である。
【００３２】
横軸は負荷２４の等価インダクタンス、縦軸は負荷２４の等価抵抗である。
【００３３】
負荷２４の有無、材質によって等価インダクタンス、等価抵抗の組み合わせは、図中のＡ・Ｂ・Ｃのブロックに大別することができる。
【００３４】
ブロックＡは、鉄、ホーロー等の磁性体負荷である。
【００３５】
ブロックＢは、負荷が無いか、小物負荷が置かれた場合である。
【００３６】
ブロックＣは、アルミニウム、銅、一部のステンレス製の負荷の場合である。
【００３７】
ただし、これらは代表的な負荷２４についてブロック分けしたものであり、負荷２４の形状、底面の金属厚み、加熱コイル６からの距離等の違いによって変動する要因がある。
【００３８】
一般的に、これらのブロックのうちブロックＡのみが誘導加熱に適した負荷２４とされ、加熱コイル６と負荷２４までの距離(ギャップ)およびスイッチング素子７・１０の駆動タイミングの基準となるものである。
【００３９】
ブロックＢは、等価インダクタンスが大きく、等価抵抗が小さい。
【００４０】
ブロックＣは、等価インダクタンスが小さく、等価抵抗も小さい。
【００４１】
図３は、加熱コイル６と負荷２４の間の距離を変化させた場合の等価インピーダンスの変化を表した図である。
【００４２】
一般に、加熱コイル６と負荷２４の等価回路は、抵抗値Ｒ １ およびインダクタンスＬ １ の加熱コイルと、抵抗値Ｒ ２ およびインダクタンスＬ ２ の負荷が、相互インダクタンスＭで結合した回路を表すことができる。
【００４３】
相互インダクタンスＭは加熱コイル６と負荷２４の距離、材質、形状などにより変化する。
【００４４】
この等価回路を更に変形すると、インバータ電源の負荷としての等価インピーダンスＬ、Ｒは下記のような式で表すことができる。
【００４５】
（式）
Ｌ＝Ｌ １ −（ω ２ Ｌ ２ Ｍ ２ ）／（Ｒ ２ ２ ＋ω ２ Ｌ ２ ２ ）
Ｒ＝Ｒ １ ＋（ω ２ Ｒ ２ Ｍ ２ ）／（Ｒ ２ ２ ＋ω ２ Ｌ ２ ２ ）
したがって、相互インダクタンスＭの変化、つまり、加熱コイル６と負荷２４の距離、負荷２４の材質や形状によって、インバータ電源から見た等価インダクタンス、等価抵抗は大きく変化することがわかる。（結合度が低くなれば、等価インダクタンス、等価抵抗とも加熱コイル自体の値に近づく）この等価インダクタンスと等価抵抗の組み合わせが、負荷２４によって異なるため、加熱できる負荷、しにくい負荷、できない負荷等に分けることができる。
【００４６】
また、負荷２４に流す電流によっても、等価インダクタンス、等価抵抗は変化するため、初期の負荷検知電流のみで加熱可・不可を判断すると、実際には、加熱しにくいが加熱できる負荷を加熱できない負荷と誤判定してしまうことになる。
【００４７】
ある通電率でインバータ部を動作させた場合、図２におけるブロックＡに属する負荷２４に対し、ブロックＢに属する負荷２４、ブロックＣに属する負荷２４の入力電流、コイル電流は下記の傾向となる。
【００４８】
――――――――――――――――――――――――
ブロックＡに対し 入力電流 コイル電流
――――――――――――――――――――――――
ブロックＢは 小さい 小さい
ブロックＣは 小さい 大きい
――――――――――――――――――――――――
図４はインバータ回路が加熱できる負荷２４として許容できる領域を示したものである。この図において、入力電流に対するコイル電流の許容範囲は、境界線Ａの下側になる。
【００４９】
制御回路２０は、ある通電電力設定において、ブロックＣの負荷２４は境界線Ａの上側に入力電流とコイル電流の分布があることになるので、加熱できない負荷２４と判断すればよい。
【００５０】
また、ブロックＢの負荷２４は図４の境界線に対して下側の入力電流とコイル電流の分布となるが、加熱する負荷２４としては不適切なものである。
【００５１】
これは、ブロックＡの負荷２４に対して、同じ通電率でインバータを動作させた場合、商用電源１から見た消費電力が低いことと等価である。
【００５２】
図５は、ある通電率でインバータを動作させた場合に、電源電圧と入力電流の許容できる範囲を表したものである。同一の負荷２４を加熱しようとしても、負荷２４と加熱コイル６の距離が離れると結合度が下がるため、図３で示すように等価インダクタンスが大きくなり等価抵抗が小さくなる。同一の材質で作られたものであっても、形状が小さくなれば加熱コイル６と負荷２４の結合度が低くなるために、等価インダクタンスが大きくなり等価抵抗が小さくなる傾向となる。
【００５３】
