JP2016076455A - Induction heating cooker - Google Patents

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磯貝 雅之
Masayuki Isogai
雅之 磯貝
達朗 上田
Tatsuro Ueda
達朗 上田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce overvoltage and reduce oscillation, which occur at a resonance circuit when a non-magnetic metal load is heated.SOLUTION: An induction heating cooker comprises: variable voltage DC power supply means having power factor improvement means arranged in a previous stage of inverter means; load determination means for determining depending on a load material whether a load is a high-impedance load which is mainly a magnetic metal load or a low-impedance load which is mainly a non-magnetic metal load; and a mechanism for changing a resonance frequency determined by a heating coil and a resonance capacitor between the high-impedance load and the low-load impedance load. The power factor improvement means has operation modes of a power factor priority mode which prioritizes a power factor and a voltage stability priority mode which has voltage stability higher than that in the power factor priority mode. In the induction heating cooker, the variable voltage DC power supply means is controlled in the power factor priority mode when determined as the high-impedance load and in the voltage stability priority mode when determined as the low-impedance load depending on the determination result of the load determination means, and the resonance frequency is changed to the high-impedance load or the low-impedance load and an inverter operation is performed.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、誘導加熱調理器に関するものである。   The present invention relates to an induction heating cooker.

誘導加熱調理器は加熱コイルに流れる電流を制御することによって、金属負荷(鍋)に発生させる電力を制御することができる。また、加熱効率が高いことから金属負荷の温度を速やかに上昇させることができ、湯沸しや炒め物の際には短時間で調理を行うことができるとともに、裸火が無く、温度センサによる過熱の保護など、安全性も高い。   The induction heating cooker can control the electric power generated in the metal load (pan) by controlling the current flowing through the heating coil. In addition, since the heating efficiency is high, the temperature of the metal load can be quickly raised, cooking can be done in a short time when boiling or stir-fry, and there is no open flame, and overheating by the temperature sensor. High safety such as protection.

近年は、従来から使用可能である鉄や磁性ステンレスを材料とする磁性金属鍋だけでなく、アルミニウムや銅などの非磁性金属を材料とする鍋も加熱可能な技術が実用化されている。   In recent years, not only a magnetic metal pan made of iron or magnetic stainless steel that can be used conventionally, but also a technique that can heat a pan made of non-magnetic metal such as aluminum or copper has been put into practical use.

このような非磁性金属を加熱できる誘導加熱調理機においては、インバータ手段の前に直流安定化電源を配置し、インバータ手段に印加される直流電圧を安定化している。これは、商用電源周波数の振動成分によって発生する加熱コイルと負荷の間に生じる反発力による振動を低減するためである。   In such an induction heating cooker that can heat a non-magnetic metal, a DC stabilized power source is disposed in front of the inverter means to stabilize the DC voltage applied to the inverter means. This is to reduce the vibration due to the repulsive force generated between the heating coil and the load generated by the vibration component of the commercial power supply frequency.

直流電圧の安定化方法としては、商用電源電圧の整流後に十分大きな容量の平滑コンデンサを挿入したり(特許文献1)、力率改善機能を有する昇圧回路を含む直流電源回路を用いたりしている(特許文献2)。   As a DC voltage stabilization method, a smoothing capacitor having a sufficiently large capacity is inserted after rectification of the commercial power supply voltage (Patent Document 1), or a DC power supply circuit including a booster circuit having a power factor improving function is used. (Patent Document 2).

特許第3884664号Japanese Patent No. 3884664 特許第4900248号Japanese Patent No. 4900288

一般に、電気用品は配電線の電流をできるだけ抑え、かつ、有効に電力を取り出すことが求められるが、これは力率を高くすることと同義の部分が大きい。力率が低い負荷では、有効電力以外の無効電力が大きくなり、電源ケーブルに流れる電流は大きくなり、高調波による障害の原因にもなる。そのような負荷を並列に接続すれば、さらに影響が大きくなることは言うまでもない。特に商用電源から見て大きな容量を持つコンデンサが接続されていると力率は大きく低下することになる。   In general, electrical appliances are required to suppress the electric current of the distribution line as much as possible and to take out the electric power effectively, and this is largely synonymous with increasing the power factor. In a load with a low power factor, reactive power other than active power increases, and the current flowing through the power cable increases, causing a failure due to harmonics. Needless to say, if such a load is connected in parallel, the influence is further increased. In particular, when a capacitor having a large capacity as viewed from the commercial power supply is connected, the power factor is greatly reduced.

近年、電気用品の電源回路等に大きな静電容量を有する機器では、負荷回路の前段に力率改善回路を配し、100%に近い力率を得るようにしているものが多くなっている。   In recent years, many devices having a large capacitance in a power supply circuit of an electric appliance have a power factor improving circuit arranged in front of a load circuit so as to obtain a power factor close to 100%.

