本発明は、異なる材質の被加熱物に対し所望の電力を供給して誘導加熱を行うインバータ方式の電磁誘導加熱装置に関するものである。
近年、火を使わずに鍋などの被加熱物を加熱するインバータ方式の電磁誘導加熱装置が広く用いられるようになってきている。電磁誘導加熱装置は、加熱コイルに高周波電流を流し、加熱コイルに近接して配置された鉄やステンレスなどの材質で作られた被加熱物に渦電流を発生させ、被加熱物自体の電気抵抗により発熱させる。被加熱物の温度制御が可能で安全性が高いことから、新しい熱源として認知されている。
従来、システムキッチン等に組み込まれる電気調理器等を代表とする電磁誘導加熱装置には、シーズヒータやプレートヒータ、ハロゲンヒータ等の抵抗体を熱源としたものが使われていたが、近年では、熱源の一部を誘導加熱に置き換えたもの、もしくは全てを誘導加熱にしたものに代わりつつある。
このような電磁誘導加熱装置の従来例として、特許文献1に開示されたような誘導加熱調理器がある。この公知例は、商用交流電源を整流平滑して直流電圧に変換し、ハーフブリッジ型のインバータにより加熱コイルに高周波電流を供給して、加熱コイルに近接して配置された被加熱物を誘導加熱する。
前記特許文献1に開示された例では、低抵抗の被加熱物に十分な電力を供給するには加熱コイルに大きな電流を流す必要があり、加熱コイルの発熱やスイッチング素子の損失増加を招き、加熱効率が低下する。
この模様を図に基づいて説明する。
図24は、加熱コイル側からみた加熱コイル及び磁気結合している被加熱物の等価インピーダンスを示した図で、横軸は等価インダクタンス、縦軸は等価抵抗を表している。等価インピーダンスは被加熱物の材質によって大きく異なり、材質が鉄製の被加熱物は図中のA、非磁性ステンレス製の被加熱物はB、銅又はアルミ製の被加熱物はCのような特性を示す。一般的にAのような高抵抗の被加熱物が誘導加熱に適している。
図25は、図24に示した等価インピーダンスの特性を有する被加熱物の入力電力と共振電流の関係を表した図で、横軸は入力電力、縦軸は共振電流を表している。
目的とする入力電力を、例えば2kWとした場合、被加熱物Aでは約40Aの共振電流を加熱コイルに流すことによって出力は得られる。しかしながら、被加熱物Bでは、抵抗が小さい為に約55Aの電流を流す必要があり、被加熱物Cでは、更に抵抗が小さい為に約140Aの電流を流す必要がある。
本発明は、上記課題を解決するものであり、異なる材質の被加熱物に対し所望の電力を効率良く供給することができるインバータ方式の電磁誘導加熱装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の電磁誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、直流電圧を生成する電源回路と、この直流電圧を交流電圧に変換して前記加熱コイルに電力を供給するインバータとを備え、前記電源回路は商用交流電源を整流する整流回路と、インダクタンス及び直列接続したコンデンサから形成される平滑回路と、スイッチ手段とで構成され、直列接続した前記コンデンサの両端と前記整流回路の出力端子を接続し、前記商用交流電源の一端と前記各コンデンサの接続点との間に前記スイッチ手段を接続し、前記スイッチ手段により前記電源回路の出力電圧を倍電圧整流後の出力に基づく直流電圧、または全波整流後の出力に基づく直流電圧のいずれかに切り替える構成とした。
また、本発明の電磁誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、直流電圧を生成する電源回路と、この直流電圧を交流電圧に変換して前記加熱コイルに電力を供給するインバータとを備え、前記電源回路は全波整流機能を有する倍電圧整流回路で構成されていることを特徴とする電磁誘導加熱調理器。
また、本発明の電磁誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、直流電圧を生成する電源回路と、この直流電圧を交流電圧に変換して前記加熱コイルに電力を供給するインバータとを備え、前記電源回路は商用交流電源に対しインダクタンスを負荷とする短絡回路を備えた。
また、本発明の電磁誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、直流電圧を生成する電源回路と、この直流電圧を交流電圧に変換して前記加熱コイルに電力を供給するインバータとを備え、前記電源回路は商用交流電源を整流する整流回路を備え、前記インバータは前記加熱コイルを含む共振負荷回路を備え、前記整流回路の入力端子の一端に、前記共振負荷回路に生じる電圧を帰還させる。
本発明によれば、異なる材質の被加熱物に対し所望の電力を効率良く供給することができるインバータ方式の電磁誘導加熱装置を提供することができる。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
尚、図2以降においては、図1または図6の実施例と共通する構成の一部を省略すると共に、重複する説明を省略する。各実施例の図における同一符号は、同一物又は相当物を示す。また、同一物が二つ以上あり、これらを判別して説明した方が分り易い場合は、数字の符号にa、b等の接尾辞を付け、他の場合は前記接尾辞を付けていない。
図1は本発明の第1の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
図1において、1は電源回路で、本実施例では第一の電源1aと第二の電源1bとで構成され、第一の電源1aと第二の電源1bは異なる直流電圧を生成する。第一、第二の電源1a、1b双方の負電極側はo点で共通接続されている。第一、第二の電源1a、1bの正電極側をそれぞれp1点、p2点とする。
2は上下アームで、2aと2bの二つあり、次記符号3〜5の部品から構成され、電源回路1が生成する直流電圧を交流電圧に変換して後記共振負荷回路10に電力を供給するインバータを形成する。
3はスイッチング素子で、上下アーム2の構成部品であり、IGBT等のパワー半導体スイッチング素子が用いられ、二個が直列に接続されて上下アーム2の基本的構成を形作り、高電位側を上アーム、低電位側を下アームとする(以後、同様)。
前記p1点とo点間には、上下アーム2aが接続され、p2点とo点間には上下アーム2bが接続されている。
尚、上下アーム2は、本実施例で示す二つの例ばかりではなく、一つの例や、上アームが二つで下アームを兼用した例もあるが、これらについては後述する。
4はダイオードで、上下アーム2(2a、2b)の構成部品であり、上下アーム2(2a、2b)を構成する4つのスイッチング素子3のそれぞれに逆方向に並列接続されている。
5はスナバコンデンサで、上下アーム2(2a、2b)の構成部品であり、上下アーム2(2a、2b)を構成する4つのスイッチング素子3のそれぞれに並列接続されており、スイッチング素子3のターンオフ時の遮断電流によって充電、もしくは放電される。このスナバコンデンサ5の容量は、スイッチング素子3のコレクタとエミッタ間の出力容量より十分に大きいため、ターンオフ時にスイッチング素子3に印加される電圧の変化は低減され、ターンオフ損失は抑制される。
6は加熱コイルで、本実施例では二つに分割された第一、第二の加熱コイル6a、6bで形成され、高周波電流が流れることにより、被加熱物を誘導加熱する。尚、この加熱コイル6の構造の詳細は後述する。また、この加熱コイル6の構成は、本実施例で示す二つに分割された例ばかりではなく、一つの例や、三つに分割された例もあるが、これらについても後述する。
7a、7bは第一、第二の共振コンデンサである。8a、8bはスイッチング素子で、逆直列に接続されている。9はダイオードで、スイッチング素子8a、8bのそれぞれに逆方向に並列接続されている。
