JP2005174744A - 誘導加熱インバータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鍋を誘導加熱する誘導加熱インバータにおいて、加熱コイル及び共振コンデンサからなる共振回路の共振周波数を計測するための制御方法を提供する。
【解決手段】直流電源１と、アーム回路２，３をブリッジ接続してなるインバータ主回路と、加熱コイル５及び共振コンデンサ４からなる共振回路と、前記インバータ主回路を制御する制御回路２０とからなる誘導加熱インバータにおいて、制御回路２０により、先ず、直流電源１と前記インバータ主回路とを介して前記共振回路に単発電圧を印加して該共振回路の共振動作を始動させ、この始動後持続させた前記共振動作の周期から前記共振回路の共振周波数を導出し、この導出した共振周波数に基づいて、加熱コイル５上の鍋９を誘導加熱する。
【選択図】 図１

Description

この発明は直流電源と、自己消弧形素子とダイオードの逆並列回路をブリッジ接続してなるインバータ主回路と、加熱コイル及び共振コンデンサからなる共振回路と、前記インバータ主回路を制御する制御回路とを備え、前記加熱コイル上の鍋を誘導加熱する誘導加熱インバータの制御方法に関する。

図５は、この種の誘導加熱インバータの従来例を示す回路構成図であり、１は整流電源などの直流電源、２，３は自己消弧形素子としてのＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路を２組直列接続してなるアーム回路、４は共振コンデンサ、５は加熱コイル、９は鍋、１０は運転周波数制御回路１１とゲート駆動回路１２とからなる制御回路を示し、この回路構成において、アーム回路２とアーム回路３とでフルブリッジ接続のインバータ主回路を形成し、また、共振コンデンサ４と加熱コイル５とで共振回路を形成し、従って、直流電源１と、前記インバータ主回路と、前記共振回路と、制御回路１０とで誘導加熱インバータを形成している。

図５に示した誘導加熱インバータにおいて、共振コンデンサ４と加熱コイル５とからなる共振回路の共振周波数が例えば２０ｋＨｚ程度に整定されたとすると、この誘導加熱インバータの起動時には、運転周波数制御回路１１からの運転周波数を５０ｋＨｚ程度に設定してゲート駆動回路１２を介して前記インバータ主回路を起動させ、起動完了時には、運転周波数制御回路１１では指令される電力指令値と、例えば図示しない検出器などにより直流電源１の両端電圧と直流電源１からの前記インバータ主回路への電流とから求められる鍋９への加熱電力値との偏差が零になる周波数まで、運転周波数を下降させることにより、鍋９が所望の状態で誘導加熱されることが知られている。

このとき、例えば下記特許文献１に開示されている制御方法を用い、その結果として、前記運転周波数の変化範囲を２５〜５０ｋＨｚ程度にすることで、加熱コイル５に加わる電圧と電流の余裕各は所望の値以上に保たれ、特別に前記余裕角を制御する回路を備えなくても、この誘導加熱インバータが安定に動作することが知られている。
特開平１１−５４２５０号公報 （第２頁〜第４頁、第１図）

上述の従来の誘導加熱インバータの制御方法によると、制御回路１０で生成される運転周波数が適正でないときには、前記インバータ主回路が過電流状態に陥り、この誘導加熱インバータの動作を停止させることがあった。

上記問題点に対する前記特許文献１に開示されている解決策では、共振コンデンサ４と加熱コイル５とからなる共振回路の共振周波数が既知であるとして、前記運転周波数の変化範囲を導出しているが、鍋９の構造，材質などの違いにより、前記共振周波数が予め設定された周波数範囲を逸脱している場合には、上記問題点を解決できないという新たな問題点が生ずることがあった。

この発明は、上記問題点を解決し、自動的に最適な運転周波数を設定できる誘導加熱インバータの制御方法を提供することにある。

この発明は直流電源と、自己消弧形素子とダイオードの逆並列回路をブリッジ接続してなるインバータ主回路と、加熱コイル及び共振コンデンサからなる共振回路と、前記インバータ主回路を制御する制御回路とを備えた誘導加熱インバータにおいて、
前記直流電源とインバータ主回路とを介して前記共振回路に単発電圧を印加することにより該共振回路の共振動作を始動させ、この始動後持続させた前記共振動作の周期から前記共振回路の共振周波数を導出し、この導出した共振周波数に基づいて、前記加熱コイル上の鍋を誘導加熱することを特徴とした制御方法を行わせる。

この発明によれば、鍋の構造，材質が異なっても、自動的に前記共振周波数を導出し、この導出した共振周波数に基づいて、誘導加熱インバータが出力する周波数を最適な値にして鍋を誘導加熱することができる。

図１は、この発明の第１の実施例を示す誘導加熱インバータの回路構成図であり、この図では図５に示した従来例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち、図５に示した制御回路１０に代えて電流検出器２１、比較器２２、共振周波数測定回路２３、下限周波数設定回路２４、運転周波数制御回路２５、ゲート駆動回路２６からなる制御回路２０を備えている。