従来の磁性金属負荷(鍋)を加熱するための誘導加熱調理器においては、加熱コイルに接続するインバータ手段の前段に配置する電源回路は、商用電源を整流する整流回路にチョークコイルとコンデンサからなるフィルタ回路で構成されている。しかし負荷の電力に対してはコイルとコンデンサの時定数が小さく、力率は100%に近い。   In an induction heating cooker for heating a conventional magnetic metal load (pan), a power circuit arranged in front of the inverter means connected to the heating coil is composed of a choke coil and a capacitor as a rectifier circuit for rectifying commercial power. It consists of a filter circuit. However, the time constant of the coil and capacitor is small for the power of the load, and the power factor is close to 100%.

しかし、前述のとおり、非磁性金属負荷を加熱する場合には商用電源周波数の振動成分に起因する反発力が生じるため、できる限り平滑された直流電圧をインバータ手段に印加することが望ましい。しかし、磁性金属負荷では、加熱コイルから発生する磁束による吸引力が負荷とコイル間に生じるため、これらが相殺される。したがって、非磁性金属負荷を加熱する場合は、磁性金属負荷を加熱する場合に比べて直流電圧の平滑度が要求され、実用化されている非磁性金属(アルミニウムや銅)負荷を加熱できる、いわゆるオールメタル対応誘導加熱調理器においては、少なくとも非磁性金属負荷を加熱する場合には、力率改善回路を配置し、インバータ手段に印加する電圧を安定化して供給するようにしている。   However, as described above, when a nonmagnetic metal load is heated, a repulsive force is generated due to a vibration component of the commercial power supply frequency. Therefore, it is desirable to apply a DC voltage that is as smooth as possible to the inverter means. However, in the magnetic metal load, since an attractive force due to the magnetic flux generated from the heating coil is generated between the load and the coil, these are canceled out. Therefore, when heating a nonmagnetic metal load, a smoothness of a DC voltage is required as compared with heating a magnetic metal load, and a so-called nonmagnetic metal (aluminum or copper) load can be heated. In an all-metal induction heating cooker, at least when heating a nonmagnetic metal load, a power factor correction circuit is arranged to stabilize and supply a voltage to be applied to the inverter means.

ただし、力率改善回路を配置しても、その出力電圧は完全に平滑されたものではなく、幾分かのリップルを含む。さらに、非磁性金属負荷を加熱する場合は、磁性金属負荷を加熱する場合に比べて高い周波数で駆動する必要があり、同時に、大きな等価インダクタンスかつ低い等価抵抗であるため、加熱コイルと共振コンデンサに発生する共振電圧は、磁性金属負荷を加熱する場合に対して10倍以上になることがある。したがって、リップル成分が大きいほど共振電圧のピーク電圧は高くなり、特に非磁性金属負荷を加熱する場合は顕著であり、周囲の部品や筺体に対して絶縁距離を十分に取るなどの配慮が必要になり、状態によっては異常な放電が発生して回路の故障を引き起こし、使用不可能になることがある。従来は加熱コイルの巻き数や負荷(鍋)の距離を調整したり、インバータ動作周波数を低めに設定するなどの方法で共振電圧自体を低く抑える対応をしていた。   However, even if the power factor correction circuit is arranged, the output voltage is not completely smoothed and includes some ripples. Furthermore, when heating a non-magnetic metal load, it is necessary to drive at a higher frequency than when heating a magnetic metal load, and at the same time, it has a large equivalent inductance and a low equivalent resistance. The generated resonance voltage may be 10 times or more that when the magnetic metal load is heated. Therefore, the higher the ripple component, the higher the peak voltage of the resonance voltage, especially when heating a nonmagnetic metal load, and it is necessary to pay attention to the surrounding parts and the case with sufficient insulation distance. Depending on the condition, abnormal discharge may occur, causing a circuit failure and making it unusable. Conventionally, the resonance voltage itself has been kept low by adjusting the number of turns of the heating coil and the distance of the load (pan) or by setting the inverter operating frequency lower.

本発明は上記の課題を解決するためのものであり、少なくともアルミニウムや銅などの非磁性金属負荷を加熱でき、力率改善手段を有する誘導加熱調理器において、非磁性金属負荷を加熱する場合は力率改善手段における出力電圧の平滑度を、磁性金属負荷を加熱する場合の平滑度に対して高く設定するものである。これは、非磁性金属負荷を加熱する場合は力率を多少下げることにより出力電圧の平滑度を上げることであり、ピーク電流値の上昇および商用電源に対する電流値も上昇することになるため、合わせて、非磁性金属負荷の加熱電力の最大値は、力率低下に相当する分以上を磁性金属負荷の加熱電力最大値に対して低下させる。   The present invention is for solving the above-mentioned problems, and can heat at least a nonmagnetic metal load such as aluminum or copper, and when heating a nonmagnetic metal load in an induction heating cooker having a power factor improving means, The smoothness of the output voltage in the power factor improving means is set higher than the smoothness when heating the magnetic metal load. This means that when heating a non-magnetic metal load, the smoothness of the output voltage is increased by lowering the power factor slightly, and the peak current value and the current value for the commercial power supply also increase. Thus, the maximum value of the heating power of the non-magnetic metal load is reduced by more than the amount corresponding to the power factor reduction with respect to the heating power maximum value of the magnetic metal load.