10は共振負荷回路で、第一、第二の加熱コイル6a、6b、第一、第二の共振コンデンサ7a、7b、ダイオード9を逆並列接続したスイッチング素子8a、8b、および図示していない被加熱物とで構成される。尚、この共振負荷回路10の構成は、前記本実施例の構成ばかりではなく、一部の構成部品を省略または追加した構成の例もあるが、これらについては後述する。
上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3と同下アーム用スイッチング素子3の接続点、即ち上下アーム2aの出力端子をd点とし、上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3と同下アーム用スイッチング素子3の接続点、即ち上下アーム2bの出力端子をa点とする。
d点とo点間には第一の加熱コイル6aと第一の共振コンデンサ7a及び逆直列に接続されたスイッチング素子8a、8bが接続されている。スイッチング素子8a、8bにはそれぞれダイオード9が逆方向に並列接続されている。前記第一の加熱コイル6aと第一の共振コンデンサ7aの接続点をc点とし、a点とc点間には第二の共振コンデサ7bと第二の加熱コイル6bが直列に接続されている。
このように、第一、第二の加熱コイル6a、6b及び第一、第二の共振コンデンサ7a、7bを含む共振負荷回路10は、上下アーム2a、2bの出力端子d、a間に挟まれた構成となっている。
前記加熱コイル6の具体的な構造を図2に基づいて説明する。図2は本発明の第1の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイルの平面図である。
図2に示すように、加熱コイル6は渦巻状に巻く導線で形成され、かつ内側の巻線と外側の巻線に分割され、第一の加熱コイル6aは内側の巻線、第二の加熱コイル6bは外側の巻線で形成されている。
内側に配置された第一の加熱コイル6aは、図1のc点とd点間に接続されており、外側の第二の加熱コイル6bは図1のb点とc点間に接続されている。
以上の構成において、全体の動作を説明するとともに、本実施例では、被加熱物の材質に応じて駆動する上下アーム2(2a、2b)を選択することにより、電源回路1の出力電圧を切り替えることができ、さらに、駆動される加熱コイルの巻数および共振コンデンサの容量を切り替えることができることを説明する。
この説明に先立ち、被加熱物の材質と加熱コイルの巻数の対応について説明する。
図3は、被加熱物の材質の違いによる加熱コイルの巻数と等価抵抗の関係を示す図である。横軸は加熱コイルの巻数、縦軸は等価抵抗である。
加熱コイルに流す電流が同じ状態で巻数を増やすと、磁束が増えるため、加熱コイル側からみた被加熱物の等価抵抗は増加する。前述したように、等価抵抗は被加熱物の材質によって大きく異なり、材質が鉄製の被加熱物は図中のA、非磁性ステンレス製の被加熱物はB、銅又はアルミ製の被加熱物はCのような特性を示す。
ここで、等価抵抗値を1Ωにするには、被加熱物がAのような高抵抗の場合、加熱コイルの巻数は20ターンになるが、被加熱物がCのような低抵抗の場合、50ターンまで巻数を増やすことになる。
本実施例では、例えば、第一の加熱コイル6aの巻数を20ターン、第二の加熱コイル6bの巻数を30ターンに設定し、第一、第二の加熱コイル6a、6bを直列接続状態で駆動することができれば、巻数は合せて50ターンまで増やすことができる。
つまり、鉄製の被加熱物は巻数が20ターンの第一の加熱コイル6aで加熱し、銅又はアルミ製の被加熱物は第一、第二の加熱コイル6a、6bを直列接続状態で駆動することにより、巻数が50ターンで加熱することができる。
次に、鉄製の被加熱物を加熱する場合の動作モードについて、図4を参照して説明する。
図4は本発明の第1の実施形態における動作説明図で、主要素子の動作と主要部の電圧および電流を示すタイミングチャートである。
図4の上半分は、各スイッチング素子3、8a、8bの動作を示しており、上下アーム2a、2bのスイッチング素子3については、各上下アーム2a、2bの符号に上アーム用を示す「上」、または下アーム用を示す「下」を付けて示し、スイッチング素子8a、8bについてはその符号で示している。
図4の下半分は、主要素子に流れる電流または電圧であり、Ic2a上は上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3及びこれに逆並列接続されたダイオード4に流れる電流、Vdは図1のd点の電圧、Ic2a下は上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3及びこれに逆並列接続されたダイオード4に流れる電流、IL6aは第一の加熱コイル6aに流れる共振電流である。
尚、図1のd点からc点の方向を正と定義する。
また、図1において、上下アーム2aの上アーム用および下アーム用のスイッチング素子3を交互にオンオフし、スイッチング素子8a、8bを常時オン状態にする。他方の上下アーム2bは、上アーム用スイッチング素子3を常時オフ状態にし、下アーム用スイッチング素子3を常時オン状態にする。
(モード1)
上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3がターンオンし、第一の加熱コイル6aの蓄積エネルギーがゼロになると、共振電流IL6aは極性が負から正に変わり、第一の電源1aから上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3、第一の加熱コイル6a、第一の共振コンデンサ7a、スイッチング素子8a、スイッチング素子8bに逆並列接続されたダイオード9の経路で流れる。
(モード2)
次に、上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3がターンオフすると、共振電流IL6aは正の極性を有しており、この電流は上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3に並列接続されたスナバコンデンサ5を充電し、上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3に並列接続されたスナバコンデンサ5を放電し、d点の電圧Vdは徐々に低下する。
その後、上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3に逆並列接続されたダイオード4に順方向の電圧が印加されると、共振電流IL6aは環流電流として第一の加熱コイル6a、第一の共振コンデンサ7a、スイッチング素子8a、スイッチング素子8bに逆並列接続されたダイオード9、上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3に逆並列接続されたダイオード4の経路で流れ続ける。
(モード3)
次に、上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3がターンオンし、第一の加熱コイル6aの蓄積エネルギーがゼロになると、共振電流IL6aは極性が正から負に変わり、第一の共振コンデンサ7a、第一の加熱コイル6a、上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3、スイッチング素子8b、スイッチング素子8aに逆並列接続されたダイオード9の経路で流れる。
(モード4)
次に、上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3がターンオフすると、共振電流IL6aは負の極性を有しており、この電流は上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3に並列接続されたスナバコンデンサ5を充電し、上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3に並列接続されたスナバコンデンサ5を放電し、d点の電圧Vdは徐々に上昇する。
