JP2013239357A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ電流の検出誤差が発生しても適切に過電流検出レベルを設定する。
【解決手段】負荷を加熱する加熱コイル３と、加熱コイル３へ電力を供給するインバータ回路２と、インバータ回路２を制御して加熱コイル３に供給する電力を制御する制御回路５と、加熱コイル３に流れる電流を検出するカレントトランス９と、カレントトランス９からの信号を電圧へ変換し制御回路５に印加するインバータ電流検出回路１０と、制御回路５からの出力によって電圧値を発生するＤ／Ａ変換回路１３と、インバータ電流検出回路１０より入力された電圧とＤ／Ａ変換回路１３により発生した電圧とを比較してその結果を制御回路５に入力する比較回路１２とを備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、誘導加熱調理器の電力制御方法に関するものである。

誘導加熱調理器に用いるインバータは、加熱コイルに流れる電流を制御することによって負荷（鍋）の加熱を行うものである。その回路は、加熱コイルと共振用コンデンサを直列、もしくは並列に接続して、直流電源から供給する電流を高速で入り切りするスイッチング素子をオンオフ制御することで加熱コイルに流れる電流を制御して負荷を誘導加熱するものである。その制御方式は、前記スイッチング素子のオンオフする動作周波数を変化させる周波数制御方式と、インバータに印加される電圧を変化させる電圧制御方式に大別される。

いずれの前記方式においても、出力を制御するために、商用電源の電流を検出するカレントトランスの出力と商用電源電圧を検出して、制御手段の内部演算によって商用電源側から供給している電力を求めている。そして、インバータの内部回路電流等の仕様制限内であれば使用者が調理等で要求する火力に従い、制御手段は電力を制御することができる。

また、加熱コイルに流れる電流すなわちインバータ電流を検出することによって、加熱状態が適正であるかどうかも同時に判別できるようになっている。

そこで、カレントトランスを用いて電源電流やインバータ電流の検出は精度良く検出することが求められる。カレントトランス自体の出力は交流となるために、整流回路を通した後に平滑ないしノイズ除去フィルタ等を配置し、その出力電圧を制御に用いるマイクロコンピュータのＡＤ入力端子に接続している。通常はマイクロコンピュータの電源電圧である５Ｖが最大入力電圧であるために、前記検出出力電圧は、短期的な変動や重畳するノイズ等を考慮して、最大入力電圧の８０％程度等になるように、カレントトランスの負荷抵抗を設定している。例えば、商用電源から３kWの電力が供給されているとき、電源電圧が２００Ｖであれば電源電流は１５Ａとなる。

また、その時のインバータ電流は、誘導加熱調理器が標準とするインバータ負荷の等価抵抗が１Ωであった場合、インバータ電流は約５４.８Ａであることが分かる（Ｗ＝Ｖ×Ｉ＝ＩＬ²×Ｒ より）。

さらに、等価抵抗が０.５Ωであるような加熱しにくい負荷を加熱しようとした場合、同様な計算からインバータ電流は約７７.５Ａとなり、インバータ手段に使用するスイッチング素子や、加熱コイルに流れる電流が増加するために、損失が多くなり熱的に破損に至るおそれがある。

そこで、誘導加熱調理器では、このような現象を抑制するために、電源電圧と電源電流だけで加熱電力を制御するのではなく、インバータ電流も同時に検出し、スイッチング素子や加熱コイルなどが過負荷にならないよう制御している。

しかし、電源電圧検出手段や電源電流（入力電流）検出手段およびインバータ電流検出手段には、検出回路の抵抗素子等の誤差や、電流検出用のカレントトランス自体の特性誤差があり、その誤差を補正するために、製品組み立て後に加熱電力の調整作業等を行い、それらの誤差量を補正している。その補正方法は、特許文献１のようにマイクロコンピュータ化に伴い、データをソフトで補正する方法が行われている。