本発明によれば、非磁性金属負荷を加熱する場合に、インバータ手段に印加する電圧のリップル成分を少なくすることができ、共振回路に発生する共振電圧のピーク値を抑えることができるとともに、共振電流の包絡線の振動に起因して生じる振動音が低減され、使用者に対して不快な調理環境となってしまうことを抑えることができる。また、非磁性金属負荷を加熱する場合に生じる力率低下に起因する商用電源の電流値が、コンセントや電源ケーブルの電流容量を超えることが無いため、それらの異常加熱などによる火災の要因を排除することができる。   According to the present invention, when heating a nonmagnetic metal load, the ripple component of the voltage applied to the inverter means can be reduced, the peak value of the resonance voltage generated in the resonance circuit can be suppressed, and the resonance can be reduced. The vibration sound caused by the vibration of the envelope of the current is reduced, and it can be suppressed that the cooking environment becomes uncomfortable for the user. In addition, the current value of the commercial power source caused by the power factor drop that occurs when heating a non-magnetic metal load does not exceed the current capacity of the outlet or power cable, eliminating the cause of fire due to abnormal heating etc. can do.

誘導加熱調理器の要部ブロック図、Main block diagram of induction heating cooker, 変電圧直流電源手段の構成例Configuration example of variable voltage DC power supply means 図2の可変電圧直流電源手段の動作波形例Example of operation waveform of variable voltage DC power supply means of FIG. 電源制御手段の構成例Configuration example of power control means モード切り替え方法の構成例Configuration example of mode switching method 他の可変電圧直流電源手段の構成例Configuration example of other variable voltage DC power supply means 他の電源制御手段の構成例Configuration example of other power control means 可変電圧直流電源手段の動作波形例Example of operation waveform of variable voltage DC power supply 負荷の材質によるインピーダンスの例Example of impedance depending on load material インバータ手段の構成例Configuration example of inverter means インバータ電流および共振電圧の例Example of inverter current and resonance voltage

以下、本発明の一実施例を図1から図11に従って説明する。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

図1において、商用電源1から供給される電力を整流回路2で直流化し、力率改善手段を有する直流可変電圧電源手段3で電圧を安定化させる。その出力電圧をインバータ手段5に接続し、加熱コイル6に高周波電流を流すことで金属負荷(鍋)に渦電流を生じさせて自己発熱させる。   In FIG. 1, the electric power supplied from the commercial power source 1 is converted into direct current by the rectifier circuit 2 and the voltage is stabilized by the direct-current variable voltage power source means 3 having power factor improving means. The output voltage is connected to the inverter means 5, and an eddy current is generated in the metal load (pan) by flowing a high-frequency current through the heating coil 6 to cause self-heating.

主制御手段10は、電源電圧VAC、電源電流IACおよびインバータ電流IINVを入力し、VACとIACから入力電力を算出し、IACとIINVから負荷の状態を検出する。それらの状態によって、インバータ手段5の内部にあるスイッチング素子の駆動信号INV−GATE、および、直流可変電圧電源手段3の動作を制御する電源制御手段20の動作モードを指定するMODE、出力電圧の指定を行うVSETの各信号を出力する。   Main control means 10 receives power supply voltage VAC, power supply current IAC and inverter current IINV, calculates input power from VAC and IAC, and detects the state of the load from IAC and IINV. Depending on these states, the drive signal INV-GATE for the switching element in the inverter means 5, the MODE for designating the operation mode of the power supply control means 20 for controlling the operation of the DC variable voltage power supply means 3, and the designation of the output voltage The VSET signals for performing are output.

電源制御手段20は、整流後の電源電圧VINと電源電流VINおよび出力電圧VOUTを入力し、MODE信号、VSET信号により、力率改善動作をしながら出力電圧を所定の電圧になるようPWM信号を直流可変電圧電源手段3に出力する。   The power control means 20 inputs the rectified power supply voltage VIN, the power supply current VIN, and the output voltage VOUT, and outputs a PWM signal so that the output voltage becomes a predetermined voltage while performing the power factor improving operation by the MODE signal and the VSET signal. Output to the DC variable voltage power supply means 3.

図2は、一般的に用いられる昇圧型力率改善手段の例であり、図3は入力電圧、電流および出力電圧の波形と加熱コイルに流れるインバータ電流の波形例である。   FIG. 2 is an example of commonly used boost type power factor correction means, and FIG. 3 is an example of waveforms of input voltage, current and output voltage and inverter current flowing in the heating coil.