図１に示すように、アーム回路２の上アームＩＧＢＴをＳ₂₁とし、アーム回路２の下アームＩＧＢＴをＳ₂₂とし、アーム回路３の上アームＩＧＢＴをＳ₃₁とし、アーム回路３の下アームＩＧＢＴをＳ₃₂としたときに、この誘導加熱インバータが、例えば、鍋９への加熱を開始する直前に、共振コンデンサ４および加熱コイル５からなる共振回路と、加熱コイル５の上に設置された鍋９とに係わる共振周波数を導出する方法について、図２に示す動作波形図を参照しつつ、以下に説明する。

先ず、運転周波数制御回路２５とゲート駆動回路２６とにより、Ｓ₂₁，Ｓ₂₂，Ｓ₃₁，Ｓ₃₂それぞれがオフの状態にある時刻Ｔ₀ に、Ｓ₂₁とＳ₃₂とをオンさせると、直流電源１→Ｓ₂₁→共振コンデンサ４→加熱コイル５→Ｓ₃₂→直流電源１の経路で電流が流れ、この電流は図２に示すように正弦波状に増大する。

前記時刻Ｔ₀ から例えば約１０μ秒程度の短時間が経過した時点で、運転周波数制御回路２５とゲート駆動回路２６とにより、オン状態のＳ₂₁をオフさせると共にオフ状態のＳ₂₂をオンさせると、共振コンデンサ４→加熱コイル５→Ｓ₃₂→Ｓ₂₂（ダイオード側）→共振コンデンサ４の経路で正弦波状の電流が流れ続け、この電流の極性が反転すると、共振コンデンサ４→Ｓ₂₂→Ｓ₃₂（ダイオード側）→加熱コイル５→共振コンデンサ４の経路で正弦波状の電流が流れ、さらに、時刻Ｔ₁ でこの電流の極性が反転し、共振コンデンサ４→加熱コイル５→Ｓ₃₂→Ｓ₂₂（ダイオード側）→共振コンデンサ４の経路で正弦波状の電流が流れる。

すなわち、図２に示すように、時刻Ｔ₀ より、その振幅が減衰しつつ、共振コンデンサ４および加熱コイル５からなる共振回路と加熱コイル５の上に設置された鍋９とに係わる共振周波数の電流が流れるので、この電流を電流検出器２１と比較器２２とにより論理レベルの信号に変換し、共振周波数測定回路２３では比較器２１の出力の論理レベルがＬからＨに変化する時刻Ｔ₁ −Ｔ₂ 間、時刻Ｔ₂ −Ｔ₃ 間、時刻Ｔ₃ −Ｔ₄ 間それぞれの経過時間を計測し、これらの平均値の逆数を前記共振周波数として下限周波数設定回路２４に記憶させる。

例えば、前記共振周波数が２０ｋＨｚと測定されたとすると、その後のこの誘導加熱インバータの起動時には、運転周波数制御回路２５からの運転周波数を５０ｋＨｚ程度に設定してゲート駆動回路２６を介して前記インバータ主回路を起動させ、起動完了時には、運転周波数制御回路２５では指令される電力指令値と、例えば図示しない検出器などにより直流電源１の両端電圧と直流電源１からの前記インバータ主回路への電流とから求められる鍋９への加熱電力値との偏差が零になる周波数まで、運転周波数を下降させるが、このとき、下限周波数設定回路２４では記憶した共振周波数が２０ｋＨｚであることから、運転周波数制御回路２５に設定する運転周波数の下限値を２５ｋＨｚ程度にすることで、前記運転周波数の変化範囲が２５〜５０ｋＨｚ程度となり、加熱コイル５に加わる電圧と電流の余裕各は所望の値以上に保たれ、特別に、前記余裕角を制御する回路を備えなくても、この誘導加熱インバータが安定に動作する。

図３は、この発明の第２の実施例を示す誘導加熱インバータの回路構成図であり、この図では図５に示した従来例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち図３において、６，７は共振コンデンサ、８は加熱コイル、３０は電流検出器３１、比較器３２、共振周波数測定回路３３、下限周波数設定回路３４、運転周波数制御回路３５、ゲート駆動回路３６からなる制御回路を示し、この回路構成において、アーム回路２によりハーフブリッジ接続のインバータ主回路を形成し、また、共振コンデンサ６，７と加熱コイル８とで共振回路を形成し、従って、直流電源１と、前記インバータ主回路と、前記共振回路と、制御回路１０とで誘導加熱インバータを形成している。

図３に示すように、アーム回路２の上アームＩＧＢＴをＳ₂₁とし、アーム回路２の下アームＩＧＢＴをＳ₂₂としたときに、この誘導加熱インバータが、例えば、鍋９への加熱を開始する直前に、共振コンデンサ６，７および加熱コイル８からなる共振回路と、加熱コイル８の上に設置された鍋９とに係わる共振周波数を導出する方法について、図４に示す動作波形図を参照しつつ、以下に説明する。

先ず、運転周波数制御回路３５とゲート駆動回路３６とにより、Ｓ₂₁，Ｓ₂₂それぞれがオフの状態にある時刻Ｔ₀ に、Ｓ₂₁をオンさせると、直流電源１→Ｓ₂₁→加熱コイル８→共振コンデンサ７→直流電源１の経路で電流が流れ、この電流は図２に示すように正弦波状に増大する。