特許第４２８２５６３号公報

前述の通り、誘導加熱調理器では電力の制御において、電源電圧、電源電流、インバータ電流の検出を行い、インバータ手段に使用している素子や加熱コイルが過負荷にならないような電力の制御を行う場合、負荷や電源が定常状態、つまり、加熱コイルに対して負荷位置の急激な変化や、電源電圧の急激な変化が無い場合はマイクロコンピュータによるソフトウェアのみの制御で十分であるが、負荷となるフライパンを鍋振りした場合や、外来ノイズ等による電源電圧の急上昇は数マイクロ秒から数ミリ秒の期間で状態の変化が発生した場合は、ソフトウェアの制御が追いつかず、過負荷状態に至ることがある。

そのため、過電流検出用の比較回路（コンパレータ回路）をマイクロコンピュータとは別に用意し、過電流検出時はマイクロコンピュータに割込み信号を発生させ、優先度の高いソフトウェア処理を起動することによって過負荷状態に至るのを防止する必要がある。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、負荷を加熱する加熱コイルと、該加熱コイルへ電力を供給するインバータ手段と、該インバータ手段を制御して前記加熱コイルに供給する電力を制御する制御手段と、前記加熱コイルに流れる電流を検出するカレントトランスと、該カレントトランスからの信号を電圧へ変換し前記制御手段に印加するインバータ電流検出手段と、前記制御手段からの出力によって電圧値を発生するＤ／Ａ手段と、前記インバータ電流検出手段より入力された電圧と前記Ｄ／Ａ手段により発生した電圧とを比較してその結果を前記制御手段に入力する比較手段とを備えたものである。

本発明によれば、マイクロコンピュータ単体では保護しにくい短時間に生じる過負荷状態を適切に検出することができる。さらに、その過負荷検出を制御手段に割込み信号として入力することにより、優先度の高い保護処理を行うことができる。

一実施例の誘導加熱調理器の要部ブロック図。 インバータ電流検出回路の回路例。 インバータ電流の検出誤差の例。 入力電流に対するインバータ電流の検出誤差の例。 制御回路・Ｄ／Ａ変換回路・比較回路の構成例。 Ｄ／Ａ変換回路の他の構成例。 インバータ電流の検出誤差と記憶値・補正量の関係表。 一実施例の誘導加熱調理器における第１の過電流検出レベルの補正例。 一実施例の誘導加熱調理器における第２の過電流検出レベルの補正例。

以下、本発明の一実施例の誘導加熱調理器を、図１から図９に従って説明する。
図１は一実施例の誘導加熱調理器の要部ブロック図である。図１において、商用電源１から供給される電力をインバータ回路２によって高周波交流電流に変換し、加熱コイル３に流し、図示しないトッププレートに載置された負荷４（鍋）の底部に渦電流を生じさせて自己発熱させる。このときの電力制御は制御回路５で行う。具体的には、インバータ回路２内のスイッチング素子（図示せず）をオンオフすることによって、加熱コイル３と負荷４および共振用コンデンサ（図示せず）で構成される共振回路に高周波電流を流し、スイッチング素子をオンオフする周波数やデューティを変化させることにより負荷を加熱する電力を制御する。

また、商用電源１の電圧を検出する電源電圧検出回路６、商用電源の電流をカレントトランス７で検出し適切な電圧レベルに変換する入力電流検出回路８、加熱コイル３に流れる電流をカレントトランス９で検出し適切な電圧レベルに変換するインバータ電流検出回路１０を有し、それぞれの出力は制御回路５に入力し、それらの組み合わせを用いて加熱時の電力の状態や負荷とインバータ回路２の結合状態（負荷の材質や距離によって変化する）を判定する。この制御はマイクロコンピュータを用いるのが一般的であり、それぞれの入力はＡＤコンバータ入力に接続された後デジタルデータに変換され、内部演算処理および加熱シーケンス制御を行い、電力を制御するものである。

インバータ電流検出回路１０の出力は、制御回路５へ入力されるとともに、比較回路１２へも入力される。このように、同一の出力信号を入力することで、制御回路５の内部演算用デジタルデータと比較回路１２用のアナログ信号レベルの相関をとることができる。なお、インバータ電流検出回路１０の出力電圧信号を異なる分圧比や信号レベルで制御回路５や比較回路１２にそれぞれ接続することも可能であるが、分圧比を設定する抵抗の許容差の誤差があるために、制御回路５に対する偏差と比較回路１２に対する偏差が異なる可能性がある。その場合であっても、以下の実施例において、ある程度の改善は可能である。