図2において、整流手段2の正出力はチョークコイル301、スイッチ手段302で負出力への閉回路をなし、チョークコイル301とスイッチ手段302の接続部にダイオード303を経由して出力コンデンサ304に接続する。スイッチ手段302に適当なパルスパターンを与えてスイッチ動作をさせることで、チョークコイル301の逆起電力を利用した昇圧型の力率改善動作を得ることができる。   In FIG. 2, the positive output of the rectifying means 2 forms a closed circuit to the negative output by the choke coil 301 and the switch means 302, and is connected to the output capacitor 304 via the diode 303 at the connection portion of the choke coil 301 and the switch means 302. To do. By applying an appropriate pulse pattern to the switch means 302 to perform a switch operation, a boost type power factor correction operation using the back electromotive force of the choke coil 301 can be obtained.

図3は力率改善動作を行っている場合の各波形であり、入力電圧VINと入力電流IINはほぼ相似形となる。まったく相似であれば力率は100%となり、相似からずれるほど力率は下がる。   FIG. 3 shows respective waveforms when the power factor correction operation is performed, and the input voltage VIN and the input current IIN are substantially similar. If they are completely similar, the power factor is 100%, and the power factor decreases as the similarity is shifted.

出力電圧VOUTは、平均電圧VAVRに対して、上側のVRIPPと下側のVRIPMのリップル電圧変動を含む。この変動により、インバータ電流は平均電圧、リップル電圧の波形に相似の包絡線となるピーク電流が流れることになる。通常、力率100%の場合はある程度のリップル電圧が残留するが、これを小さくするためには入力電圧波形VINと入力電流波形IINを相似の状態から変化させる必要がある。   The output voltage VOUT includes ripple voltage fluctuations of the upper VRIPP and the lower VRIPM with respect to the average voltage VAVR. Due to this fluctuation, the inverter current flows a peak current that has an envelope similar to the waveform of the average voltage and ripple voltage. Usually, when the power factor is 100%, a certain amount of ripple voltage remains, but in order to reduce this, it is necessary to change the input voltage waveform VIN and the input current waveform IIN from similar states.

図4は電源制御手段20の構成例である。この電源制御手段20は、一般的な電流連続モードと呼ばれる力率改善に用いられる制御手段に対して、図5に示すような制御値を変更することにより、力率優先の動作とするか、出力電圧の安定度を優先させる動作とするかを切り替えられるものである。ただし、力率改善方法には他にも、電流不連続モード、電流臨界モードという方法があるが、いずれも図5に示す方法により同様の切り替えが可能である。なお、近年はこれらの制御をソフトウェアで構成することも可能となっているが、制御としての構成は同じである。   FIG. 4 is a configuration example of the power supply control means 20. The power source control means 20 is a power factor priority operation by changing a control value as shown in FIG. 5 with respect to a control means used for power factor improvement called a general current continuous mode. It is possible to switch whether to give priority to the stability of the output voltage. However, there are other methods such as a current discontinuous mode and a current critical mode as power factor improvement methods, and both can be switched similarly by the method shown in FIG. In recent years, it has become possible to configure these controls by software, but the configuration as the control is the same.

図4において、VOUTを抵抗211、212で適した電圧に分圧しコンデンサ213で平滑する。必要に応じて主制御手段10からVSET信号を合成してVOUT′とし、基準電位201(Vref)とゲインG1のオペアンプ202に入力する。その出力と入力IINと乗算器203に入力し、その出力とVINをゲインG2のオペアンプ204に入力する。その出力とスイッチ素子302の動作タイミングの基準となる基準発振器205を比較器206に入力し、その出力をPWM信号としてスイッチ素子302に入力する。   In FIG. 4, VOUT is divided to a suitable voltage by resistors 211 and 212 and smoothed by a capacitor 213. If necessary, the VSET signal is synthesized from the main control means 10 to be VOUT ′ and input to the operational amplifier 202 having the reference potential 201 (Vref) and the gain G1. The output, the input IIN, and the multiplier 203 are input, and the output and VIN are input to the operational amplifier 204 having the gain G2. A reference oscillator 205 serving as a reference for the output and the operation timing of the switch element 302 is input to the comparator 206, and the output is input to the switch element 302 as a PWM signal.

この電源制御手段によれば、VIN波形とIIN波形が相似になり、出力電圧はVOUTを分圧した電圧とVrefがほぼ同一電圧になるように制御される。ただし、前述の通り、図2の回路構成においては入力電圧よりも高い出力電圧となり、降圧することはできないが、主制御手段10のVSET信号に応じて入力電圧よりも高い任意の電圧出力が可能となる。   According to this power supply control means, the VIN waveform and the IIN waveform are similar, and the output voltage is controlled so that the voltage obtained by dividing VOUT is substantially the same as Vref. However, as described above, in the circuit configuration of FIG. 2, the output voltage is higher than the input voltage and cannot be stepped down, but any voltage output higher than the input voltage is possible according to the VSET signal of the main control means 10. It becomes.