前記時刻Ｔ₀ から例えば約１０μ秒程度の短時間が経過した時点で、運転周波数制御回路３５とゲート駆動回路３６とにより、オン状態のＳ₂₁をオフさせると、共振コンデンサ７→Ｓ₂₂（ダイオード側）→加熱コイル８→共振コンデンサ７の経路で正弦波状の電流が流れ続け、この電流の極性が反転すると、加熱コイル８→Ｓ₂₁（ダイオード側）→共振コンデンサ６→加熱コイル８の経路で正弦波状の電流が流れ、さらに、時刻Ｔ₁ でこの電流の極性が反転し、加熱コイル８→共振コンデンサ７→Ｓ₂₂（ダイオード側）→加熱コイル８の経路で正弦波状の電流が流れる。

すなわち、図４に示すように、時刻Ｔ₀ より、その振幅が減衰しつつ、共振コンデンサ６，７および加熱コイル８からなる共振回路と加熱コイル８の上に設置された鍋９とに係わる共振周波数の電流が流れるので、この電流を電流検出器３１と比較器３２とにより論理レベルの信号に変換し、共振周波数測定回路３３では比較器３１の出力の論理レベルがＬからＨに変化する時刻Ｔ₁ −Ｔ₂ 間、時刻Ｔ₂ −Ｔ₃ 間、時刻Ｔ₃ −Ｔ₄ 間それぞれの経過時間を計測し、これらの平均値の逆数を前記共振周波数として下限周波数設定回路３４に記憶させる。

例えば、前記共振周波数が２０ｋＨｚと測定されたとすると、その後のこの誘導加熱インバータの起動時には、運転周波数制御回路３５からの運転周波数を５０ｋＨｚ程度に設定してゲート駆動回路３６を介して前記インバータ主回路を起動させ、起動完了時には、運転周波数制御回路３５では指令される電力指令値と、例えば図示しない検出器などにより直流電源１の両端電圧と直流電源１からの前記インバータ主回路への電流とから求められる鍋９への加熱電力値との偏差が零になる周波数まで、運転周波数を下降させるが、このとき、下限周波数設定回路３４では記憶した共振周波数が２０ｋＨｚであることから、運転周波数制御回路３５に設定する運転周波数の下限値を２５ｋＨｚ程度にすることで、前記運転周波数の変化範囲が２５〜５０ｋＨｚ程度となり、加熱コイル５に加わる電圧と電流の余裕各は所望の値以上に保たれ、特別に、前記余裕角を制御する回路を備えなくても、この誘導加熱インバータが安定に動作する。

なお、図１，図３に係わる誘導加熱インバータの動作説明では、鍋９への加熱を開始する直前に前記共振周波数を導出しているが、例えば、鍋９を加熱中に、定期的あるいは温度検出値に基づいて、一旦、誘導加熱インバータの加熱動作を停止させ、上述の如く、前記共振周波数を新たに求め、この共振周波数に基づいて、鍋９への加熱動作を再開することで、加熱による温度変化によって共振周波数が変化する場合にも、鍋９の具の温度上昇に対応しつつ、よりきめ細かく、適正に、鍋９を加熱することができる。

また、鍋無しを検出した後に再加熱を行う際や、操作者の操作に基づく共振周波数導出指令を入力した際などに共振周波数を導出するようにしてもよく、負荷の特性や、誘導加熱の用途に応じて最適なタイミングに共振周波数の導出が可能となる。

この発明の第１の実施例を示す誘導加熱インバータの回路構成図 図１の動作を説明する波形図 この発明の第２の実施例を示す誘導加熱インバータの回路構成図 図３の動作を説明する波形図 従来例を示す誘導加熱インバータの回路構成図

符号の説明

１…直流電源、２，３…アーム回路、４…共振コンデンサ、５…加熱コイル、６，７…共振コンデンサ、８…加熱コイル、９…鍋、１０…制御回路、１１…運転周波数制御回路、１２…ゲート駆動回路、２０…制御回路、２１…電流検出器、２２…比較器、２３…共振周波数測定回路、２４…下限周波数設定回路、２５…運転周波数制御回路、２６…ゲート駆動回路、３０…制御回路、３１…電流検出器、３２…比較器、３３…共振周波数測定回路、３４…下限周波数設定回路、３５…運転周波数制御回路、３６…ゲート駆動回路。

Claims (1)

1. 直流電源と、自己消弧形素子とダイオードの逆並列回路をブリッジ接続してなるインバータ主回路と、加熱コイル及び共振コンデンサからなる共振回路と、前記インバータ主回路を制御する制御回路とを備えた誘導加熱インバータにおいて、
   前記直流電源とインバータ主回路とを介して前記共振回路に単発電圧を印加することにより該共振回路の共振動作を始動させ、この始動後持続させた前記共振動作の周期から前記共振回路の共振周波数を導出し、
   この導出した共振周波数に基づいて、前記加熱コイル上の鍋を誘導加熱することを特徴とする誘導加熱インバータの制御方法。
   

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