その後、上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3に逆並列接続されたダイオード4に順方向の電圧が印加されると、共振電流IL6aは環流電流として第一の加熱コイル6a、上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3に逆並列接続されたダイオード4、第一の電源1a、スイッチング素子8b、スイッチング素子8aに逆並列接続されたダイオード9の経路で流れ続ける。
上記した四つのモードの動作を繰り返すことによって、第一の電源1aを電源として第一の加熱コイル6aと第一の共振コンデンサ7aに高周波電流を供給することができ、被加熱物は第一の加熱コイル6aから発生する磁束によって誘導加熱される。尚、被加熱物に供給する電力は、上下アーム2aの駆動周波数を制御することによって調整することができる。
本実施例のように、共振負荷回路10に流れる電流、すなわち共振電流IL6aは第一の加熱コイル6aのインダクタンスと第一の共振コンデンサ7aによって正弦波状になり、共振電流IL6aの位相はd点の電圧Vd、即ちインバータの出力電圧より遅れ位相になる。
従って、スイッチング素子3がターンオンする際は、コレクタとエミッタ間の電圧がゼロボルトの状態でスイッチング(以後ZVSという。)を行うため、ターンオン損失は発生しない。
しかしながら、被加熱物に供給する電力を小さくした場合には、上下アーム2aの遮断電流が小さくなり、スナバコンデンサ5の充放電が完了する前にスイッチング素子3がターンオンし、ZVSを満足しない条件が発生する。
このような場合には、スイッチング素子3にターンオン損失が発生するため、図5に示すように、例えばスイッチング素子3に並列接続されたスナバコンデンサ5と直列にスイッチング素子で形成されるスイッチ手段11を接続し、このスイッチ手段11に逆並列にダイオード12を接続して、スイッチ手段11をオフすることで前記スナバコンデンサ5を上下アーム2aから切り離すことが望ましい。これにより、スイッチング素子3のスイッチングにおいて、常時ZVSを実現することができ、遮断電流が小さい場合においてもターンオン損失を無くすことができる。
尚、図2に示すように、第一、第二の加熱コイル6a、6b同士は近接して配置されるため磁気的に結合し、第一の加熱コイル6aに電流が流れると第二の加熱コイル6bに誘導電圧が発生する。この誘導電圧によって、誘導電流が第二の加熱コイル6b、第二の共振コンデンサ7b、上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3に逆並列接続されたダイオード4を介して第二の電源1bに流れる経路が生じる。
従って、上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3をオン状態にすることにより、前記経路で誘導電流が第二の電源1bに流れ込むことを防止することができる。
次に、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合の動作について説明する。
図1において、上下アーム2bの上アーム用および下アーム用のスイッチング素子3を交互にオンオフし、スイッチング素子8a、8bを常時オン状態にする。他方の上下アーム2aは、上アーム用スイッチング素子3を常時オフ状態、下アーム用スイッチング素子3を常時オン状態にする。
これにより、上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第二の電源1bから第二の共振コンデンサ7b、第二、第一の加熱コイル6b、6a、上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3の経路で電流が流れ、上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第二の共振コンデンサ7bから上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3、上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3に逆並列接続されたダイオード4、第一、第二の加熱コイル6a、6bの経路で電流が流れる。
従って、被加熱物は第一、第二の加熱コイル6a、6b双方から発生する磁束によって誘導加熱される。
尚、上下アーム2aと同様に、上下アーム2bのターンオン時はZVSを実現する動作モードとなるため、スイッチング素子3のターンオン損失は発生しないが、前述のように低出力時においては、ZVSを満足しない条件が発生する場合があるため、上下アーム2aと同様に、前述の図5に示したようにスイッチ手段11およびダイオード12を用いてスナバコンデンサ5を切り離すことが望ましい。
以上のように、被加熱物の材質に応じて駆動する上下アーム2(2a、2b)を選択することにより、電源回路1の出力電圧、駆動される加熱コイルの巻数および共振コンデンサの容量を切り替えることができる。
特に、銅又はアルミ製の被加熱物に対しては、駆動される加熱コイルの巻数を増やし、等価抵抗の増加分を利用して電流を減らすことができるため、第一、第二の加熱コイル6a、6bやスイッチング素子3の損失を抑えることができ、効率の高い誘導加熱を実現することが可能となる。
また、被加熱物の表皮抵抗は周波数の平方根に比例する特徴があり、銅又はアルミなどの低抵抗の被加熱物を加熱する場合には、周波数を高くすることが有効である。従って、上下アーム2bは例えば約60kHzの周波数で駆動できるように第二の共振コンデンサ7bの容量を設定することが望ましい。
一方、鉄など高抵抗の被加熱物の場合には、周波数が高いと等価抵抗が大きくなり過ぎるため逆に電流が流れず、電力が入らない。従って、上下アーム2aは約20kHzで駆動できるように第一の共振コンデンサ7aの容量を設定することが望ましい。
図6は本発明の第2の実施形態である電磁誘導加熱装置の電源回路構成図であり、図1の電源回路1の詳細を主に示し、上下アーム2(2a、2b)および共振負荷回路10の詳細は省略している。
図6において、13は商用交流電源である。14は整流回路で、ダイオードのブリッジで構成し、商用交流電源13を全波整流する。15はインダクタンス、16はコンデンサで、これらで平滑回路を構成し、整流回路14で全波整流された電圧を平滑した直流電圧に変換する。
前記整流回路14と、インダクタンス15と、コンデンサ16とで第一の電源1aが構成され、この第一の電源1aは、コンデンサ16の容量を小さくし、完全に平滑しないことで商用交流電源13の入力電流を正弦波に近づけ、高調波を低減することができる。
例えば図7に示すように、整流直後の平滑されていない直流電圧は0から商用交流電源13の電圧ピーク値まで変動することになり、鉄製の被加熱物を加熱する場合には、上下アーム2aを駆動すると第一の加熱コイル6aには0からピークまで変動する共振電流が流れる。
一方、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合には、前述のような0からピーク値まで変動する高周波電流で誘導加熱を行うと、商用周波数に起因したうなり音が被加熱物から発生する。従って、これを防ぐために、図8に示すように、直流電圧を平滑し、共振電流の変動を抑制する必要がある。
一般的に使用されるコンデンサインプット型の平滑回路では、入力電流に多くの高調波を含むため、電圧平滑と高調波抑制の両者を満足する回路が必要となる。
本実施例では、図6に示す昇圧チョッパ回路17により前記課題を解決することができる。
