JP2014220108A

JP2014220108A - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP2014220108A
Application number: JP2013098411A
Authority: JP
Inventors: 松永　和久; Kazuhisa Matsunaga; 和久松永
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2014-11-20

Abstract

【課題】磁調理器において、負荷の有無や材質の適否を高精度かつ短時間で判別可能とし、装置の破損を防止するようにした誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】インバータ４と、スイッチング素子４ａ，４ｂにより高周波電流を通流させて鍋９を誘導加熱する加熱コイル７と、共振回路を構成する共振コンデンサ６ａ，６ｂと、制御部１０と、を備えた誘導加熱装置において、制御部１０は、加熱コイル７に高周波電流を通流した時の、負荷インダクタンスを演算するインダクタンス演算手段１０ｇを備え、予め設定してある加熱コイル７の自己インダクタンスと演算した負荷インダクタンスとを比較して、負荷インダクタンスの値が自己インダクタンスの値よりも小さいときに、鍋９が設置されていないこと、または鍋９の材質が非磁性体であることを判定し、鍋９が設置されていない場合や鍋９の材質が不適当な場合の誘導加熱装置２０や周辺装置の破損を防ぐ。
【選択図】図８

Description

本発明は、一般家庭やレストラン、オフィス、工場などで使用される各種の誘導加熱装置に関するものである。

図１は、電磁調理器として構成された誘導加熱装置の概略的な主回路構成図である。
同図において、商用電源等の交流電源１に接続された誘導加熱装置２０は、ダイオードブリッジからなる整流回路２と、その直流出力側に接続された平滑コンデンサ３と、平滑コンデンサ３の両端に接続されたＩＧＢＴ４ａ，４ｂの直列回路及びスナバコンデンサ５ａ，５ｂの直列回路からなるハーフブリッジインバータ４と、共振コンデンサ６ａ，６ｂの直列回路と、ハーフブリッジインバータ４の交流出力端子と共振コンデンサ６ａ，６ｂ同士の接続点との間に接続された加熱コイル７と、トッププレート８と、ハーフブリッジインバータ４のスイッチング動作を制御する制御部１０と、を備えている。なお、９はトッププレート８上に載置された磁性材料からなる鍋である。

この誘導加熱装置の動作を略述すると、交流電源１から出力される交流電圧は整流回路２及び平滑コンデンサ３により直流電圧に変換され、ハーフブリッジインバータ４に供給される。制御部１０によってＩＧＢＴ４ａ，４ｂを共振コンデンサ６ａ，６ｂと加熱コイル７との共振周波数以上の周波数で交互にオン、オフさせることにより、加熱コイル７に高周波電流が流れる。これにより、加熱コイル７から発生した高周波磁束を、トッププレート８を介して鍋９の底面に鎖交させ、渦電流によるジュール熱を発生させて鍋９を加熱する。

ここで、鍋９の材質が誘導加熱に不適当な非磁性材料であったり、鍋９をトッププレート８上から移動させたりすると、ハーフブリッジインバータ４の負荷インダクタンスが減少し、加熱コイル７及び共振コンデンサ６ａ，６ｂによる共振周波数が高くなる。
この場合、加熱コイル７に流す高周波電流を直ちに遮断または減少させないと過電流状態となり、誘導加熱装置２０を破損させる恐れがあるので、これを防止するためには、負荷インダクタンスを監視して鍋９の材質や設置状態を判別し、その結果に応じて適切な処理を行うことが望ましい。

例えば、誘導加熱装置において、鍋が設置されているか否かを判別し、鍋が設置されていない場合には装置の運転停止等の処理を行う従来技術が、以下に述べるように公知となっている。
すなわち、特許文献１には、インバータ回路の出力電流と出力電圧との位相差、及び、前記出力電流のピーク値に基づいて、鍋の有無を判別する技術が記載されている。また、特許文献２には、インバータ駆動回路の出力電圧と共振コンデンサの電圧との位相差を徐々に変化させ、これに伴って増加する入力電流が所定値以上になったときの動作周波数を監視して鍋の有無や材質を判別する技術が記載されている。