比較回路１２は、制御回路５が持つ過電流判定データをＤ／Ａ変換回路１３でアナログ変換した電圧信号と、インバータ電流検出回路１０が出力する電圧信号を比較し、インバータ電流が高いと判断した場合には、制御回路５に対する割込み信号を発生する。

この割込み信号の発生により、制御回路５は優先順位の高い通電保護動作を実行し、インバータ回路２や加熱コイル３等が過負荷になり故障に至らないような動作に移行する。例えば、インバータ回路２のスイッチング素子をオフして通電を即時に停止したり、インバータ回路２のスイッチング素子のオンオフ周波数やデューティを変化させてインバータ電流を低減させたりする。

メモリ１１（記憶手段）は、電源電圧検出回路６、入力電流検出回路８、インバータ電流検出回路１０の各出力電圧が、基準特性に対してどれだけの誤差が発生しているのかをデータとして記憶するものであり、製品組み立て後に加熱通電試験を実際に行い、目標となる電力に調整した際の各出力電圧と、あらかじめ制御回路５が有する制御用の基準特性データと比較し、その誤差（差分）等を算出してデータ化する。

この操作により、それぞれの検出回路に用いる回路素子の許容差等に起因する出力誤差を数値化し、偏差を補正する計算を制御ソフトウェアに組み込むことで精度の高い電力制御、負荷状態の判別を行うことができるようになる。

図２はインバータ電流検出回路１０の回路構成例である。カレントトランス９の出力となる高周波交流電圧は整流回路１０１および負荷抵抗１０２によって適切な電圧に直流化され、さらに、抵抗１０３、コンデンサ１０４で構成されるフィルタ回路によってノイズ除去や包絡線化が行われる。またダイオード１０５は過渡的な過電流が発生した際に生じる過電圧を制御回路電源端子に戻すためのものである。この回路構成の出力を制御回路５および比較回路１２に接続する。

図３はインバータ電流検出回路１０における検出電圧の発生した誤差を表したものである。横軸はインバータ電流、縦軸は検出電圧であり、基準特性を実線、誤差の発生した特性（＋特性・−特性）を破線で示す。

誤差の発生する要因としては、カレントトランス９自体の変換特性、整流回路１０１の電流電圧特性、負荷抵抗１０２の抵抗値許容差、抵抗１０３とコンデンサ１０４で構成するフィルタ回路の時定数、などがあげられ、結果的には基準となる特性に対して、出力が増加する「＋特性」、出力が低下する「−特性」となって表れる。

例えば、インバータ電流が６０Ａのときに目標となる電力に到達している場合、インバータ電流検出回路１０の出力電圧基準値が４.５Ｖであったとき、発生した誤差が＋／−５％あるとすると、「＋特性」では４.７２５Ｖ、「−特性」では４.２７５Ｖとなる。前述の加熱通電試験を行った際、このような基準値との差分から、制御ソフトウェア内で実行する電力計算や負荷判別計算、各種の電流限界レベル設定などを基準値相当に補正できるようにする。

図４は標準的な負荷を加熱した場合の入力電流とインバータ電流の組み合わせ例である。この例では、定格電力３０００Ｗの誘導加熱調理器であり、電源電圧２００Ｖで入力電流１５Ａとなる。ここに示すように、加熱コイル３と負荷４で構成される等価抵抗成分に流れるインバータ電流の二乗と入力電流が略比例する特性となる。

定格電力時の入力電流に対応して、許容できるインバータ電流のレベルをインバータ電流過電流設定レベルとし、比較回路１２に対して比較電圧を設定し、このレベルを超えた場合には比較回路１２が過電流検出信号を出力する。

図１、図３にて説明したように、インバータ電流検出回路１０の検出に誤差が発生した場合、また検出特性自体に誤差が発生した場合、図４の破線で示すように＋特性／−特性のようなインバータ電流が流れているものと判断してソフトウェアが電力制御してしまうので、検出値に含まれている誤差の量を検出してメモリ１１に記憶し、発生している誤差を取り除くように補正して制御する。なお、実際には、誘導加熱調理器を組み立てた後、電力調整工程によって所定の標準負荷（例えば鉄ホーロー鍋）を用いて電力の調整作業を行う。

