JP4853117B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般家庭やレストランなどで使用される誘導加熱調理器や金属溶解、シームレス溶接などに使用される産業用誘導加熱装置に関し、詳しくは、複数台のインバータを用いる場合のシステム効率を最大にするための制御技術に関する。

図４に従来の誘導加熱装置のシステム構成を示す。交流電源１に接続される整流回路２で交流を直流に変換し、直流電圧変換要素であるチョッパ３の出力にインバータ４を接続し、インバータ４の出力に接続される加熱コイル５へ高周波電流を供給することで被加熱物を加熱する誘導加熱装置である。
ここで、図４のチョッパ３のない構成が、最も一般的な誘導加熱装置のシステム構成であるが先行技術の特許文献1に記載されているように、チョッパが接続される場合がある。以下、特許文献1に記載される調光装置から容易に想到できる誘導加熱装置について説明する。

図５に図４の誘導加熱装置における主回路構成例を示す。図５は、図４の整流回路２にダイオード２１〜２４からなる全波整流回路を、チョッパ３にコンデンサ３１、ダイオードを逆並列接続したスイッチング素子３２、３３及びリアクトル３４からなる降圧チョッパを適用し、インバータ４に共振コンデンサ４１、４２とダイオードを逆並列接続したスイッチング素子４３、４４とからなるハーフブリッジ形インバータを用い、共振コンデンサ４１、４２と加熱コイル５を共振させることにより加熱コイル５に高周波電流を流す構成である。ここで、出力段のインバータ４は最低動作周波数、オンデューティ0.5、力率1で動作させるときに最も効率良く被加熱物を加熱することができる。そこで、降圧チョッパ３を追加し、交流入力電圧に依存するコンデンサ３１の電圧Vdc1からインバータを効率良く動作させることができるチョッパ出力電圧（コンデンサ８の電圧）Vdc2に電圧変換する。インバータの出力電力に応じてチョッパ出力電圧Vdc2を制御することで、インバータを常に高効率で動作させることが可能となり、結果として、装置全体の効率を向上させることができる。

また、複数台のインバータを有する誘導加熱装置の構成例として図６のシステム構成がある。以下の先行技術は特許文献2に記載される放電灯点灯装置から容易に想到できる誘導加熱装置である。
図６の誘導加熱装置は、図４、５に示した誘導加熱装置においてチョッパの後段に複数台（図６は2台の例）のインバータ４、６が接続された構成である。ここで、インバータは電圧検出器９で検出されるチョッパ出力電圧の検出値に応じて制御部により駆動指令を生成し、それぞれのインバータを駆動する。このとき、先行技術によるとチョッパの後段にインバータが接続されることで、インバータ入力電圧（チョッパ出力電圧）Vdc2が全て等しくなることから制御部１０、１１間の情報交換を行うことなく、全ての加熱コイルに同一の電力を効率良く供給することができることが示唆されている。
特開平７−２０１４６９号公報 特開平５−２９９１８３号公報

上述のように、特許文献２は放電灯点灯装置の提案でありインバータごとの供給電力の相違は放電灯のちらつきの原因となるため、基本的には存在しない。しかし、誘導加熱装置の場合、チョッパ部の後段に接続される複数台のインバータごとに大きく異なる出力電力を供給しなければならない負荷条件が存在する。したがって特許文献２には、上記のような誘導加熱装置独自の負荷条件において、チョッパ、インバータをどの様に制御すべきかに関しては説明されていない。
以上より、本発明の課題は、チョッパの後段に複数台のインバータが接続される誘導加熱装置において、それぞれのインバータが異なる出力電力を供給する場合に、誘導加熱装置として高効率を実現する制御法を提供することにある。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、交流電源に接続される整流器と、整流器の直流出力端に接続されるチョッパと、チョッパ出力に並列接続される複数台のインバータと、前記各々のインバータに接続される加熱コイルとを有し、前記加熱コイルに高周波電流を通流させることで被加熱物を加熱する誘導加熱装置において、前記複数台のインバータのうち最大電力を発生させるインバータの変換効率が最大となるようにチョッパ出力電圧を決定する。
第２の発明においては、前記複数台のインバータのうち、最大電力を発生させないインバータの供給電力の調整を、動作周波数を変化させることにより行う。
第３の発明においては、前記複数台のインバータのうち、最大電力を発生させないインバータの供給電力の調整を、オン信号のパルス幅を変化させることにより行う。

本発明では、チョッパの後段に複数台のインバータが接続される誘導加熱装置において、それぞれのインバータが異なる出力電力を供給する場合に、最大電力を供給するインバータの変換効率が最大となるようにチョッパの出力電圧を決定しているため、誘導加熱装置全体としての高効率化を実現できる。