昇圧チョッパ回路17は、インダクタンス18、スイッチング素子19、ダイオード20、コンデンサ21から構成され、前記スイッチング素子19のオン期間に商用交流電源13の電圧がインダクタンス18に印加されてエネルギーが蓄積され、オフ期間にダイオード20を介してコンデンサ21にエネルギーが放出される。
従って、商用交流電源13の入力電流が正弦波になるようにスイッチング素子19のオン期間をコントロールすることにより、高調波を低減するとともに、コンデンサ21により直流電圧を平滑することができる。
ここで、銅又はアルミなど低抵抗の被加熱物を加熱する場合、前述のように等価抵抗が小さいため、加熱コイルの巻数増加や高周波化による等価抵抗の増加を図る。しかしながら、装置形状や使用できる周波数帯域の規制により何れも限界が生じる。加熱コイル及び共振コンデンサで構成される直列共振回路は等価抵抗によって共振の鋭さを示す回路のQが変化し、等価抵抗が小さい場合にはQが大きく、共振回路に流れる電流も大きくなる。
本実施例のように、共振回路に流れる電流が正弦波状になる電流共振型のインバータでは、共振周波数よりも駆動周波数を高くしていくことにより共振電流を制限することができる。しかしながら、共振周波数と駆動周波数の差が大きいとインバータの出力電圧と共振電流の位相差が大きくなり、上下アーム2a、2bの遮断電流が大きくなるため、スイッチング素子3のスイッチング損失が増加する。
従って、共振周波数に近い周波数でインバータを駆動し、遮断電流を小さくすることが望ましく、直流電圧を下げて共振電流を制限すべきである。本実施例では、入力電流の高調波を低減するために前記のような昇圧チョッパ回路17を設けており、コンデンサ21の電圧下限値は、商用交流電源13の電圧ピーク値よりも高くなる。
そこで、図6に示す降圧チョッパ回路22を設けることにより、直流電圧を下げることができ、共振電流を制限することが可能となる。
この降圧チョッパ回路22は、スイッチング素子19、ダイオード20、インダクタンス18、コンデンサ21から構成される。
また、降圧チョッパ回路22は、構成するスイッチング素子19のオン時間デューティを制御することで出力部のコンデンサ21の電圧を変化させることができるため、この電圧変化によって電力制御を行うことが可能となる。
尚、第二の電源1bは、本実施例では前記昇圧チョッパ回路17と降圧チョッパ回路22とで構成される。
加熱コイル6が前述した図2に示したような二分割された構造においては、鉄製の被加熱物を加熱する場合、内側に配置された第一の加熱コイル6aのみ使用して誘導加熱を行うため、被加熱物の外径が大きいと、加熱される部分が内側に集中し加熱ムラが生じる課題がある。
そこで、この課題を解決する例が本実施例である。
図9は本発明の第3の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイルの平面図である。
図9において、加熱コイル6は三分割の構造になっており、内側の巻線6a1と中間の巻線6bと外側の巻線6a2で構成され、前記第一の加熱コイル6aは内側の巻線6a1と外側の巻線6a2で形成され、前記第二の加熱コイル6bは中間の巻線6bで形成されている。
鉄製の被加熱物を加熱する場合には、内側の巻線6a1と外側の巻線6a2、すなわち第一の加熱コイル6aに高周波電流を流して誘導加熱を行うことにより、前述のような加熱ムラを防止することができる。
図1の実施例において、図9に示す加熱コイル6を適用する場合には、図10に示すように、d点とc点間に加熱コイル6の内側の巻線6a1と外側の巻線6a2が接続されることになる。
図9において、加熱コイル6は、内側の巻線6a1の外側端と外側の巻線6a2の外側端が接続され、外側の巻線6a2の内側端と中間の巻線6bの外側端が接続されている。このような接続方法をとることにより、内側の巻線6a1と中間の巻線6bの隙間にのみ高い電圧がかかることになり、加熱コイル6の配置、及びこれを支えるコイルベース(図示せず)の構造は、この間の絶縁耐圧を考慮し設計することになる。
前記図1で示した実施例1においては、鉄製の被加熱物を加熱する場合、上下アーム2a以外に逆直列に接続したスイッチング素子8a、8b、及びこれらに逆並列接続されたダイオード9には共振電流が流れるため損失が発生する。また、第一、第二の加熱コイル6a、6b間の結合による誘導電流が上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3及びこれに逆並列接続されたダイオード4に流れるため、ここでも損失が発生する。
そこで、この課題を解決する例が本実施例である。
図11は本発明の第4の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
図11において前記実施例1(図1)と異なる点は、スイッチング素子8a、8b及びこれらに逆並列接続されたダイオード4をリレー等で形成されるスイッチ手段27に変更し、上下アーム2bのa点と第二の共振コンデンサ7bの間にリレー等で形成されるスイッチ手段28を挿入した点である。
次に、動作を説明するが、前記実施例1(図1)の動作と同様の部分は省略し、異なる部分を説明する。
上下アーム2aを駆動し、鉄製の被加熱物を加熱する場合、スイッチ手段27をオンし、スイッチ手段28をオフ状態にする。これにより、共振電流は第一の加熱コイル6a、第一の共振コンデンサ7a、スイッチ手段27を流れ、第二の加熱コイル6bに発生する誘導電圧によって生じる誘導電流はスイッチ手段28によって完全に遮断される。
従って、前記実施例1のスイッチング素子8a、8b及びこれらに逆並列接続されたダイオード4で発生する損失と、上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3及びこれに逆並列接続されたダイオード4で発生する損失を無くすことができ、インバータの変換効率を上げることが可能となる。
一方、上下アーム2bを駆動し、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合、スイッチ手段27をオフし、スイッチ手段28をオン状態にする。
これにより、上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第二の電源1bからスイッチ手段28、第二の共振コンデンサ7b、第二、第一の加熱コイル6b、6a、上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3の経路で電流が流れる。
上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第二の共振コンデンサ7bからスイッチ手段28、上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3、上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3に逆並列接続されたダイオード4、第一、第二の加熱コイル6a、6bの経路で電流が流れる。
本実施例は前記図6で示した実施例2の回路構成を簡略化した例である。
図12は本発明の第5の実施形態である電磁誘導加熱装置の電源回路構成図であり、図13は本発明の第5の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。図6または図11と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
図12において前記実施例2(図6)と異なる点は、実施例2における第二の電源1bを構成する昇圧チョッパ回路17と降圧チョッパ回路22を、スイッチング素子19、インダクタンス18、ダイオード20、コンデンサ21から構成される昇降圧チョッパ回路29に変更した点である。