特許第４９７０８２９号公報（段落[０００３]〜[００１３]、図５〜図８等）特開平１１−１２１１５９号公報（段落[００１６]〜[００２１]、図１，図２等）

電磁調理器においては、鍋の材質や形状、トッププレート上の位置により、負荷インダクタンスは大きく変化する。このため、加熱コイルへの通流時に負荷インダクタンスの変化を短時間で正確に検出するのは難しく、鍋の有無を判別することが困難である。また、鍋の有無を高精度に判別するために検出時間を長くすると、負荷インダクタンスが瞬時に低下したような場合に判別動作が遅れ、高周波電流の遮断または減少が間に合わずに誘導加熱装置やその周辺に存在する各種装置を破損させてしまう等の問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、負荷の有無や材質の適否を高精度かつ短時間で判別可能とし、装置の破損を防止するようにした誘導加熱装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、複数の半導体スイッチング素子を有するインバータと、前記スイッチング素子のオン、オフにより高周波電流を通流させて負荷を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共に共振回路を構成する共振コンデンサと、前記スイッチング素子を制御する制御部と、を備えた誘導加熱装置において、
前記制御部は、
前記加熱コイルに高周波電流を通流した時の、前記加熱コイルを含む負荷インダクタンスを演算する第１の演算手段を備え、予め設定してある前記加熱コイルの自己インダクタンスと前記第１の演算手段により演算した前記負荷インダクタンスとを比較して、前記負荷インダクタンスの値が前記自己インダクタンスの値よりも小さいときに、前記負荷が設置されていないこと、または前記負荷の材質が非磁性体であることを判定するものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した誘導加熱装置において、
前記制御部は、
前記負荷インダクタンスと前記共振コンデンサの容量とを用いて共振周波数を演算する第２の演算手段と、
前記負荷の有無または前記負荷の透磁率に応じた複数の共振周波数特性と、
前記第２の演算手段により演算した共振周波数に近似した前記共振周波数特性を選択し、当該特性の共振周波数に一致するように前記インバータの駆動周波数を設定する手段と、を更に備えたものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した誘導加熱装置において、
前記制御部は、
前記加熱コイルに通流している高周波電流の変化分を検出する手段と、
前記変化分が所定値を超えた時に前記高周波電流を遮断または減少させるように前記インバータを制御する手段と、を更に備えたものである。

本発明によれば、負荷の有無や材質の適否を高精度かつ短時間で判別し、必要に応じて駆動周波数を変更したりインバータの運転を停止させる等の処理を行うことにより、誘導加熱装置や周辺の各種装置の破損を未然に防止することができる。

電磁調理器として構成された誘導加熱装置の概略的な主回路構成図である。図１におけるＩＧＢＴの駆動信号を示す図である。制御部への入力情報に着目した誘導加熱装置の主回路構成図である。電磁調理器における加熱コイル及び鍋等の配置状態を示す図である。図３におけるＩＧＢＴの駆動電圧波形を示す図である。鍋の有無に応じた共振周波数と出力電流との関係を示す特性図である。周波数と出力電流との関係を示す共振周波数特性（負荷特性）図である。誘導加熱装置の制御部の概略的な構成を示す機能ブロック図である。高周波電流のｄｉ／ｄｔ値の監視動作を示す波形図である。ｄｉ／ｄｔ値の監視動作によるゲート信号遮断時の実測波形図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
この実施形態は、誘導加熱装置を電磁調理器として用いた場合のものであり、主回路の構成は前述した図１と同様である。そして、誘導加熱装置の概略的な動作としては、図１の制御部１０が、ハーフブリッジインバータ４を構成するＩＧＢＴ４ａ，４ｂを共振コンデンサ６ａ，６ｂと加熱コイル７との共振周波数以上の周波数で交互にオン、オフさせて加熱コイル７に高周波電流を通流することにより、トッププレート８を介して鍋９を誘導加熱する。
なお、図２は、ＩＧＢＴ４ａ，４ｂの駆動信号を示すタイミングチャートであり、ｔ_ｄはインバータ４の上下アームの短絡防止用に設けられるデッドタイムを示す。