本発明の要点は、交流電源に接続される整流器と、整流器の直流出力端に接続されるチョッパと、チョッパ出力に並列接続される複数台のインバータと、前記各々のインバータに接続される加熱コイルとを有し、前記加熱コイルに高周波電流を通流させることで被加熱物を加熱する誘導加熱装置において、前記複数台のインバータのうち最大電力を発生させるインバータの変換効率が最大となるようにチョッパ出力電圧を決定することである。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。ここではチョッパ３の後段に2台のインバータ４，６が接続される場合を例にとって制御方法を説明する。インバータ制御部１０と１１にはチョッパ出力電圧が電圧検出器９から入力される。インバータ制御部１０からはインバータ４に駆動信号を送出すると共に電力指令比較器１３に電力指令１を送出する。インバータ制御部１１からはインバータ６に駆動信号を送出すると共に電力指令比較器１３に電力指令２を送出する。電力指令比較器１３では、インバータ制御部１０から出力された電力指令1と、インバータ制御部１１から出力された電力指令2を電力指令比較部で比較し、大きい方の電力指令（大電力指令）を選択し出力する。そして、チョッパ制御部１２では、入力された大電力指令に基づき、大きな電力を出力するインバータが、おおよそ最低動作周波数、オンデューティ0.5、力率1で動作するようなチョッパ出力電圧Vdc2となるようなチョッパ駆動指令を与える。
以上のように動作させることにより、大きな電力を出力するインバータが高効率で動作できるようになるため、装置全体の効率を向上させることができる。
また、図１では交流電源が単相の場合についてのみ説明したが、多相の交流電源であっても同様である。

図２に、本発明の第２の実施例を示す。図２は図１におけるインバータ制御部の内部構成である。インバータ動作周波数決定部１５で図１のチョッパ出力電圧検出器９で検出されたチョッパ出力電圧検出値と電力指令決定部１４からの電力指令を比較し、インバータの動作周波数を変化させることで、インバータの出力電力を制御する。ここで、定常時には大きな電力指令を与えているインバータは、おおよそ最低動作周波数、オンデューティ0.5、力率1で動作して電力を供給するように制御し、小さな電力指令を与えているインバータは、動作周波数のみ変化させて所望の電力を供給するように制御している。このとき、小さな電力を供給しているインバータは、動作周波数の高周波化、力率の悪化により、効率が若干悪化する動作状態となるが、装置効率を支配する大きな電力を供給するインバータが最も効率の良い条件で動作しているため、装置全体の効率を向上させることができる。

図３に、本発明の第３の実施例を示す。実施例2の誘導加熱装置の場合、インバータは異なる動作周波数で動作することになるため、動作周波数の差の周波数で干渉音が発生する恐れがある。第３の実施例は、この課題を解決するためのものである。
図１におけるインバータ制御部の内部構成である。インバータオンデューティ決定部１６で図１のチョッパ出力電圧検出器９で検出されたチョッパ出力電圧検出値と電力指令決定部１４で決定された電力指令を比較し、インバータのオンデューティを変化させることで、インバータの出力電力を制御する。定常時には大きな電力指令を与えているインバータは、おおよそ最低動作周波数、オンデューティ0.5、力率1で動作して電力を供給するように制御し、小さな電力指令を与えているインバータは、オンデューティのみ変化させて所望の電力を供給するように制御している。
従って、全てのインバータの動作周波数が一定となることから、干渉音の発生を回避できる。また、そのほかの効果は実施例2と同様であるため、省略する。

本発明は、複数台のインバータを並列接続して、個別の負荷に電力を供給する無停電電源装置（ＵＰＳ）、高周波電源、電動機駆動用インバータなどへの適用が可能である。

本発明の第1の実施例を示す回路構成図 本発明の第2の実施例を示す制御回路部の構成 本発明の第3の実施例を示す制御回路部の構成 従来の誘導加熱装置の回路構成例 図４の詳細構成例 インバータを2台並列接続した従来例

符号の説明

１・・・交流電源 ２・・・整流回路 ３・・・チョッパ
４、６・・・インバータ ５、７・・・加熱コイル
８、３１・・・コンデンサ ９・・・電圧検出器
１０、１１・・・制御部 １２・・・チョッパ制御部
１３・・・電力指令比較部 １４・・・電力指令決定部
１５・・・インバータ動作周波数決定部
１６・・・インバータオンデューティ決定部
２１〜２４・・・ダイオード ４１、４２・・・共振コンデンサ
３２、３３、４３、４４・・・スイッチング素子

Claims (3)

1. 交流電源に接続される整流器と、整流器の直流出力端に接続されるチョッパと、チョッパ出力に並列接続される複数台のインバータと、前記各々のインバータに接続される加熱コイルとを有し、前記加熱コイルに高周波電流を通流させることで被加熱物を加熱する誘導加熱装置において、
   前記複数台のインバータのうち最大電力を発生させるインバータの変換効率が最大となるようにチョッパ出力電圧を決定することを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記複数台のインバータのうち、最大電力を発生させないインバータの供給電力の調整を、動作周波数を変化させることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記複数台のインバータのうち、最大電力を発生させないインバータの供給電力の調整を、オン信号のパルス幅を変化させることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
   

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