図5は図4の電源制御手段20の構成において、力率優先モードと電圧安定度優先モードを切り替える構成の一例である。VOUT′とVREFを入力するオペアンプ202のゲインを、MODE信号(L/H)によりそれぞれG1L、G1Hに切り替え設定する。このとき、G1L<G1Hとする。ゲインがG1Lのときに力率が最高になるように設定しておけば、MODE信号をHにするとVOUT′とVREFの差分に対する出力が大きくなり、力率は低下するが出力電圧VOUTに対する安定度が増す。したがって、力率優先モードと電圧安定度優先モードを切り替えることができ、主制御手段10からの制御信号でモードを切り替えられる構成が実現できる。   FIG. 5 is an example of a configuration for switching between the power factor priority mode and the voltage stability priority mode in the configuration of the power supply control unit 20 of FIG. The gain of the operational amplifier 202 to which VOUT ′ and VREF are input is switched and set to G1L and G1H by the MODE signal (L / H), respectively. At this time, G1L <G1H. If the gain is set to G1L and the power factor is set to the maximum, when the MODE signal is set to H, the output for the difference between VOUT ′ and VREF increases, the power factor decreases, but the stability with respect to the output voltage VOUT Increase. Therefore, the power factor priority mode and the voltage stability priority mode can be switched, and a configuration in which the mode can be switched by the control signal from the main control means 10 can be realized.

図6は他の力率改善手段の構成例であり、図2の構成とは異なり入力電圧に対して昇降圧可能な構成である。整流手段2の正出力にスイッチ素子311、チョークコイル313、環流ダイオード312で構成する降圧手段を接続し、スイッチ素子314、逆流防止ダイオード315、平滑コンデンサ316で構成する昇圧手段を配置する。このとき、降圧手段と昇圧手段はチョークコイル313を共用する形となる。なお、整流手段2の出力を直接入り切りする構成のため、商用電源に対してそのノイズ成分が乗りやすいことから、整流前あるいは整流直後にLCフィルタ等を挿入等の対策が必要となる(図示せず)。   FIG. 6 shows a configuration example of another power factor improving means, which is different from the configuration of FIG. A step-down means constituted by a switch element 311, a choke coil 313 and a freewheeling diode 312 is connected to the positive output of the rectifying means 2, and a step-up means constituted by a switch element 314, a backflow prevention diode 315 and a smoothing capacitor 316 is arranged. At this time, the step-down means and the step-up means share the choke coil 313. Since the output of the rectifying means 2 is directly turned on and off, the noise component is easily applied to the commercial power supply, and therefore measures such as inserting an LC filter before rectification or immediately after rectification are required (not shown). )

スイッチ素子311および314を適した駆動パルス列で制御すれば、力率を向上させつつ出力電圧を任意に設定できる。例えば、入力電圧よりも高い電圧が必要な場合は、スイッチ素子311をオンのままスイッチ素子314を適したパルス列で駆動すれば図2の構成と同等となる。また、入力電圧よりも低い電圧が必要であれば、入力電圧が目標電圧よりも高い期間ではスイッチ素子311を適したパルス列で駆動し、入力電圧が目標電圧よりも低い期間ではスイッチ素子311をオンにしたままスイッチ素子314を適したパルス列で駆動すればよい。   If the switch elements 311 and 314 are controlled by a suitable drive pulse train, the output voltage can be arbitrarily set while improving the power factor. For example, when a voltage higher than the input voltage is required, the configuration shown in FIG. 2 is equivalent to driving the switch element 314 with a suitable pulse train while the switch element 311 is turned on. If a voltage lower than the input voltage is required, the switch element 311 is driven with a suitable pulse train when the input voltage is higher than the target voltage, and the switch element 311 is turned on when the input voltage is lower than the target voltage. The switch element 314 may be driven with a suitable pulse train while maintaining the above.

図7は図6の構成において力率改善動作をおこなう電源制御手段20の構成例である。基本的には図4の構成と同等であるが、降圧用スイッチ素子311および昇圧用スイッチ素子314の駆動用パルス列(PWM1、PWM2)を出力するために最終段の比較器206をそれぞれ206A、206Bに分け、基準発振手段205の出力をそのまま比較するものと、その出力にVOFSを加えたものと比較する構成とする。これにより、オペアンプ204の出力が力率改善動作するための源信号となるとともに、降圧、昇圧動作用パルス列生成のための源信号ともなる。また、図5の力率優先モードと電圧安定度優先モードの切り替え構成もそのまま適用可能である。   FIG. 7 is a configuration example of the power supply control means 20 that performs the power factor improving operation in the configuration of FIG. The configuration is basically the same as that of FIG. 4, but the final stage comparator 206 is set to 206A and 206B in order to output the drive pulse trains (PWM1, PWM2) of the step-down switch element 311 and the step-up switch element 314, respectively. In this configuration, the output of the reference oscillation means 205 is compared as it is, and the output is compared with the output obtained by adding VOFS. As a result, the output of the operational amplifier 204 becomes a source signal for performing a power factor improving operation, and also becomes a source signal for generating a pulse train for step-down / boost operation. Further, the switching configuration between the power factor priority mode and the voltage stability priority mode shown in FIG. 5 can be applied as it is.