ここで、制御部１０は、図３に示すように整流回路２への入力電力Ｐ、直流中間回路の直流電流Ｉ_ｄｃ、直流電圧Ｖ_ｄｃ及び直流電力Ｐ_ｄｃ、加熱コイル７への出力電流（高周波電流）Ｉ_ｏ、インバータ４の駆動周波数ｆ等に基づいて、ＩＧＢＴ４ａ，４ｂに対するゲート信号を生成する。
図４は、電磁調理器における加熱コイル７及び鍋９の配置状態を示した図であり、加熱コイル７には、インバータ４及び共振コンデンサ６ａ，６ｂ等からなる高周波電源１１によって高周波電流Ｉ_ｏが通流される。

いま、加熱コイル７に高周波電流Ｉ_ｏが流れるとトッププレート８上に載置された鍋９が誘導加熱され、鍋９の底面は磁化される。鍋９の底面が磁化されると磁束が発生し、加熱コイル７による磁束密度と鍋９による磁束密度との和が負荷全体の磁束密度となる。このため、電界が大きくなり、高周波電流Ｉ_ｏの通流を妨げる作用によって加熱コイル７の自己インダクタンスより大きな負荷インダクタンスＬ_ｏに変化する。従って、制御部１０によって負荷インダクタンスＬ_ｏを監視していれば、鍋９の有無やその材質が誘導加熱装置２０に適合したものであるか否かを検出することができ、必要に応じて警報を発生する等の手段を講じることができる。

以下、負荷インダクタンスＬ_ｏの算出方法について説明する。
図３において、整流回路２０への入力電力Ｐは数式１によって求められる。また、整流回路２を構成するダイオードの損失は小さいと見なして無視すると共に、入力電流Ｉ_ｉｎを三相全波整流後の直流電流Ｉ_ｄｃに置き換えると、数式２が得られる。

ここで、ＩＧＢＴ４ａ，４ｂを前述した図２のような駆動信号によりオン、オフさせた場合、ＩＧＢＴ４ａ，４ｂにそれぞれ並列に接続されたスナバコンデンサ５ａ，５ｂの充放電時間に起因して、加熱コイル７に印加される高周波電圧の波形は図５に示すような台形波となる。なお、スナバコンデンサ５ａ，５ｂの充放電時間はその容量に依存しており、図５における時間αは一定値である。
また、図５に示した台形波の波形率βは、数式３となる。

この波形率βは、ＩＧＢＴ４ａ，４ｂの駆動周波数と共振周波数との差を小さくする周波数変調制御（Pulse-Frequency Modulation：ＰＦＭ）によって高周波電流を制御する場合、駆動周波数に応じて数式３及び図５におけるπに相当する時間だけが変化する。
これにより、インバータ４の出力位相角γは数式４によって求めることができる。

装置の内部損失を無視すると、負荷抵抗Ｒ_ｏは数式５によって求められる。装置の内部損失を考慮する場合には、入力電力Ｐ×（装置の変換効率）によって求めたＰ’を、数式５におけるＰの代わりに用いればよい。

制御部１０は、数式１〜５により求めた情報及び共振コンデンサ６ａ，６ｂの容量Ｃを用いて数式６を演算することにより、負荷インダクタンスＬ_ｏを求める。

この負荷インダクタンスＬ_ｏが設定値（既知である加熱コイル７の自己インダクタンス）よりも小さい場合には、負荷が不適切であること、すなわち、鍋９がトッププレート８上に設置されていない、鍋９の材質が非磁性材料である、等を判定することができる。

ここで、一般にＬＣ共振回路の共振周波数は、数式７によって表される。なお、数式７において、Ｌはインダクタンス値、Ｃは容量値であり、インダクタンス値Ｌは、図３における鍋９の有無や材質に応じて異なってくる。

図６は、鍋９の有無に応じた共振周波数と出力電流Ｉ_ｏとの関係を示した図である。
鍋９がトッププレート８上に設置されていない場合の共振周波数ｆ_１は、加熱コイル７の自己インダクタンスと共振コンデンサ６ａ，６ｂの容量Ｃとから求めることができる。一方、鍋９がトッププレート８上に設置されている場合は、前述した図４のように鍋９の底面における電界が大きくなって負荷インダクタンスＬ_ｏが増加するので、共振周波数ｆ_２はｆ_１より小さくなる。

