JP5369878B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して被加熱物の加熱を行う誘導加熱装置に関するものである。

従来、この種の誘導加熱装置は、商用電源からインバータへの入力電流に応じて加熱コイルに供給する高周波電流を制御している（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された従来の誘導加熱装置を示すものである。図５に示すように、商用電源１１と、第１及び第２の加熱コイル１６，１７と、商用電源を整流する第１及び第２の整流回路１２、２２と、整流回路の出力を高周波電力に変換しそれぞれの加熱コイルに高周波電力を供給する第１及び第２のインバータ１４、１５と、それぞれのインバータに供給される電流を検出する第１及び第２のカレントトランス１３，２３と、カンレントトランスの出力に応じてインバータの動作状態を制御するマイクロコンピュータ１８とから構成されている。

従来例の動作を説明する。図５において、マイクロコンピュータ１８は、第１及び第２のカレントトランス１３，２３で検出した入力電流が予め設定された電流値になるように第１及び第２のインバータ１４，１５内の半導体スイッチの導通時間を制御して、第１及び第２にインバータ１４，１５に接続された第１及び第２の加熱コイル１６，１７に必要な高周波電流を供給する。

第１及び第２の加熱コイル１６，１７に供給された高周波電流により、第１及び第２の加熱コイル１６，１７から発生する高周波磁界が、加熱コイルと磁気的に結合する鍋などの負荷に印加される。

この高周波磁界により鍋などの負荷に渦電流が発生し、この渦電流と鍋自身の表皮抵抗により鍋自身が発熱する。

また、第１及び第２の加熱コイル１６，１７に第１及び第２のインバータ１４，１５から同時に高周波電力を供給する際には、マイクロコンピュータ１８が、各インバータに接続されたカレントトランスで各インバータ入力電流を検出し、各インバータの入力電力が所定値になるように第１及び第２のインバータ内の半導体スイッチを独立して制御している。

特開２００１−２６７０５２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、複数の加熱コイルのそれぞれに高周波電力を供給するためのインバータと、整流回路と、カレントトランスとを複数個備える必要があり、回路が大型化して筐体内の収納が困難になるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、回路の小型化を可能とした誘導加熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は、交流電源を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を高周波電力に変換し第１および第２の加熱コイルに電力を印加する第１および第２のインバータと、前記交流電源からの入力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段に応じて前記第１および第２のインバータ内にある複数の半導体スイッチの導通時間を制御する制御手段とを備え、第１および第２のインバータが同時に動作する際、制御手段は前記電流検出手段の検出値が目標値に到達した後、電流検出手段の検出値と目標値が一定時間内に所定値以上差が生じた場合に、第１および第２のインバータの少なくとも一方を停止させる誘導加熱装置としたものである。

これにより、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で２つのインバータの同時動作を行ってもそれぞれのインバータに所定の電力を供給することができるとともに、加熱コイル上の負荷の状態が変動するのを検出することができるため、インバータ回路の安定動作が可能となり、インバータ回路の実装体積が少なくなる。

本発明の誘導加熱装置は、整流回路と電流検出手段を、２つのインバータに対して共用化した構成で、２つのインバータの同時動作を行っても、それぞれのインバータに所定の電力を供給することができるとともに、加熱コイル上の負荷の変動を検出することができるため、インバータ回路の安定動作が可能となり、インバータ回路の実装体積が少なくコンパクトな誘導加熱装置を実現することができる。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の回路構成図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の負荷変動時の入力電流変化グラフ 本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の入力電流変化グラフ 本発明の実施の形態３における誘導加熱装置の半導体スイッチの最大導通時間を示すグラフ 従来の誘導加熱装置の回路構成図