定格電圧を入力し、定格電力を消費しているときの入力電流、インバータ電流を検出し、あらかじめ制御回路５に記憶されている標準データと比較して、それぞれの検出回路が有する誤差の量を算出することができる。従って、制御回路５の電力制御用のソフトウェアはそれらの誤差の量を補正した数値が基準値となるので、それを用いて電力制御することができる。

しかし、ソフトウェアによる制御においては、検出したそれぞれの電圧、電流データは基準値に補正されるために制御上の問題は発生しない。しかし、比較回路１２の動作にかかわる電圧、すなわちインバータ電流検出回路１０の出力電圧は誤差を有したままとなっている。そのため「−特性」側に発生した誤差は、インバータ電流が基準値より多く流れていてもインバータ過電流設定レベルに達しないため本来許容できる電流以上の電流が流れ続け、インバータ回路２のスイッチング素子等に過負荷がかかり故障に至るおそれがある。また、「＋特性」側に発生した誤差は、インバータ電流が基準値よりも少なく流れていてもインバータ過電流設定レベルに達してしまい比較回路１２が動作するので必要な加熱電力を得られないという不具合が発生するおそれがある。従って、インバータ電流検出回路１０に発生した誤差に対応するため、比較回路１２の比較用レベルを変更しなければならない。

図５は、上記の問題を解決するために構成した制御回路５、Ｄ／Ａ変換回路１３の構成例である。インバータ電流検出回路１０の出力は、制御回路５のマイクロコンピュータのＡＤ入力端子および比較回路１２に接続している。この構成とすることで、インバータ電流検出回路１０により発生する誤差は、制御回路５および比較回路１２で必ず連動することになり、個別の回路構成による誤差を考慮する必要がなくなる利点がある。

Ｄ／Ａ変換回路１３は、重み付け抵抗型ＤＡコンバータ回路構成であり、マイクロコンピュータのＣＭＯＳ出力ポートに複数の抵抗を接続したものであり、図に示す本構成は８bitＤＡ出力が可能となる。この出力を比較回路１２の比較用基準電位として用いれば、マイクロコンピュータのポート設定に応じて２５６段階の異なる電圧を設定することができる。製品完成後の調整工程で取得した基準データからの誤差を記憶しておけば、それに応じてＤ／Ａ変換回路１３の設定を行い、誤差の量に連動して比較回路１２の基準電位を変更することができる。そしてインバータ過電流設定レベルを適切に設定することが可能となる。

図６はＤ／Ａ変換回路１３の他の構成例であり、マイクロコンピュータのＰＷＭ出力を利用したものであり、そのデューティを可変することにより平均電圧を変化させることができる。図５と同様に比較回路１２の基準電位として用いる。

他にも、ラダー型ＤＡコンバータ方式や、マイクロコンピュータ自体にＤ／Ａ機能が内蔵されているものもあるが、いずれも比較回路１２の基準電位を変更する構成として用いることができる。

図７はインバータ電流検出回路１０の発生した誤差とメモリ１１に記憶した値、ソフト制御で用いる補正量とＤ／Ａ変換回路１３で設定するデータ出力の組み合わせ例である。

図７において、インバータ電流検出回路１０の検出した誤差が「０」であれば、記憶値、補正量、データ出力はいずれも「０」となる。

これに対し、検出した誤差が「＋特性」であり、定格電力時の発生した誤差量が「＋Ａ」であれば記憶値を「＋Ａ」とし、ソフトウェア制御上は基準値に補正するように「−」の量となる。このとき、定格電力から低電力まで適切に検出値を補正する必要があるので、検出したインバータ電流に応じて「−ａ」（≒−Ａ×ＩＬ／ＩＬ_max）となる値を用いる（ＩＬ_max：定格電力調整時のインバータ電流値、ＩＬ：制御中のインバータ電流値）。

インバータ過電流設定レベル用のＤＡ設定データは、誤差量が「＋」となるので基準に対して高めに設定するため「＋Ａ′」とする。なお、ＤＡコンバータ回路の構成によって、プルアップ／プルダウン抵抗を適切に選定することで、基準電圧を中心として細かい設定が可能となるので、それぞれの回路構成や、過電流レベルの設定に応じて選定すればよい（発生した誤差の量データＡとＤＡ設定データを等しくしなければならない、ということではない。）。