図8は本実施例の可変電圧電源手段3の動作例である。VINが正弦波の全波整流波形、力率優先モードの場合は入力電流波形IIN1、出力電圧波形VOUT1となり、電圧安定度優先モードの場合は入力電流波形IIN2、出力電圧波形VOUT2となる。   FIG. 8 shows an operation example of the variable voltage power supply means 3 of this embodiment. When VIN is a sine wave full-wave rectification waveform and power factor priority mode, input current waveform IIN1 and output voltage waveform VOUT1 are obtained. When voltage stability priority mode is selected, input current waveform IIN2 and output voltage waveform VOUT2 are obtained.

インバータ手段5に印加する電圧は可変電圧電源手段3の出力であるから、前述の通り加熱コイルに流れるインバータ電流はその電圧の包絡線に比例したピーク電流を有する。   Since the voltage applied to the inverter means 5 is the output of the variable voltage power supply means 3, as described above, the inverter current flowing through the heating coil has a peak current proportional to the envelope of the voltage.

ここで、実用化されているオールメタル対応の誘導加熱調理器のインバータ負荷(加熱コイル6と金属負荷を結合させた場合の等価インダクタンス、等価抵抗)と動作周波数の例を示す。   Here, an example of an inverter load (an equivalent inductance and an equivalent resistance when the heating coil 6 and a metal load are combined) and an operating frequency of an all-metal induction heating cooker that is put into practical use is shown.

図9は、磁性金属負荷として鉄ホーロー鍋、非磁性金属負荷としてアルミニウム鍋を用いた場合の、等価インダクタンス、等価抵抗、インバータ動作周波数の組み合わせである。図9に示すように、共振回路の一部となる等価インダクタンス、等価抵抗の値は大きく異なる。磁性金属負荷は高インピーダンスとなり、非磁性金属負荷は低インピーダンスとなる。特に等価抵抗は非磁性金属負荷では低い傾向になるため高いインバータ動作周波数が必要となる。   FIG. 9 shows a combination of equivalent inductance, equivalent resistance, and inverter operating frequency when an iron enamel pan is used as the magnetic metal load and an aluminum pan is used as the non-magnetic metal load. As shown in FIG. 9, the values of the equivalent inductance and equivalent resistance that are part of the resonance circuit are greatly different. A magnetic metal load has a high impedance, and a nonmagnetic metal load has a low impedance. In particular, since the equivalent resistance tends to be low for nonmagnetic metal loads, a high inverter operating frequency is required.

図10はこのような多種の負荷に対応可能なインバータ手段の一例である。図10において、正電源端と負電源端の間には2つのスイッチ素子を直列に接続したアームA(501と502)およびアームB(503と504)があり、それぞれのスイッチ素子には逆並列に環流ダイオードが接続される。アームBの中点には加熱コイル6を接続し、他端に非磁性金属負荷用の共振コンデンサ507を接続する。加熱コイル6と共振コンデンサ507の接続点にはスイッチ505を接続し、磁性金属用共振コンデンサ506を介してアームAの中点に接続する。   FIG. 10 shows an example of inverter means that can cope with such various loads. In FIG. 10, between the positive power supply terminal and the negative power supply terminal, there are an arm A (501 and 502) and an arm B (503 and 504) in which two switch elements are connected in series. Is connected to the freewheeling diode. The heating coil 6 is connected to the middle point of the arm B, and the resonance capacitor 507 for nonmagnetic metal load is connected to the other end. A switch 505 is connected to the connection point between the heating coil 6 and the resonance capacitor 507, and is connected to the midpoint of the arm A through the magnetic metal resonance capacitor 506.

磁性金属負荷を加熱する場合は、スイッチ505を短絡状態にし、アームAとアームB間に共振コンデンサ506と加熱コイル6の直列共振体を接続する構成とし、アームAとアームB内のスイッチ素子をそれぞれたすき掛け駆動することで直列共振体に高周波電流を流す。   When heating the magnetic metal load, the switch 505 is short-circuited, and a series resonance body of the resonance capacitor 506 and the heating coil 6 is connected between the arm A and the arm B, and the switch elements in the arm A and the arm B are connected. A high frequency current is caused to flow through the series resonators by driving each other.

非磁性金属負荷を加熱する場合は、スイッチ505を解放状態にし、アームAは休止状態とし、アームBのみでいわゆるSEPP回路として動作させ、共振コンデンサ507と加熱コイル6の直列共振体に高周波電流を流す。   When heating the non-magnetic metal load, the switch 505 is opened, the arm A is in a quiescent state, and only the arm B is operated as a so-called SEPP circuit, and a high frequency current is applied to the series resonator of the resonance capacitor 507 and the heating coil 6. Shed.