第１の発明は、交流電源を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を高周波電力に変換し第１および第２の加熱コイルに電力を印加する第１および第２のインバータと、前記交流電源からの入力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段に応じて前記第１および第２のインバータ内にある複数の半導体スイッチの導通時間を制御する制御手段とを備え、第１および第２のインバータが同時に動作する際、制御手段は前記電流検出手段の検出値が目標値に到達した後、電流検出手段の検出値と目標値が一定時間内に所定値以上差が生じた場合に、第１および第２のインバータの少なくとも一方を停止させる誘導加熱装置とすることにより、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で２つのインバータの同時動作を行っても、それぞれのインバータに所定の電力を供給することができるとともに、加熱コイル上の負荷の状態が変動を検出することができるため、インバータ回路の安定動作が可能となり、インバータ回路の実装体積の少ないコンパクトな誘導加熱装置を実現することができる。

第２の発明は、交流電源を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を高周波電力に変換し第１および第２の加熱コイルに電力を印加する第１および第２のインバータと、前記交流電源からの入力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段に応じて前記第１および第２のインバータ内にある複数の半導体スイッチの導通時間を制御する制御手段と
を備え、第１および第２のインバータが同時に動作する際、制御手段は前記電流検出手段の検出値が目標値に到達した後、電流検出手段の検出値と目標値が一定時間内に所定値以上差が生じた場合に、第１および第２のインバータの少なくとも一方の導通時間を最小導通時間にすることにより、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で２つのインバータの同時動作を行ってもそれぞれのインバータに所定の電力を供給することができるとともに、加熱コイル上の負荷の状態が変動した際に、再加熱までの時間を短くすることができるため、インバータ回路が安定して電力を供給することが可能となり、インバータ回路の実装体積の少ないコンパクトな誘導加熱装置を実現することができる。

第３の発明は、特に、第１および第２の発明の制御手段を、インバータが同時に動作する際、電流検出手段の検出値が目標値に到達した際の第１および第２のインバータ内の半導体スイッチの導通時間を安定時導通時間として、目標値の変更がない場合、安定時動通時間から一定時間以上導通時間が増加しない最大導通時間を設けるとすることにより、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で独立した２つのインバータの同時動作を行っても各加熱コイル上の置かれた負荷がずれた場合に、加熱コイルの中心から負荷がずれるに従って入力電力を減少させることができるため、負荷がずれた状態で大きな入力電力を供給することを防止することができる。

第４の発明は、特に、第４の発明の制御手段を、第１および第２のインバータのいずれか一方が最大導通時間に達した場合、第１および第２のインバータの双方の導通時間の増加を禁止することにより、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で独立したインバータの同時動作を行ってもそれぞれの加熱コイル上の置かれた負荷を移動させた場合に、加熱コイルの中心から鍋がずれるに従って入力電力を減少させることができるため、鍋がずれた状態で大きな入力電力を供給することを防止することができる。

第５の発明は、特に、第３の発明の制御手段を、第１および第２のインバータのいずれか一方が最大導通時間に達した場合、第１および第２のインバータの少なくとも一方を停止させることにより、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で独立したインバータの同時動作を行ってもそれぞれの加熱コイル上の置かれた負荷を移動させた際に、加熱動作を止めることができるため、不要な動作を抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の回路構成図を示す。

図１において、交流電源１と、交流電源を整流する整流回路２と、整流回路２の出力を高周波電力に変換する第１及び第２のインバータ４，５と、それぞれのインバータに接続されそれぞれのインバータから高周波電流が供給される第１及び第２の加熱コイル６，７と、交流電源からの入力電流を検出する電流検出手段３と、電流検出手段３からの出力に従い第１及び第２のインバータ内の半導体スイッチを制御する制御手段８とで構成している。

ここで、第１のインバータ４と第１の加熱コイル６、及び第２のインバータ５と第２の加熱コイル７は、制御手段８の指令に従い、それぞれの加熱コイル上の戴置した鍋などの負荷を、加熱することになる。