負荷２４で消費する電力（発熱）は等価抵抗によるものであるから、通電率を同じ設定にした場合は入力電圧と入力電流から求まる入力電力から、加熱の適否を判断すればよい。
【００５４】
したがって、図５において境界線Ｂの下側に存在する負荷２４は加熱に適さない負荷２４と判断すればよい。
【００５５】
さらに、図４、５において、斜線の部分は電流検出素子１７および電流検出素子２２が正常に検出できる電流値よりも低いレベルとなる部分である。この領域においては入力電流検出回路１８および加熱コイル電流検出回路２３に使用する非線型素子（半導体など）による不感部分や回路動作によるノイズの混入に弱い等の問題が発生する。
【００５６】
よって、両方の検出出力がこの斜線部領域内にある場合は、より高い検出レベルを得ることのできる通電率を設定することによって、高感度な部品を使わずに済み、コストアップせずに済む。
【００５７】
ただし、加熱に適さない負荷２４を加熱しようとした場合、インバータ回路内で異常な高電流や高電圧の発生を抑えなければならない。
【００５８】
よって、初期に低い通電率で負荷２４の適性を検出できる設定を先に行い、その結果が不適となった場合を除いて、初期の低通電率より高い通電率で再度負荷２４の適性を判断すればよい。
【００５９】
一般に、ブロックＢの負荷２４で通電を開始するより、アルミ鍋や一部のステンレス鍋等のブロックＣの負荷２４を通電しようとした場合に発生する過電流の方がインバータ回路のストレスになり易いが、これらの負荷２４は低通電率でも高いコイル電流を発生させるので、早い段階で判別しなければならない。
【００６０】
これらの理由により、最初に低通電率でブロックＣの負荷２４を検出し、次により高い通電率でブロックＢの負荷２４を検出すればよい。
【００６１】
図６は以上の点を考慮した負荷２４検出の通電率設定パターンである。
【００６２】
横軸は時刻、縦軸は制御回路２０が設定する通電率である。
【００６３】
時刻Ｔ０以前は通電していない。使用者の操作によって時刻Ｔ０より通電を開始するものとする。
【００６４】
時刻Ｔ０に第一の通電率設定Ｓ１で通電を開始する。
【００６５】
時刻Ｔ１で１回目の負荷判定を行う。このときの判定は図４に示す判定領域を用いる。その結果、加熱不可と判断した場合は通電動作を中止する。
【００６６】
加熱可能な負荷２４と判断した場合は引き続き第二の通電率設定Ｓ２で通電を開始する。ここで、通電率設定Ｓ１とＳ２の関係は、
Ｓ１＜Ｓ２ （Ｓ１よりＳ２がより通電電力が大きい）
とする。
【００６７】
時刻Ｔ２で２回目の負荷判定を行う。このときの判定は、図４および図５に示す判定領域両方を用いる。
【００６８】
その結果、両方同時に加熱可能と判断した場合のみ引き続き通電を継続し、それ以外の場合は加熱できない負荷２４として通電を中止する。
【００６９】
なお、時刻Ｔ０からＴ１、およびＴ１からＴ２までの間隔は、電源電圧検出、入力電流検出、加熱コイル電流検出が安定して行うことができるのに十分な時間とする。（通常は１秒以内）
図７および図８、９は、ブロックＡ〜Ｃの代表的な負荷２４を上述の通電パターンで負荷検知を行った場合の動作例であり、１回目の負荷判定をＴ１判定、２回目の負荷判定をＴ２判定とする。
【００７０】
図７は検出波形のタイミング図、図８、９は負荷判定時の検出値と判定領域の関係を表したものであり、入力電流と加熱コイル電流の比較による判定を判定Ａ、入力電圧と入力電力の比較による判定を判定Ｂとする。（ただし、入力電圧を一定とした場合）
図８、９において、Ａ（Ｔ１）は、ブロックＡの負荷２４に対する時刻Ｔ１の電流ないし電流の検出結果を表す。
【００７１】
ブロックＡ〜Ｃの検出結果をまとめると下記のようになる。
【００７２】
―――――――――――――――――――――――――――――――
負荷＼判定 Ｔ１判定 Ｔ２判定
―――――――――――――――――――――――――――――――
ブロックＡ ＯＫ ＯＫ
ブロックＢ ＯＫ 判定Ａ・ＯＫ 判定Ｂ・ＮＧ
ブロックＣ 判定Ａ・ＮＧ （未実行）
―――――――――――――――――――――――――――――――
ブロックＣの負荷２４は、Ｔ１判定において、図８中のＢ（Ｔ１）は入力電流が不安定出力部分にあるが、コイル電流は高い値を示し、正常出力範囲にあるために、不適切な負荷２４と判断することができる。
【００７３】
また、負荷２４によっては時刻Ｔ２の判定において、判定ＡがＮＧで判定ＢがＯＫの場合もありうる。このような負荷２４の場合はさらに通電率を上げるほどコイル電流が増加する傾向を表すため、インバータ回路にとって異常な電流や電圧を発生させる状態を未然に防ぐことができる。
【００７４】