なお、図9で示したように、磁性金属負荷では低いインバータ動作周波数でも等価抵抗が十分に大きいため、直列共振体の共振周波数は低く設定し、逆に非磁性金属負荷では高く設定する必要があるが、これはスイッチ505の切り替え操作で実現している。   As shown in FIG. 9, since the equivalent resistance is sufficiently large even at a low inverter operating frequency in the magnetic metal load, the resonance frequency of the series resonator must be set low, and conversely, it must be set high in the nonmagnetic metal load. However, this is realized by switching operation of the switch 505.

このインバータ手段5は加熱開始の際、磁性金属負荷あるいは非磁性金属負荷のどちらかの構成を選択しておき、スイッチ素子の駆動後に発生する電源電流IAC、インバータ電流IINVなどから状態を判別し、上記の構成が適していれば加熱動作を継続し、適していなければ構成を変更して再度加熱開始動作になるようにすることで、最終的に磁性金属負荷を加熱しているか、非磁性金属負荷を加熱しているかが確定する。   This inverter means 5 selects either a magnetic metal load or a non-magnetic metal load at the start of heating, determines the state from the power source current IAC, the inverter current IINV, etc. generated after driving the switch element, If the above configuration is suitable, the heating operation is continued, and if not suitable, the configuration is changed so that the heating start operation is started again. Determine if the load is heating.

入力電力(商用電源から供給する電力)をWとし、変換効率を100%と仮定すると、インバータ電流(共振電流)をI、等価インダクタンスをL、等価抵抗をRとすれば、以下の式が成立する。
Assuming that the input power (power supplied from the commercial power source) is W and the conversion efficiency is 100%, if the inverter current (resonant current) is I, the equivalent inductance is L, and the equivalent resistance is R, the following equation is established. To do.

W=RI2 (数1)
I=√(W/R) (数2)

このとき、等価インダクタンスLに発生する電圧(共振電圧)Vは、インバータ動作周波数をfとすれば、

V=2πfLI (数3)

したがって、図9の条件において、入力電力を3kWとするとインバータ電流と共振電圧は図11に示す値となる。
W = RI 2 (Equation 1)
I = √ (W / R) (Equation 2)

At this time, the voltage (resonance voltage) V generated in the equivalent inductance L is f if the inverter operating frequency is f.

V = 2πfLI (Equation 3)

Therefore, when the input power is 3 kW under the conditions of FIG. 9, the inverter current and the resonance voltage have the values shown in FIG.

ここで、可変電圧電源手段3の出力電圧にリップル成分が20%あるとすれば、インバータ電流、共振電圧ともその成分のピーク振動が発生する。これは、磁性金属負荷の場合であれば発生する電圧の絶対値が比較的低いために問題とならないが、非磁性金属負荷の場合は電圧の絶対値が大きいために振動成分のピーク時に影響が大きい。本例では、平均4237Vがピークで約5084Vになることを示している。   Here, if the output voltage of the variable voltage power supply means 3 has a ripple component of 20%, peak vibration of that component occurs in both the inverter current and the resonance voltage. This is not a problem because the absolute value of the generated voltage is relatively low in the case of a magnetic metal load. large. In this example, the average of 4237V is about 5084V at the peak.

したがって、本実施例で示したように、特に非磁性金属負荷を加熱する場合には可変電圧電源手段の出力電圧安定度が要求される。   Therefore, as shown in this embodiment, the output voltage stability of the variable voltage power supply means is required particularly when heating a nonmagnetic metal load.

しかしながら、既に述べたように、出力電圧の安定度を高めた場合には力率が低下する。当然、磁性金属負荷と非磁性金属負荷で同じ最大電力を得ようとした場合、非磁性金属負荷では商用電源から供給する電流には無効電力分が加わるために、電源ケーブルには大きな電流が流れることになる。   However, as already mentioned, the power factor decreases when the stability of the output voltage is increased. Naturally, when trying to obtain the same maximum power with a magnetic metal load and a non-magnetic metal load, the reactive power is added to the current supplied from the commercial power source with the non-magnetic metal load, so a large current flows through the power cable. It will be.

一つのコンセントから多口の誘導加熱調理部を有する、いわゆるビルトイン型や据え置き型などの製品においても、同時に調理に使用すればその口数分の電流が流れるために、電源ケーブルの電流容量やコンセントの電流容量を超えるおそれがある。   Even in products such as so-called built-in type and stationary type that have multiple induction heating cooking units from a single outlet, current for the number of outlets will flow if used for cooking at the same time. The current capacity may be exceeded.

よって、本実施例の誘導加熱調理器においては、力率優先モードに対して出力電圧安定度優先モードを用いて加熱する場合は、その力率低下分を加味した電源電流を抑える制御を行う。この場合、使用者が設定可能な最大電力において、力率優先モードに対して出力電圧安定度優先モードでは後者の電力は力率低下分を低減させることと同義である。   Therefore, in the induction heating cooker of the present embodiment, when heating is performed using the output voltage stability priority mode with respect to the power factor priority mode, control is performed to suppress the power source current in consideration of the power factor decrease. In this case, at the maximum power that can be set by the user, the latter power is equivalent to reducing the power factor decrease in the output voltage stability priority mode with respect to the power factor priority mode.