以上のように構成された誘導加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。

図２は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の負荷変動時の入力電流変化グラフである。

まず、制御手段８は、第１または第２の加熱コイル６，７への動作指令を受け取ると、第１または第２の加熱コイル６，７上に載置された鍋などの負荷が加熱適合負荷かどうかを電気的な特性などを用いて判別し、不適合鍋の場合は加熱を停止させる。

一方、制御手段８は、負荷が適合であるとみなした場合には、電流検出手段３により検出した入力電流が、設定値に達するまで加熱電力を順次増加させる。

なお、単独の加熱コイルのみ電力を供給する際には、入力電流の目標値はそれぞれの加熱コイルに所定の電力を供給するための入力電流値となる。同時加熱の際の目標値は、両加熱コイルへ所定の電力を供給するためのそれぞれの入力電流値の合計値になる。

ここで、両加熱コイルの同時加熱の際には、電流検出手段３はそれぞれのインバータに供給される入力電流の合計電流を検出することになるため、例えば負荷が加熱コイル上から取り除かれた際には、図２に示すように入力電流が設定値（目標値）に対して少ない状態が発生することになる。

そこで、制御手段８は、一定時間（Δｔ）入力電流が目標値に対して少ない（ΔＩ）が継続した場合には、負荷に変動が生じたものと見なして各インバータの動作を停止させる。

なお、図２では入力電流が目標値より一定量少ない場合を示しているが、一定量より多い場合が一定時間継続した場合も、負荷変動があったものとみなして停止させることが望ましい。

また、変動を検出する時間（Δｔ）を、制御手段８が入力電流が少ないことを検出して各インバータ内の半導体スイッチの導通時間または周波数を増加させる補正時間よりも短かく設定することで、より検知速度を上げることが可能となる。

更に、負荷変動を検出した際に、インバータを順番に停止させることで負荷変動が生じた加熱コイルを特定することが可能となる。すなわち、負荷変動があったインバータを停止させると、入力電流が変化せず、負荷変動がなかった側を停止させると入力電流が減少することになる。ここで、負荷変動がなかった側を停止させた場合には、すばやく所定の電力に復帰させることで違和感を感じずに調理動作を継続させることができる。

また、どちらのインバータに負荷変動があったかが、加熱コイルに流れる電流や発生する共振電圧などの変化により検出できる場合は、当該インバータを優先的に停止させることも可能である。

なお、負荷変動（負荷がなくなるなど）したインバータは通常の再起動動作を行い、再び負荷が正常な位置に戴置されると同時動作の状態に移行することになる。

以上のように、本実施の形態においては、２つのバーナの同時加熱を行う際、制御手段８は電流検出手段３の検出値が目標値に到達した後、電流検出値３の検出値と目標値が一定時間内に所定値以上差が生じた場合に、第１および第２のインバータ４，５の少なくとも一方を停止させることにより、整流回路と入力電流検出手段を共用化した構成で２つのインバータの同時動作を行ってもそれぞれの加熱コイル上に置かれた負荷の変動を検出できるため、インバータの安定した動作が可能となり、インバータ回路の実装体積の小さい
コンパクトな誘導加熱装置を実現できるものである。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における誘導加熱装置の入力電流変化グラフである。本実施の形態の構成は実施の形態１と同一である。

両加熱コイルの同時加熱の際に、電流検出手段３はそれぞれのインバータに供給される入力電流の合計電流を検出することになるため、例えば負荷が加熱コイル上から取られた際には、図３に示すように入力電流が設定値（目標値）に対して少ない状態が発生することになる。

そこで、制御手段８は、一定時間（Δｔ）入力電流が目標値に対して少ない（ΔＩ）が継続した場合には、負荷に変動が生じたものと見なして各インバータの導通時間を最小導通時間まで減少させる。

なお、図３では入力電流が目標値より一定量少ない場合を示しているが、一定量より多い場合が一定時間継続した場合も、負荷変動があったものとみなし各インバータの導通時間を最小導通時間まで減少させることが望ましい。

