JP2006353085A - 誘導加熱機構に電力を供給するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に誘導加熱機構において高い電力を発生することができ、もしくは系統摂動または供給系統からの消費電流の歪みを減らすことのできる方法および装置を提供する。
【解決手段】
誘導加熱機構（Ｌ）の電力を高めるために、もしくは系統摂動を避けるために、周波数変換器（１５）の動作周波数（ｆ）は、固定値（ｆ_Ｇ）から外れて、電源電圧（Ｕ_ｂ）の半波にわたって、まず上昇し、次に再び低下するように変更することができる。これは有利には無段階で連続的に行われる。こうして誘導コイル（Ｌ）のインピーダンスＺが極力一定に保たれ、誘導子電流（Ｉ）はほぼ理想的正弦波形を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、誘導加熱機構に電力を供給するための方法、とくに、電力供給のために交流電源電圧と、スイッチング可能なスイッチング素子を備えた１つの周波数変換器が設けられている方法、および誘導加熱機構に電力を供給するための装置に関する。

このような誘導加熱機構は、例えば誘導コイルとして、しばしば誘導加熱調理器内で利用される。特に大量の液体、例えばヌードル水の調理過程を迅速に行うことができるようにするために、ますます高い電力への要望がある。

電力供給用に不可欠な周波数変換器が高調波および系統摂動に関して規格によって定められた限界値を上まわることになる限界は、現在約３．２ｋＷである。高調波もしくは特に第３高調波が強く作用する原因は、実質的に、誘導コイル内を流れる誘導子電流の振幅で周波数変換器内の磁気部品の透磁率が変化することにある。電流振幅が高い場合、誘導コイル内で磁界案内に利用されるフェライト等の透磁率が低下し、鍋材料の透磁率も低下する。これにより、電源電圧の半波の推移中に誘導コイルのインダクタンスがやはり変化し、そのことから結局、電源内で使用される直列共振回路の共振周波数も変化する。これにより結局、系統からの消費電流は歪められ、もしくはその推移が所定の電源電圧推移と相違する。

本発明の課題は、技術の現状の諸問題を避けることができ、特に誘導加熱機構において高い電力を発生することができ、もしくは系統摂動または供給系統からの消費電流の歪みを減らすことのできる方法および装置を提供することである。

この課題は、スイッチング素子もしくは周波数変換器の動作周波数が電源電圧の半波の推移中に周波数基底値から出発してまず僅かに高められ、次に再び周波数基底値に低下され、それぞれ電源電圧のゼロ電圧で動作周波数が周波数基底値であることを特徴とする方法、スイッチング素子を動作周波数で制御するための制御機構が設けられており、動作周波数が電源電圧の半波の推移中に周波数基底値から出発してまず最大値にまで上昇し次に再び周波数基底値に戻るように、制御機構が動作周波数を変更すべく構成されている装置、そして誘導加熱調理器もしくは誘導加熱機構への前記方法の応用によって解決される。本発明の有利で好ましい諸構成はその他の請求項の対象であり、以下で詳しく説明される。特許請求の範囲の文言は明確に関連付けることによって本明細書の内容とされる。以下に列挙する特徴および特性の多くは方法にも装置にもあてはまる。それらの一部は１回述べられるだけであるが、しかし相互に左右されることなく方法にも装置および応用にも妥当する。

発明の実施の形態

誘導加熱機構に電力を供給するのに役立つのが交流電源電圧である。さらに、スイッチング可能なスイッチング素子を有する１つの周波数変換器が設けられている。本発明によれば、スイッチング素子もしくは周波数変換器全体の動作周波数は電源電圧または誘導コイル動作電圧の半波の推移中に僅かに高められ、次に再び低下される。これは、基本的に動作周波数の周波数基底値を確定することによって行われる。それから出発して動作周波数は半波の推移中にまず僅かに高められ、次に再び低下される。これは、周波数基底値を有する動作周波数が少なくとも電源電圧のゼロ電圧に存在し、その間に高められているように行われる。

動作周波数を一時的に高めることによって高調波の発生に直接対処することが可能である。これによりなかんずく、電源の共振回路を流れる電流は電源電圧に比例して保持することができる。これにより系統摂動はかなり減少される。

本発明の１構成において、周波数変換器もしくは電源は１つの直列共振回路を有することができる。この直列共振回路は、誘導加熱機構用電力伝達を具現する１つの誘導コイルと、共振回路キャパシタと、スイッチング可能なスイッチング素子を備えた１つの半ブリッジとからなる。誘導加熱機構用のこのような直列共振回路は基本的に公知である。