第二の電源1bすなわち昇降圧チョッパ回路29は、スイッチング素子19のオン期間に商用交流電源13の電圧がインダクタンス18に印加されてエネルギーが蓄積され、同オフ期間にダイオード20を介してコンデンサ21にエネルギーが放出される。
従って、商用交流電源13の入力電流が正弦波になるようにスイッチング素子19のオン期間をコントロールすることにより高調波を低減するとともに、コンデンサ21の直流電圧を変化させることができるため、この電圧変化によって電力制御を行うことが可能となる。
このように、一つのチョッパ回路(昇降圧チョッパ回路29)で高調波の低減と電圧コントロールを実現することができるため、回路の小形化に有効である。
但し、コンデンサ21の電圧は、図12に示すように、o点に対しp2点が負電位となるため、主要回路すなわちインバータの回路構成は図13に示すように、o点を基準として、プラス側の第一の電源1aとマイナス側の第二の電源1bにそれぞれ上下アーム2a、2bが接続された構成となる。
図13において、鉄製の被加熱物を加熱する場合は、前述の実施例4(図11)と同様の動作なので、説明は省略する。
上下アーム2bを駆動し、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合は、スイッチ手段27をオフし、スイッチ手段28をオン状態にする。
これにより、上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第二の電源1bから上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3に逆並列接続されたダイオード4、第一、第二の加熱コイル6a、6b、第二の共振コンデンサ7b、スイッチ手段28、上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3の経路で電流が流れる。
上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第二の共振コンデンサ7bから第二、第一の加熱コイル6b、6a、上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3、上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3、スイッチ手段28の経路で電流が流れる。
前述した実施例1(図1)、実施例4(図11)、及び実施例5(図13)では、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合、上下アーム2b以外に上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3及びこれに逆並列接続されたダイオード4に共振電流が流れるため損失が発生する。
そこで、この課題を解決する例が本実施例である。
図14は本発明の第6の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。図1と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
図14において前記実施例1(図1)、実施例4(図11)、及び実施例5(図13)と異なる点は、上下アーム2aの出力端子が第一の加熱コイル6aと第二の加熱コイル6bの接続点であるc点と接続されている点である。また、上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3および同下アーム用スイッチング素子3に逆直列にスイッチング素子3bが接続され、この二つのスイッチング素子3bにはそれぞれダイオード4bが逆並列に接続されている点が異なっている。
鉄製の被加熱物を加熱する場合、スイッチ手段28をオフし、上下アーム2aのスイッチング素子3b二つを常時オン状態にして、上下アーム2aの上下アーム用スイッチング素子3二つをオンオフする。
これにより、上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第一の電源1aから上下アーム2aの上アームのダイオード4b、同上アーム用スイッチング素子3、第一の加熱コイル6a、第一の共振コンデンサ7aの経路で電流が流れる。
上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第一の共振コンデンサ7aから第一の加熱コイル6a、上下アーム2aの下アームのダイオード4b、同下アーム用スイッチング素子3の経路で電流が流れる。環流電流については、上下アーム2aの上アーム用ダイオード4、同上アームのスイッチング素子3bの経路、または上下アーム2aの下アーム用ダイオード4、同下アームのスイッチング素子3bの経路で流れることになる。
一方、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合、上下アーム2aはオフ、スイッチ手段28はオン状態にし、上下アーム2bを駆動する。
これにより、上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第二の電源1bから上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3、スイッチ手段28、第二の共振コンデンサ7b、第二、第一の加熱コイル6b、6a、第一の共振コンデンサ7aの経路で電流が流れる。
上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第二の共振コンデンサ7bからスイッチ手段28、上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3、第一の共振コンデンサ7a、第一、第二の加熱コイル6a、6bの経路で電流が流れる。
従って、前記実施例1、実施例4、及び実施例5において、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合に、上下アーム2aの下アーム用スイッチング素子3及びこれに逆並列接続されたダイオード4で発生した損失は、本実施例においては発生しない。
しかしながら、本実施例では、上下アーム2aを第一、第二の加熱コイル6a、6b間に移動したことにより、上下アーム2bが駆動している状態では、上下アーム2aの各素子には高電圧が印加される。従って、上下アーム2aには高耐圧の素子が必要となる。
また、鉄製の被加熱物を加熱する場合には、上下アーム2aに追加したスイッチング素子3b及びダイオード4bで損失が発生する。従って、ここでは図示しないが、スイッチング素子3b及びダイオード4bをそれぞれ高耐圧リレーに変更し、上下アーム2aの上下アーム用スイッチング素子3の印加電圧を低減して損失を減らすことが有効である。
前述した実施例6(図14)では、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合の損失は低減されるが、鉄製の被加熱物を加熱する場合には、前記のようにスイッチング素子3b、ダイオード4bなどの半導体素子、または高耐圧リレーが必要となる。
そこで、この課題を解決する例が本実施例である。
図15は本発明の第7の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。図1と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。また、第一、第二の電源1a、1bは図6に示す構成の一部のみ示している。
図15において前記実施例と異なる点は、上下アーム2bの下アームを上下アーム2aの下アームとして兼用している点である。