また、変動を検出する時間（Δｔ）を、制御手段８が入力電流が少ないことを検出して各インバータ内の半導体スイッチの導通時間または周波数を増加させる補正時間よりも短かく設定することで、より検知速度を上げることが可能となる。

更に、負荷変動を検出した際に、各インバータの導通時間を最小導通時間まで順番に減少させる動作を行うことで、負荷変動が生じた加熱コイルを特定することが可能となる。

すなわち、負荷変動があったインバータの導通時間を最小設定にすると入力電流が変化せず、負荷変動がなかった側のインバータの導通時間を最小導通時間まで減少させると入力電流が減少することになる。

ここで、負荷変動がなかった側のインバータの導通時間を最小導通時間まで減少させた場合には、すばやく所定の電力に復帰させることで違和感を感じずに調理動作を継続させることができる。

あるいは、負荷変動を検出した際にインバータの導通時間を最小導通時間まで減少させた後に、順番に導通時間を増加させることで、負荷変動のあったインバータを特定することもできる。

また、どちらのインバータに負荷変動があったかが、加熱コイルに流れる電流や発生する共振電圧などの変化により検出できる場合は、当該インバータを優先的に停止させることも可能である。

なお、負荷変動（負荷がなくなるなど）したインバータは通常の再起動動作を行い、再び負荷が正常な位置に戴置されると同時動作の状態に移行することになる。

以上のように、本実施の形態においては、２つのバーナの同時加熱を行う際、制御手段８は電流検出手段３の検出値が目標値に到達した後、電流検出値３の検出値と目標値が一定時間内に所定値以上差が生じた場合に、第１および第２のインバータ４，５の少なくとも一方の導通時間を最小導通時間にすることにより、整流回路と入力電流検出手段を共用化した構成で２つのインバータの同時動作を行ってもそれぞれの加熱コイル上の置かれた
負荷を移動させるなどして加熱条件が変わった際に加熱動作を違和感なく停止させることができるため、不要な動作を抑える誘導加熱装置を実現できるものである。

（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態における誘導加熱装置の半導体スイッチの最大導通時間を示すグラフである。本実施の形態の構成は実施の形態１と同一である。

両加熱コイルの同時加熱の際、電流検出手段３はそれぞれのインバータに供給される入力電流の合計電流を検出しているため、例えば鍋などの負荷がはじめの載置状態からずれて置かれた場合には、制御手段８は入力電流が設定値になるように第１または第２のインバータ４，５内の半導体スイッチの導通時間（Ｔｏｎ）を長くなるように制御することになる。ここで、制御手段８は、安定状態の導通時間を検出して（図４の導通時間Ａ）、その導通から一定時間（Δα）を最大導通時間（図４の導通時間Ｂ）としてそれ以上導通時間が増加しないようにしている。

このことにより、鍋などの負荷がバーナの中心から更にずれても、Ｔｏｎｍａｘ以上に導通時間が増加しないため、加熱コイルと鍋などの負荷の結合が悪くなるに従い、入力電力は減少していくことになる。

よって、鍋などの負荷がバーナの中心からずれた状態で、負荷に不要に大電力が供給されることを防止することができる。

また、第１のインバータ４，第２のインバータ５のいずれか一方の導通時間が最大導通時間（Ｔｏｎｍａｘ）に達した時点で、両インバータの導通時間の増加を制限することで、鍋などの負荷にずれが生じたインバータとは異なるインバータの電力を増加させた場合において、電力が片方のインバータに集中して供給されることを防止することができる。

あるいは、第１のインバータ４，第２のインバータ５のいずれか一方の導通時間が最大導通時間（Ｔｏｎｍａｘ）に達した時点で、少なくとも一方のインバータを停止させることで、鍋などの負荷にずれが生じたインバータとは異なるインバータの電流を増加させ、電力が片方のインバータに集中することを防止することができる。