電源電圧もしくは動作電圧がそれ自体最大値に達するとき動作周波数が最大値に達するようにすることができる。従ってつまり、電源電圧の半波の間に動作周波数の推移が電源電圧自体の推移に基本的に類似するようにすることができる。状況によっては、動作周波数の簡素な制御もしくは調節にとって、動作周波数の増加および減少を比例的に電源電圧と結び付けることさえ可能とすることができる。

系統摂動を完全にまたは十分に避けるために、本発明の枠内で、半波の推移にわたって最大１５％の上昇が、特に最大１０％の上昇でさえ、誘導コイルのインダクタンス変化を補償するのに十分であることが判明した。

電源内での騒音発生を避けるために、動作周波数は極力連続的に無段階で変更することができる。これは、周波数変換器もしくはスイッチング素子を相応に制御することによって可能である。

有利には、上昇区域における動作周波数の推移は下降区域での推移と同じである。これは、動作周波数の推移が１つの半波の間ほぼ鏡像対称であることを意味する。鏡像対称の個所は最大値にあり、もしくは半波の持続時間の半分にある。

このような前記動作周波数は例えば数ｋＨｚの範囲内、主に１０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚ、特別好ましくは約２０ｋＨｚである。

電源電圧として有利には、特に周波数５０Ｈｚ、電圧２３０Ｖの家庭内の標準系統電圧が使用される。これにより３ｋＷ超の電力が、もしくは３．２ｋＷまたは３．７ｋＷ超の電力さえ、系統摂動の限界値を上まわることなく可能である。

それとともにこのような方法が家庭用器具、特に誘導加熱調理器の誘導加熱機構において利用される場合、３ｋＷをはるかに超える前記電力値は、系統摂動の前記限界値を上まわることなく可能である。

例えば前記方法を実施することのできる本発明に係る装置は、前記直列共振回路を含む１つの周波数変換器を有する。スイッチング素子用に１つの制御機構が設けられている。この制御機構は、電源電圧もしくは動作電圧の半波の推移中に動作周波数が周波数基底値から出発してまず最大値にまで上昇し次に再び周波数基底値に低下するように、スイッチング素子もしくは周波数変換器の動作周波数を変更するように構成されている。この点は上で既に述べたことである。

これらの特徴およびその他の特徴は、特許請求の範囲の他に、明細書および図面から明らかとなる。個々の特徴はそれぞれそれ自体単独で、または幾つかを副組合せの態様で、本発明の１実施形態においておよび別の領域で実現しておくことができ、それ自体保護能力のある有利な実施を具現することができ、それらに対してここで保護が請求される。本願を個々の部分および中見出しに区分することは、それらのもとでなされる記述の普遍妥当性を制限するものではない。

本発明の１実施例が図面に実質略示されており、以下で詳しく説明される。

図１には公知の方法について動作電圧Ｕ、誘導コイルＬのインピーダンスＺ＝ｗ・Ｌ、誘導子電流Ｉおよび動作周波数ｆの推移が時間にわたって示してある。動作周波数ｆが一定の場合に誘導コイルＬのインピーダンスＺが動作電圧Ｕの半波の高点に向かってどのように低下するのかを認めることができる。さらに、なかんずく誘導子電流Ｉの推移は動作電圧Ｕの推移と相違し、特に正弦波形とは相違している。そのことから前記否定的系統摂動が生じる。

図２には本発明に係る装置もしくは回路装置１１が示してある。１つの制御機構１３で制御される１つの周波数変換器１５が２つのスイッチング素子Ｔ_１、Ｔ_２、例えばトランジスタを備えている。スイッチング素子は１つの中間回路キャパシタＣ_Ｚｗおよび共振回路キャパシタＣ_Ｓと一緒に誘導コイルＬ用制御部を形成する。なかんずくスイッチング素子Ｔ_１、Ｔ_２用、従って周波数変換器１５用の動作周波数は制御機構１３を介して設定される。

図１による動作周波数ｆおよびその他の変量のこの推移が図３に例示的に示してある。ここでは約２０ｋＨｚの周波数基底値ｆ_Ｇから出発して動作周波数ｆは半波にわたって動作電圧Ｕの推移に類似して上昇し、次に再び周波数基底値ｆ_Ｇに戻る。これにより、誘導コイルＬの実質一定したインピーダンスＺについてと同様に誘導子電流Ｉについて図示推移が得られる。ところで誘導子電流Ｉのこの推移は動作電圧Ｕ_ｂの正弦波形に再び適合されている。それとともに、先に詳しく述べたように、障害となる系統摂動は確実に避けることができる。