従って、上下アーム2aの出力端子d点と上下アーム2bの出力端子a点は共通点で接続され、d点とo点間には、共振負荷回路10が接続される。共振負荷回路10は、d点とo点間に第一の加熱コイル6aと第一の共振コンデンサ7a及びスイッチ手段27が直列に接続されており、第一の加熱コイル6aと第一の共振コンデンサ7aの接続点をc点とすると、c点とo点間には第二の加熱コイル6bと第二の共振コンデサ7b及びスイッチ手段28が直列に接続されている。
本実施例において、鉄製の被加熱物を加熱する場合、スイッチ手段27をオン状態、スイッチ手段28及び上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3をオフ状態にして、上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3、上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3をオンオフする。
これにより、上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第一の電源1aから上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3、第一の加熱コイル6a、第一の共振コンデンサ7a、スイッチ手段27の経路で電流が流れる。
上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第一の共振コンデンサ7aから第一の加熱コイル6a、上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3、スイッチ手段27の経路で電流が流れる。
一方、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合、スイッチ手段27及び上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3はオフ、スイッチ手段28はオン状態にし、上下アーム2bの上下アーム用スイッチング素子3をオンオフする。
これにより、上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第二の電源1bから上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3、第一、第二の加熱コイル6a、6b、第二の共振コンデンサ7b、スイッチ手段28の経路で電流が流れる。
上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第二の共振コンデンサ7bから第二、第一の加熱コイル6b、6a、上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3、スイッチ手段28の経路で電流が流れる。
ここで、上下アーム2aと2bでは、それぞれ異なる第一、第二の電源1a、1bから電流が供給されるため、例えば、第一の電源1aの電圧が第二の電源1bの電圧よりも高い場合には、上下アーム2aを駆動した際、第一の電源1aから上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3、上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3に逆並列接続されたダイオード4、第二の電源1bのコンデンサ21の経路で電流が流れ、コンデンサ21を充電する経路が生じる。
同様に、第二の電源1bの電圧が第一の電源1aの電圧よりも高い場合には、上下アーム2bを駆動した際、第二の電源1bから上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3、上下アーム2aの上アーム用スイッチング素子3に逆並列接続されたダイオード4、第一の電源1aのコンデンサ16の経路で電流が流れ、コンデンサ16を充電する経路が生じる。
従って、上下アーム2aを駆動する際には、予め第二の電源1bの電圧を第一の電源1aの電圧よりも高くなるようにし、逆に上下アーム2bを駆動する際には、第一の電源1aの電圧を第二の電源1bの電圧よりも高くなるようにする。
これにより、第一、第二の電源1a、1bのそれぞれのコンデンサ16、21を充電するモードを防止することができる。
図16は本発明の第8の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。図15と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
前述の実施例7(図15)は、上下アーム2bの下アームを上下アーム2aの下アームとして兼用したが、本実施例は上アーム及び下アームの両アームとも上下アーム2bで兼用し、第一の電源1a及び第二の電源1bと上下アーム2bとの間にそれぞれスイッチ手段34を設けて、電源回路1の出力電圧を切り替える。
本実施例において、鉄製の被加熱物を加熱する場合、第一の共振コンデンサ7aに接続されるスイッチ手段27および第一の電源1aに接続されるスイッチ手段34をオン状態、第二の共振コンデンサ7bに接続されるスイッチ手段28および第二の電源1bに接続されるスイッチ手段34をオフ状態にして、上下アーム2bの上下アーム用スイッチング素子3をオンオフする。
これにより、上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第一の電源1aから第一の電源1aに接続されるスイッチ手段34、上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3、第一の加熱コイル6a、第一の共振コンデンサ7a、スイッチ手段27の経路で電流が流れる。
上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第一の共振コンデンサ7aから第一の加熱コイル6a、上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3、スイッチ手段27の経路で電流が流れる。
一方、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合、スイッチ手段27および第一の電源1aに接続されるスイッチ手段34はオフ状態、スイッチ手段28および第二の電源1bに接続されるスイッチ手段34はオン状態にし、上下アーム2bの上下アーム用スイッチング素子3をオンオフする。
これにより、上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第二の電源1bから第二の電源1bに接続されるスイッチ手段34、上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3、第一、第二の加熱コイル6a、6b、第二の共振コンデンサ7b、スイッチ手段28の経路で電流が流れる。
上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3がオン状態の時は、第二の共振コンデンサ7bから第二、第一の加熱コイル6b、6a、上下アーム2bの下アーム用スイッチング素子3、スイッチ手段28の経路で電流が流れる。
図17は本発明の第9の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。図16と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
前述の実施例8(図16)は、第一、第二の電源1a、1bと上下アーム2bとの間にそれぞれスイッチ手段34を設け、これらを切り替えて電源回路1の出力電圧の切り替えを行ったが、本実施例では第二の電源1bと上下アーム2bとの間にダイオード35が接続されている点と、上下アーム2bの両端にコンデンサ36が設けられている点が前記実施例と異なる。