なお、本実施の形態ではＴｏｎに関する制限値を設けているが、周波数の変化による制御を行っている場合は安定周波数（ｆ）に対して許容できる最低周波数（ｆ−Δα：ｆｍｉｎ）を設けることで同様の制御を行うことが可能である。

以上のように、本実施の形態においては、２つのバーナの同時加熱を行う時の第１および第２のインバータ４，５が同時に動作する際、制御手段８は電流検出手段３の検出値が目標値に到達した際の第１および第２のインバータ４，５内の半導体スイッチの導通時間を安定時導通時間として、目標値の変更がない場合、安定時動通時間から一定時間以上導通時間が増加しない最大導通時間を設けることで、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で独立した２つのインバータの同時動作を行っても、各加熱コイル上の置かれた負荷が中心からずれた場合に、加熱コイルの中心から負荷がずれるに従って入力電力を減少させることができるため、負荷が中心からずれた状態で大きな入力電力を供給することを防止することができる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、インバータ回路の小型化が可能となり、回路の実装体積が小さくなるので、複数バーナによる加熱をおこなう調理器に有効である。

１ 交流電源
２ 整流回路
３ 電流検出手段
４ 第１のインバータ
５ 第２のインバータ
６ 第１の加熱コイル
７ 第２の加熱コイル
８ 制御手段
１２ 第１の整流回路
１３ 第１のカレントトランス
１８ マイクロコンピュータ
２２ 第２の整流回路
２３ 第２のカレントトランス

Claims (5)

1. 交流電源を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を高周波電力に変換し第１および第２の加熱コイルに電力を印加する第１および第２のインバータと、前記交流電源からの入力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段に応じて前記第１および第２のインバータ内にある複数の半導体スイッチの導通時間を制御する制御手段とを備え、前記第１および第２のインバータが同時に動作する際、前記制御手段は前記電流検出手段の検出値が前記第１および第２のインバータのそれぞれに供給される入力電流の合計電流となる目標値に到達した後、前記電流検出手段の検出値と前記目標値が一定時間内に所定値以上差が生じた場合に、前記第１および第２のインバータの少なくとも一方を停止させ、前記第１および第２のインバータのうち負荷変動が生じたインバータを特定するとともに、前記負荷変動がなかったインバータを停止させた場合は、所定の電力に復帰させる誘導加熱装置。
2. 交流電源を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を高周波電力に変換し第１および第２の加熱コイルに電力を印加する第１および第２のインバータと、前記交流電源からの入力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段に応じて前記第１および第２のインバータ内にある複数の半導体スイッチの導通時間を制御する制御手段をと備え、前記第１および第２のインバータが同時に動作する際、前記制御手段は前記電流検出手段の検出値が前記第１および第２のインバータのそれぞれに供給される入力電流の合計電流となる目標値に到達した後、前記電流検出手段の検出値と前記目標値が一定時間内に所定値以上差が生じた場合に、前記第１および第２のインバータの少なくとも一方の導通時間をインバータが停止しない最小導通時間にし、前記第１および第２のインバータのうち負荷変動が生じたインバータを特定するとともに、負荷変動がなかったインバータを停止させた場合は、所定の電力に復帰させる最小導通時間にする誘導加熱装置。
3. 制御手段は、第１および第２のインバータが同時に動作する際、電流検出手段の検出値が目標値に到達した際の第１および第２のインバータ内の半導体スイッチの導通時間を安定時導通時間として、目標値の変更がない場合、安定時動通時間から一定時間以上導通時間が増加しない最大導通時間を設ける請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. 制御手段は、第１および第２のインバータのいずれか一方が最大導通時間に達した場合、第１および第２のインバータの双方の導通時間の増加を禁止する請求項３に記載の誘導加熱装置。
5. 制御手段は、第１および第２のインバータのいずれか一方が最大導通時間に達した場合、第１および第２のインバータの少なくとも一方を停止させる請求項３に記載の誘導加熱装置。

Images