それとともに誘導コイルＬが誘導加熱機構もしくは誘導加熱調理器用加熱機構で利用される場合、３ｋＷもしくは３．２ｋＷを超える電力さえ、例えば３．５ｋＷ〜３．７ｋＷまたは４ｋＷさえ可能である。それとともに、一層迅速な煮沸過程用もしくは一層高い電力の伝達用に一層強力な誘導加熱調理器を製造することができる。周波数変換器１５もしくはスイッチング素子Ｔ_１、Ｔ_２の動作周波数ｆを制御するための支出は特段大きくはない。特に動作周波数ｆの推移が固定設定されもしくは制御過程で制御下に設定される場合、既知の推移で処理できるので、支出は限界内に保つことができる。

多少支出を要する本発明の１構成において、誘導コイルＬのインピーダンスＺの推移を検出し、インピーダンスＺが実質一定に留まるように動作周波数ｆを調節することも可能である。同様に、誘導子電流Ｉを検出し、誘導子電流Ｉが厳密な正弦波形または別の所定の形状を正確に有するように動作周波数ｆを調節することができる。

技術の現状による誘導コイルのインピーダンスＺ＝ｗ・Ｌ、動作電圧および誘導子電流の振幅の推移が時間にわたって示してある。 本発明に係る誘導コイルに電力を供給するための装置の回路図である。 本発明に係る方法を応用した場合に周波数変換器の動作周波数が変化するときの図１と同様の曲線である。

符号の説明

１１ 回路装置
１３ 制御機構
１５ 周波数変換器
Ｃ_Ｓ 共振回路キャパシタ
Ｃ_ＺＷ 中間回路キャパシタ
ｆ 動作周波数
ｆ_Ｇ 周波数基底値
Ｌ 誘導コイル
ｗ・Ｌ 誘導コイルＬのＺ
Ｉ 誘導子電流
Ｔ_１ スイッチング素子
Ｔ_２ スイッチング素子
Ｕ 動作電圧
Ｕ_ｂ 動作電圧
Ｚ インピーダンス

Claims (9)

1. 誘導加熱機構に電力を供給するための方法であって、電力供給のために交流電源電圧（Ｕ_ｂ）と、スイッチング可能なスイッチング素子（Ｔ_１、Ｔ_２）を備えた１つの周波数変換器（１５）が設けられており、スイッチング素子もしくは周波数変換器の動作周波数（ｆ）が電源電圧の半波の推移中に周波数基底値（ｆ_Ｇ）から出発して、まず僅かに高められ、次に再び周波数基底値（ｆ_Ｇ）に低下され、それぞれ電源電圧（Ｕ_ｂ）のゼロ電圧で動作周波数（ｆ）が周波数基底値（ｆ_Ｇ）であることを特徴とする方法。
2. 周波数変換器（１５）が１つの直列共振回路を有し、この直列共振回路が１つの誘導コイル（Ｌ）と共振回路キャパシタ（Ｃ_Ｓ）とスイッチング可能なスイッチング素子（Ｔ_１、Ｔ_２）を備えた１つの半ブリッジとからなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 電源電圧（Ｕ_ｂ）が最大値に達するとき動作周波数（ｆ）が最大値に達することを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. 動作周波数（ｆ）の推移が上昇区域と下降区域とでそれぞれ同じであり、電源電圧（Ｕ_ｂ）の半波の持続時間の半分の１点に対して動作周波数（ｆ）が鏡像対称であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
5. 動作周波数（ｆ）の上昇が最大で１５％であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
6. 動作周波数（ｆ）の変更が無段階で連続的に行われることを特徴とする、請求項１記載の方法。
7. 供給電力が３．２ｋＷを超えることを特徴とする、請求項１記載の方法。
8. 電源電圧（Ｕ_ｂ）が電圧２３０Ｖの系統周波数を有することを特徴とする、請求項１記載の方法。
9. 誘導加熱機構に電力を供給するための装置であって、１つの周波数変換器（１５）を有し、この周波数変換器が１つの直列共振回路を有し、この直列共振回路が１つの誘導コイル（Ｌ）と共振回路キャパシタ（Ｃ_Ｓ）とスイッチング可能なスイッチング素子（Ｔ_１、Ｔ_２）を備えた１つの半ブリッジとを備えており、スイッチング素子（Ｔ_１、Ｔ_２）を動作周波数（ｆ）で制御するための制御機構（１３）が設けられており、動作周波数が電源電圧（Ｕ_ｂ）の半波の推移中に周波数基底値（ｆ_Ｇ）から出発して、まず最大値にまで上昇し、次に再び周波数基底値（ｆ_Ｇ）に戻るように、制御機構が動作周波数（ｆ）を変更するように構成されている装置。
   
   

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