さらに、各ブロックの境界にあたる等価インピーダンスを有する負荷２４を加熱しようとする場合でも、上記２段階２種類の判定結果から負荷２４の加熱可否を適切に判定できるものである。
【００７５】
本例では、入力電流と加熱コイル電流の判定は、１回目の通電と２回目の通電で同じ判定領域を用いているが、それぞれ個別の判定領域を使用してもよい。
【００７６】
また、本例では電流共振型の誘導加熱調理器として説明したが、電圧共振型の回路構成においても、加熱コイル６と負荷２４の等価インピーダンスは上述の関係が成り立つので適用できるものである。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷の材質や形状、加熱コイルからの距離の変動によるインバータ負荷としての適否を適切かつ高精度で判断することができる。
【００７８】
また、誘導加熱調理器のインバータ回路に与える過電流、過電圧等のストレスを軽減することができ、使用者にとっては適切な負荷検知を行うこととなり、使い勝手が向上するものである。
【００７９】
また、判定値近傍のものは、即使用不可ではなく、上限を設定して使用可能範囲を設定するので鍋の使用範囲が広がり、使い勝手が向上するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器のブロック図である。
【図２】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の負荷のインピーダンス特性図である。
【図３】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の等価インピーダンスの変化図である。
【図４】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の入力電流に対するコイル電流の許容領域図である。
【図５】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の入力電圧に対する入力電流の許容領域図である。
【図６】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の負荷検出通電率設定パターン図である。
【図７】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の負荷検知の動作波形図である。
【図８】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の負荷検知の判定（入力電流とコイル電流）図である。
【図９】本発明の一実施例を示す誘導加熱調理器の負荷検知の判定（入力電圧と入力電流）図である。
【符号の説明】
１ 商用電源
２ 整流回路
３ 平滑回路
４ 共振回路
５ 共振回路
６ 加熱コイル
７ スイッチング素子
８ ダンパダイオード
９ スナバ回路
１０ スイッチング素子
１１ ダンパダイオード
１２ スナバ回路
１３ パルス変換回路
１４ パルス分割回路
１５ ドライブ回路
１６ ドライブ回路
１７ 電流検出素子
１８ 入力電流検出回路
１９ 入力電圧検出回路
２０ 制御回路
２２ 電流検出素子
２３ 加熱コイル電流検出回路
２４ 負荷
Claims (1)
- 交流を直流に変換する整流回路と、前記整流回路で変換された直流を平滑する平滑回路と、この平滑回路の出力をスイッチング素子により高周波電流に変換し、加熱コイル、共振コンデンサからなる共振回路に供給し、加熱コイル近傍に配置した負荷を加熱するインバータ回路と、このインバータ回路を制御する制御回路と、この制御回路に通電電力を設定する設定手段と、入力された交流の入力電流を検出する入力電流検出回路と、入力された交流の入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、前記加熱コイルの電流を検出する加熱コイル電流検出回路とを備えた誘導加熱調理器において、前記制御回路は、通電開始当初に低電力設定で通電し、前記入力電流検出回路の出力と前記加熱コイル電流検出回路の出力とから加熱適否を判定し、加熱に適している判定した場合は高電力設定で通電して、前記入力電流検出回路の出力と前記加熱コイル電流検出回路の出力とに基づく加熱適否の判定と、前記入力電圧検出回路の出力と前記入力電流検出回路の出力とに基づく加熱適否の判定とのいずれかで加熱不適と判定した場合は通電を停止し、それ以外の場合は通電を継続するように制御を行うことを特徴とする誘導加熱調理器。
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