例えば、力率優先モードに対して出力電圧安定度優先モードが、力率100%に対してで95%に低下する場合は、入力電流を最大で95%以下に抑えるようにする。   For example, when the output voltage stability priority mode is reduced to 95% with respect to the power factor of 100% with respect to the power factor priority mode, the input current is suppressed to 95% or less at the maximum.

本制御を実施することにより、過電流による電源ケーブルやコンセントの電流容量オーバーを発生させないことができるとともに、非磁性金属負荷を加熱する場合に生じる過電圧を抑制することができ、安全性の高い誘導加熱調理器を提供することができる。
By carrying out this control, it is possible to prevent overcurrent from exceeding the current capacity of the power cable and outlet due to overcurrent, and to suppress overvoltage that occurs when heating a nonmagnetic metal load, leading to high safety induction A cooker can be provided.

1 商用電源、2 整流回路、3 直流可変電圧電源手段、5 インバータ手段、6 加熱コイル、10 主制御手段、20 電源制御手段、202 オペアンプ、203 乗算器、204 オペアンプ、205 基準発振器、205 基準発振手段、206 比較器、211、212 抵抗、213 コンデンサ、301 チョークコイル、302 スイッチ手段、303 ダイオード、304 出力コンデンサ、311 スイッチ素子、312 環流ダイオード、313 チョークコイル、314 スイッチ素子、315 逆流防止ダイオード、316 平滑コンデンサ、501、502 アームA、503、504 アームB、505 スイッチ、506 磁性金属用共振コンデンサ、507 共振コンデンサ   1 commercial power supply, 2 rectifier circuit, 3 DC variable voltage power supply means, 5 inverter means, 6 heating coil, 10 main control means, 20 power supply control means, 202 operational amplifier, 203 multiplier, 204 operational amplifier, 205 reference oscillator, 205 reference oscillation Means, 206 comparator, 211, 212 resistor, 213 capacitor, 301 choke coil, 302 switch means, 303 diode, 304 output capacitor, 311 switch element, 312 freewheeling diode, 313 choke coil, 314 switch element, 315 backflow prevention diode, 316 Smoothing capacitor, 501, 502 Arm A, 503, 504 Arm B, 505 Switch, 506 Resonance capacitor for magnetic metal, 507 Resonance capacitor

Claims (2)

負荷材質に応じてインバータ動作モードを変更するインバータ手段と、
前記インバータ手段の前段に配置する力率改善手段を有する可変電圧直流電源手段と、
負荷材質により、主に磁性金属負荷である高インピーダンス負荷と主に非磁性金属負荷である低インピーダンス負荷とに判別する負荷判別手段と、
前記高インピーダンス負荷と低インピーダンス負荷では加熱コイルと共振コンデンサで決まる共振周波数を変更する機構と、を有し、
前記力率改善手段は、力率を優先する力率優先モードと力率優先モードよりも電圧安定度の高い電圧安定度優先モードの動作モードを有し、
負荷判別手段の判別結果により、
高インピーダンス負荷では、力率優先モード、
低インピーダンス負荷では、電圧安定度優先モード、
で可変電圧直流電源手段を制御するとともに、
高インピーダンス負荷あるいは低インピーダンス負荷に共振周波数を変更しインバータ動作を行うことを特徴とする誘導加熱調理器。
Inverter means for changing the inverter operation mode according to the load material;
Variable voltage direct current power supply means having power factor improving means arranged in the preceding stage of the inverter means;
Load discriminating means for discriminating between a high impedance load that is mainly a magnetic metal load and a low impedance load that is mainly a non-magnetic metal load, depending on the load material;
A mechanism for changing a resonance frequency determined by a heating coil and a resonance capacitor in the high impedance load and the low impedance load, and
The power factor improving means has a power factor priority mode that prioritizes the power factor and an operation mode of a voltage stability priority mode that is higher in voltage stability than the power factor priority mode.
According to the determination result of the load determination means,
For high impedance loads, power factor priority mode,
In low impedance load, voltage stability priority mode,
In addition to controlling the variable voltage DC power supply means,
An induction heating cooker characterized by performing an inverter operation by changing a resonance frequency to a high impedance load or a low impedance load.
電圧安定度優先モードにおけるインバータ手段の最大電力は力率優先モードにおける最大電力はよりも低いこと、を特徴とする請求項1記載の誘導加熱調理器。   The induction heating cooker according to claim 1, wherein the maximum power of the inverter means in the voltage stability priority mode is lower than the maximum power in the power factor priority mode.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020064719A (en) * 2018-10-15 2020-04-23 日立グローバルライフソリューションズ株式会社 Electromagnetic induction heating device

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