従って、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合は、スイッチ手段27および第一の電源1aに接続されるスイッチ手段34はオフ状態、スイッチ手段28はオン状態にする。
これにより、第二の電源1bからダイオード35を介して上下アーム2bに電流が供給される。上下アーム2bの両端に設けられたコンデンサ36は上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3に逆並列接続されたダイオード4を介して流れる環流電流を回生する。
上下アーム2bの上アーム用スイッチング素子3がオンすると、先にコンデンサ36から電流が供給され、コンデンサ36の電圧が第二の電源1bの電圧より下がると、第二の電源1bからダイオード35を介して電流が供給される。
一方、鉄製の被加熱物を加熱する場合には、前記実施例8(図16)と同様に、第一の電源1aからスイッチ手段34を介して上下アーム2bに電流が供給される。この動作の詳細は実施例8とほぼ同様なので、詳細は割愛する。
図18は本発明の第10の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。前述の実施例は被加熱物の材質に応じて加熱コイルの巻数及び共振コンデンサの容量を切り替えたが、本実施例では加熱コイルの巻数は固定し、共振コンデンサの容量のみ切り替えて異なる材質の被加熱物を誘導加熱する。
図18において、上下アーム2bのa点とo点との間には加熱コイル6と第二の共振コンデンサ7bが接続され、第二の共振コンデンサ7bには直列接続された第一の共振コンデンサ7aとスイッチ手段27が並列に接続されている。
加熱コイル6は銅、アルミなど低抵抗の被加熱物を考慮して巻数を増やすことになる。しかしながら、鉄など高抵抗の被加熱物では、巻数が多いと等価抵抗が大きくなり過ぎるため逆に電流が流れず電力が入らない。
そこで、本実施例では図18に示すように、インダクタンス15、整流回路14、直列接続したコンデンサ16a及び16b、スイッチ手段34から構成される電源回路1を設け、倍電圧整流と全波整流の切り替えにより直流電圧を制御する。
即ち、鉄製の被加熱物を加熱する場合は、スイッチ手段34をオン状態にして倍電圧整流を行い直流電圧を上げ、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合は、スイッチ手段34をオフ状態にして全波整流を行い直流電圧を下げる。
共振負荷回路10のスイッチ手段27は、鉄製の被加熱物を加熱する場合にはオン状態にし、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合にはオフ状態にする。
電力制御については、被加熱物の材質に関係なく、上下アーム2bの駆動周波数を調整することで加熱コイル6に流す電流を調整する。
ここで、倍電圧整流時すなわちスイッチ手段34のオン状態時、電源回路1のコンデンサ16a、16bは、商用周波数の半周期のみ充電が行われるため、容量を大きくする必要がある。従って、入力電流は多くの高調波を含むことになるため、高調波を抑制する必要がある。
本実施例では、商用交流電源13に対しインダクタンス15を負荷とする短絡回路37を設けており、商用周波数の半周期毎に短絡回路37を動作させて入力電流の高調波を低減する。
この短絡回路37は、ダイオードで形成される整流回路38とパワー半導体スイッチング素子で形成されるスイッチング素子39から構成されている。
次に、短絡回路37の動作について、図19に示すタイミングチャートを用いて説明する。図19は本発明の第10の実施形態である電磁誘導加熱装置の短絡回路の動作を説明する図で、スイッチング素子39の動作と、商用交流電源13の電圧および入力電流を示している。
図19に示すように、スイッチング素子39は商用交流電源13の電圧のゼロクロスから所望の遅延時間を設けてオンさせ、短絡通電を開始し、商用交流電源13から電流を吸い込む。負荷の大きさ、即ち所望の出力電力に応じて、スイッチング素子39の遅延時間とオン期間を制御することにより、高調波を低減することができる。
図20は本発明の第11の実施形態である電磁誘導加熱装置の電源回路構成図である。図18と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
図20において、前述の実施例10(図18)と異なる点は、電源回路1の後段に降圧チョッパ回路22で形成される第三の電源40を設け、ダイオード35、コンデンサ36を介して上下アーム2bに電流を供給し、銅又はアルミ製の被加熱物を誘導加熱する点と、電源回路1の出力点p1と上下アーム2bの正電極側との間にスイッチ手段34を接続した点である。
この降圧チョッパ回路22は、スイッチング素子19、ダイオード20、インダクタンス18、コンデンサ21から構成される。
前記実施例2(図6)で述べたように、共振周波数に近い周波数で上下アーム2bを駆動し、遮断電流を小さくした方が上下アーム2bの上下アーム用スイッチング素子3のスイッチング損失は低減されるため、本実施例では、第三の電源40すなわち降圧チョッパ回路22によりコンデンサ21の電圧を変化させて電力制御を行う。
つまり、銅又はアルミ製の被加熱物は、整流回路14と、コンデンサ16a、16bの接続点との間に接続されたスイッチ手段34、およびp1点と上下アーム2bの正電極側との間に接続されたスイッチ手段34をオフ状態とし、誘導加熱を行う。
一方、鉄製の被加熱物は、整流回路14と、コンデンサ16a、16bの接続点との間に接続されたスイッチ手段34、およびp1点と上下アーム2bの正電極側との間に接続されたスイッチ手段34をオン状態とし、電源回路1からp1点と上下アーム2bの正電極側との間に接続されたスイッチ手段34を介して上下アーム2bに電流を供給し、誘導加熱を行う。
本実施例では、上下アーム2bを駆動することにより共振負荷回路10に電流を供給するが、前記実施例1(図1)のように、二つの上下アーム2a、2bを設けた構成でも構わない。この場合は、p1点と上下アーム2bの正電極側との間に接続されたスイッチ手段34、ダイオード35、およびコンデンサ36を削除することが可能となる。
前述した実施例10(図18)では、短絡回路37を設けて入力電流の高調波を低減するが、短絡回路37を構成する整流回路38及びスイッチング素子39などの追加部品が必要となる。
そこで、この課題を解決する例が本実施例である。
図21は本発明の第12の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。図18と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
本実施例において前記実施例10(図18)と異なる点は、共振負荷回路10の電圧変化を利用して商用交流電源13から電流を吸い込む経路を設けている点である。
図21において、a点とo点との間には、加熱コイル6及び第二の共振コンデンサ7bと直列に補助の共振コンデンサ7cが接続され、第二の共振コンデンサ7bには直列接続した第一の共振コンデンサ7aとスイッチ手段27が並列に接続され、これらにより共振負荷回路10が構成されている。
第二の共振コンデンサ7bと補助の共振コンデンサ7cの接続点をh点とすると、h点は整流回路14の入力側の一端と接続され、商用交流電源13とh点との間にはインダクタンス15が接続されている。つまり、前記補助の共振コンデンサ7cの電圧を前記整流回路14の入力端子の一端に帰還させているので、商用交流電源13に対してはインダクタンス15と共振負荷回路10が負荷回路として見える。
また、前述した実施例10(図18)における短絡回路37は削除されている。
以上が前述した実施例10(図18)と異なる点である。