一方、検出した誤差が「−特性」の場合は、上記の説明とは逆方向の設定にすればよい。設定の方法は「＋特性」の場合と同等であるので、説明は省略する。

図８は図７の補正を行うことで設定されるインバータ過電流設定レベルの変更例である。インバータ電流検出回路１０の検出した誤差によって、「＋特性」や「−特性」に変化していても、図５〜図７で示したような補正を行うことで、いずれの場合も所定の負荷を定格電力で加熱しているときの入力電流とインバータ電流の検出レベルの組み合わせに対して、インバータ過電流設定レベルが適切な範囲の余裕を持って設定できている。

従って、検出の誤差が「＋特性」や「−特性」のいずれの状態であっても、インバータ電流に過電流が発生したときに比較回路１２が過電流状態を速やかに検出し、制御回路５が適切な保護動作を実行できる。そして、インバータ回路２に使用されている素子の過負荷状態や故障の発生を未然に防ぐことができる。また、検出誤差が発生した場合でも、設定に対して加熱する電力を低くする過剰な保護動作を発生させないようにできるので、使用者にとって使い勝手の良い誘導加熱調理器を提供することが可能となる。

また、インバータ電流検出回路１０の出力を一つとし、制御回路５と比較回路１２に同一レベルで接続することにより、複数の回路を経由して誤差量が異なってしまうことを避けることができ、制御回路５の電力制御状態と比較回路１２の過電流検出レベルが食い違うことを防止し、安定した電力制御を行うことができる。

図９は図８の補正状態を一律ではなく、入力電流に対して連動するようにしたものである。これは、入力電流検出回路８の検出信号に対して、Ｄ／Ａ変換回路１３の出力を連動して変化させることで実現できる。

この構成では、入力電流が低い状態、つまり、電力が低い状態ではインバータ電流の低い状態でも過電流として検出できるようにするもので、図８の設定に対して、より安全に設定したものである。例えば、非磁性金属を使用している鍋では、鉄や磁性金属製の鍋に比べて加熱しにくく、インバータ電流を多く流さなければ電力を投入することができないため、入力電流に対してインバータ電流が多く流れる傾向となる。このとき、入力電流が低い領域ではインバータ電流を通常よりも低めの過電流検出レベルに設定しておくと、負荷の変動や電源電圧の急変などによるインバータ電流の急激な上昇に対して、より早い過電流検出を行うことができるので、図８の設定に対して故障の無い安全性が高い誘導加熱調理器となる

２ インバータ回路
３ 加熱コイル
５ 制御回路
７、９ カレントトランス
１０ インバータ電流検出回路
１１ メモリ（記憶手段）
１２ 比較回路
１３ Ｄ／Ａ変換回路

Claims (3)

1. 負荷を加熱する加熱コイルと、
   該加熱コイルへ電力を供給するインバータ手段と、
   該インバータ手段を制御して前記加熱コイルに供給する電力を制御する制御手段と、
   前記加熱コイルに流れる電流を検出するカレントトランスと、
   該カレントトランスからの信号を電圧へ変換し前記制御手段に印加するインバータ電流検出手段と、
   前記制御手段からの出力に基づいて電圧値を発生するＤ／Ａ変換手段と、
   前記インバータ電流検出手段より入力された電圧と前記Ｄ／Ａ変換手段により発生した電圧とを比較してその結果を前記制御手段に入力する比較手段と、
   を備えたことを特徴とする誘導加熱調理器。
2. 請求項１に記載の誘導加熱調理器において、
   更に、メモリを備えており、
   前記比較手段は、前記インバータ電流検出手段より入力された電圧と、前記メモリに記憶された過電流判定データを前記Ｄ／Ａ変換手段で変換した電圧を比較することで、過電流を判定することを特徴とする誘導加熱調理器。
3. 請求項２に記載の誘導加熱調理器において、
   前記比較手段が過電流が発生したと判定したときに、前記制御手段は前記加熱コイルへの給電を停止することを特徴とする誘導加熱調理器。