この種の誘導加熱装置は、図６において斜線を付した制御範囲のごとく、共振周波数ｆ_２より高い駆動周波数で動作させていることが多く、例えば、図６のＡ点の駆動周波数ｆ_１で誘導加熱することがある。この状態で鍋９をトッププレート８上から移動させると、共振周波数はｆ_２からｆ_１に変化するので駆動周波数に一致する。このため、負荷インダクタンスが減少して高周波電流が急激に流れることとなり、この変化をできる限り早く検出して回避処理を行わないと、誘導加熱装置を破損させる恐れがある。

そこで、この実施形態では、加熱コイル７に高周波電流を通流している場合に、制御部１０が前述の数式６により負荷インダクタンスＬ_ｏを算出し、この負荷インダクタンスＬ_ｏ及び共振コンデンサ６ａ，６ｂの容量Ｃによる共振周波数を数式７により演算する。ここで、制御部１０のメモリ(図示せず)には、図７に示すように、共振周波数と出力電流Ｉ_ｏとの関係を示す複数の共振周波数特性（負荷特性）の近似カーブ３１，３２，……が予め記憶されている。これらの近似カーブ３１，３２，……においては、その傾きが最も大きいときの周波数が共振周波数である。

制御部１０は、負荷インダクタンスＬ_ｏ及び共振コンデンサ６ａ，６ｂの容量Ｃに基づいて演算した共振周波数と最も近い特性を近似カーブ３１，３２，……から選択し、その共振周波数に従ってインバータ４を駆動する。つまり、図６において鍋９がある時の駆動周波数ｆ_１を、鍋９がなくなった時にもそのまま使用し続けた場合に高周波電流Ｉ_ｏが過大になるのを防止するため、Ｌ_ｏ及びＣから演算した共振周波数に近付けるように駆動周波数を変化させる。この方法は、周波数変調制御（ＰＦＭ）方式により誘導加熱装置の駆動周波数を制御する場合、負荷条件に応じて変化する負荷インダクタンスによって決まる高周波電流を予測することで、過大な高周波電流が流れるのを防止することができる。

次に、図８は、制御部１０の概略的な構成を示す機能ブロック図である。
図８の制御部１０において、電力演算手段１０ａは、整流回路２への入力電流及び直流中間回路の直流電圧から電力を演算し、電力調節手段１０ｂは電力演算値が設定値に等しくなるように調節演算を行う。
一方、ｄｉ／ｄｔ検出手段１０ｃは、加熱コイル７に流れる高周波電流Ｉ_ｏの変化分を検出し、高周波電流調節手段１０ｄは、高周波電流の変化分の偏差が所定値を超えたか否かを判定して所定値を超えた場合に駆動周波数設定手段１０ｊに信号を送る。なお、この場合の動作については後述する。また、検出した高周波電流は負荷抵抗演算手段１０ｅに送られ、前述した数式５による負荷抵抗Ｒ_ｏの演算に用いられる。

更に、出力位相角演算手段１０ｆが数式４を演算してインバータ４の出力位相角γを求め、この出力位相角γ及び負荷抵抗Ｒ_ｏは、第１の演算手段としてのインダクタンス演算手段１０ｇに送られる。
インダクタンス演算手段１０ｇは、出力位相角γ及び負荷抵抗Ｒ_ｏ、共振コンデンサ６ａ，６ｂの容量Ｃ等を用いて数式６により負荷インダクタンスＬ_ｏを演算し、第２の演算手段としての共振周波数演算手段１０ｉは、数式７により共振周波数ｆを演算する。
設定値１０ｈには、既知である加熱コイル７の自己インダクタンスが設定されており、負荷インダクタンスＬ_ｏをこの自己インダクタンスと比較して負荷インダクタンスＬ_ｏが自己インダクタンスより小さければ、鍋９がトッププレート８上に設置されていないことや鍋９の材質が非磁性材料であることを検出可能である。

また、共振周波数演算手段１０ｉが演算した共振周波数ｆを図７の近似カーブ３１，３２，……と比較して最も近いものを選択し、インバータ４の駆動周波数が選択した共振周波数に一致するように、駆動周波数設定手段１０ｊが周波数を設定する。なお、駆動周波数設定手段１０ｊは、以下に述べる動作により、高周波電流のｄｉ／ｄｔ値の検出結果に応じた周波数設定動作も行う。