本実施例の動作においては、上下アーム2bが高周波で駆動している際、補助の共振コンデンサ7cの電圧、即ちh点の電圧は、共振負荷回路10に流れる共振電流によって変化するため、商用交流電源13の電圧が低い領域においても、整流回路14は導通状態と非導通状態を繰り返す。
これにより、商用周波数のほぼ全域に渡り入力電流が流れるため高調波を低減することができる。
図22は本発明の第13の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。図21と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。尚、上下アーム2bの内部構成は省略したが、図21の場合と同様である。
本実施例は、電源回路部は前記実施例11(図20)と同様の構成とし、共振負荷回路10部は前記実施例12(図21)と同様の構成としたものである。
前述のように、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合は、上下アーム2bは遮断電流を小さくしてスイッチング損失を低減するため、共振周波数に近い周波数で駆動し、第三の電源40すなわち降圧チョッパ回路22の動作によるコンデンサ21の電圧変化を利用して電力制御を行う。
一方、鉄製の被加熱物を加熱する場合は、電源回路1のp1点と上下アーム2bの正電極側との間に接続されたスイッチ手段34を介して上下アーム2bに電流を供給し、誘導加熱を行う。
前述した実施例11(図20)、実施例13(図22)においては、電源回路1の後段に降圧チョッパ回路22を設けることにより、直流電圧の下限値を下げることが可能であるが、インダクタンス18やスイッチング素子19など追加部品が必要となる。
そこで、この課題を解決する例が本実施例である。
図23は本発明の第14の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図であり、主に電源回路部分を示している。
国内において、家電民生用の200V商用交流電源は、単相三線式が多く利用され、100V商用交流電源系を直列に接続し、その両端電圧から200Vを得ている。
図23において、13は商用交流電源で、単相三線式の電圧源であり、二つの100V商用交流電源が直列に接続されて構成されている。
電源回路1は前記商用交流電源13を整流するダイオードブリッジで形成される整流回路14と、インダクタンス15及び直列接続したコンデンサ16a、16bから形成される平滑回路と、スイッチ手段34とで構成されている。
直列接続したコンデンサ16a、16bの両端と整流回路14の出力端子を接続し、整流回路14の入力端子の一端と商用交流電源13の中性点を接続し、商用交流電源13の一端と前記コンデンサ16a、16bの接続点との間にスイッチ手段34を接続している。
尚、整流回路14の入力端子の一端と商用交流電源13との接続においては、商用交流電源13の接続点はその中性点ではなく、その一端とする構成でもよい。
以上の構成において、スイッチ手段34を切り替えることにより、200V倍電圧整流と100V全波整流を切り替えることができる。
即ち、鉄製の被加熱物を加熱する場合は、スイッチ手段34をオン状態にして200V倍電圧整流を行い、電源回路1の出力電圧を倍電圧整流後の出力に基づく直流電圧とし、直流電圧を上げる。
一方、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合は、スイッチ手段34をオフ状態して100V全波整流を行い、電源回路1の出力電圧を全波整流後の出力に基づく直流電圧とし、直流電圧を下げる。
これにより、電源回路1の生成する直流電圧の上下の差を大きくすることができ、異なる材質の被加熱物に対する対応が容易となる。
ここでは図示しないが、整流回路14に印加する電圧を100V商用交流電源、または200V商用交流電源の何れかに切り替える構造にすることにより、200V全波整流を選択することも可能である。
尚、図23に示す回路では、入力電流の高調波が大きいため、前記図18、図20に示すような短絡回路37、もしくは前記図21、図22に示すような共振負荷回路10の電圧変化を利用した高調波対策などと組み合わせることになる。
本発明の第1の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
本発明の第1の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイルの平面図である。
被加熱物の材質の違いによる加熱コイルの巻数と等価抵抗の関係を示す図である。
本発明の第1の実施形態における動作説明図である。
本発明の第1の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路の一部を示す図である。
本発明の第2の実施形態である電磁誘導加熱装置の電源回路構成図である。
本発明の第2の実施形態における第一の説明図である。
本発明の第2の実施形態における第二の説明図である。
本発明の第3の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイルの平面図である。
本発明の第3の実施形態における説明図である。
本発明の第4の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
本発明の第5の実施形態である電磁誘導加熱装置の電源回路構成図である。
本発明の第5の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
本発明の第6の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
本発明の第7の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
本発明の第8の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
本発明の第9の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
本発明の第10の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。
本発明の第10の実施形態である電磁誘導加熱装置の短絡回路の動作を説明する図である。
本発明の第11の実施形態である電磁誘導加熱装置の電源回路構成図である。
本発明の第12の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。
本発明の第13の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。
本発明の第14の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。
加熱コイル及び被加熱物の等価インピーダンスを示した図である。
図24に示した等価インピーダンスの特性を有する被加熱物の入力電力と共振電流の関係を表した図である。
符号の説明
1 電源回路
1a 第一の電源
1b 第二の電源
2、2a、2b 上下アーム
3、3b スイッチング素子
5 スナバコンデンサ
6 加熱コイル
6a 第一の加熱コイル
6b 第二の加熱コイル
7a 第一の共振コンデンサ
7b 第二の共振コンデンサ
7c 補助の共振コンデンサ
10 共振負荷回路
11 スイッチ手段
13 商用交流電源
14 整流回路
15 インダクタンス
16 コンデンサ
18 インダクタンス
19 スイッチング素子
20 ダイオード
21 コンデンサ
27、28、34 スイッチ手段
35 ダイオード
36 コンデンサ
37 短絡回路
38 整流回路
39 スイッチング素子
40 第三の電源