図９は、高周波電流のｄｉ／ｄｔ値を監視する動作を示す波形図である。
加熱コイル７に高周波電流の通流を開始するタイミングをｎ，（ｎ＋１），（ｎ＋２），（ｎ＋３），（ｎ＋４），（ｎ＋５）とし、タイミング（ｎ＋２）と（ｎ＋１）、（ｎ＋３）と（ｎ＋２）、（ｎ＋４）と（ｎ＋３）、（ｎ＋５）と（ｎ＋４）というように、現在の高周波電流と制御周期が一つ前の高周波電流の絶対値のｄｉ／ｄｔ値をｄｉ／ｄｔ検出手段１０ｃにより検出し、各ｄｉ／ｄｔ値が所定値を超えたか否かを監視する。

ここで、タイミング（ｎ＋５）と（ｎ＋４）のように、高周波電流が増加してｄｉ／ｄｔ値が所定値を超えた場合には、加熱コイル７及び鍋９による負荷インダクタンスＬ_ｏに変化があったと判断し、高周波電流を直ちに減少させるために駆動周波数設定手段１０ｊに駆動周波数を高くするように指示する。あるいは、インバータ４を停止させて高周波電流を遮断するように駆動周波数設定手段１０ｊを動作させる。

図１０は、高周波電流を直ちに遮断する場合の実測波形図である。図１０では、高周波電流の今回値が前回値の１２５％を超えた場合に負荷インダクタンスに急激な変化があったと判断し、ｄｉ／ｄｔ検出手段１０ｃの出力がＯＮからＯＦＦに変化して駆動周波数設定手段１０ｊがＩＧＢＴ４ａ，４ｂのゲート信号を遮断している。このゲート信号の遮断に要する時間は４．１［μｓ］となっており、高周波電流が大きく変化した時に即時遮断できていることがわかる。

本発明は、電磁調理器ばかりでなく、半田付け装置や金属溶融装置など各種の工業用誘導加熱装置としても利用することができる。

１：商用電源
２：整流回路
３：平滑コンデンサ
４：ハーフブリッジインバータ
４ａ，４ｂ：ＩＧＢＴ
５ａ，５ｂ：スナバコンデンサ
６ａ，６ｂ：共振コンデンサ
７：加熱コイル
８：トッププレート
９：鍋（負荷）
１０：制御部
１０ａ：電力演算手段
１０ｂ：電力調整手段
１０ｃ：ｄｉ／ｄｔ検出手段
１０ｄ：高周波電流調節手段
１０ｅ：負荷抵抗演算手段
１０ｆ：出力位相角演算手段
１０ｇ：インダクタンス演算手段
１０ｈ：設定値
１０ｉ：共振周波数演算手段
１０ｊ：駆動周波数設定手段
１１：高周波電源
２０：誘導加熱装置

Claims

複数の半導体スイッチング素子を有するインバータと、前記スイッチング素子のオン、オフにより高周波電流を通流させて負荷を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共に共振回路を構成する共振コンデンサと、前記スイッチング素子を制御する制御部と、を備えた誘導加熱装置において、
前記制御部は、
前記加熱コイルに高周波電流を通流した時の、前記加熱コイルを含む負荷インダクタンスを演算する第１の演算手段を備え、予め設定してある前記加熱コイルの自己インダクタンスと前記第１の演算手段により演算した前記負荷インダクタンスとを比較して、前記負荷インダクタンスの値が前記自己インダクタンスの値よりも小さいときに、前記負荷が設置されていないこと、または前記負荷の材質が非磁性体であることを判定することを特徴とする誘導加熱装置。
請求項１に記載した誘導加熱装置において、
前記制御部は、
前記負荷インダクタンスと前記共振コンデンサの容量とを用いて共振周波数を演算する第２の演算手段と、
前記負荷の有無または前記負荷の透磁率に応じた複数の共振周波数特性と、
前記第２の演算手段により演算した共振周波数に近似した前記共振周波数特性を選択し、当該特性の共振周波数に一致するように前記インバータの駆動周波数を設定する手段と、
を更に備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
請求項１または２に記載した誘導加熱装置において、
前記制御部は、
前記加熱コイルに通流している高周波電流の変化分を検出する手段と、
前記変化分が所定値を超えた時に前記高周波電流を遮断または減少させるように前記インバータを制御する手段と、
を更に備えたことを特徴とする誘導加熱装置。