JP3960072B2

JP3960072B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP3960072B2
Application number: JP2002044573A
Authority: JP
Inventors: 和明三野
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-02-21
Also published as: JP2003243136A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レストランなどで使用される誘導加熱調理器や金属溶接、シームレス溶接などに使用される産業用誘導加熱装置に関し、詳しくは、スイッチング素子を用いて三相交流電源から高周波交流を作り出す電力変換回路の構成方法に特徴を有する誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来技術の主回路構成を示している。同図において、ダイオードＤ_１〜Ｄ_６からなる三相ブリッジ整流回路の入力側は、リアクトルやコンデンサ等からなるフィルタ２０を介して三相交流電源１０の各相出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに接続されている。上記三相ブリッジ整流回路の出力側には平滑コンデンサＣ_１が接続されており、三相交流電源１０の交流電力は整流、平滑されて直流電力に変換される。
【０００３】
コンデンサＣ_１には、共振コンデンサＣ_２，Ｃ_３の直列回路と、半導体スイッチング素子Ｓ_１にダイオードＤ_７を逆並列接続したスイッチングアーム、及び、半導体スイッチング素子Ｓ_２にダイオードＤ_８を逆並列接続したスイッチングアームからなるスイッチングアーム直列回路とが、それぞれ並列に接続されている。共振コンデンサ直列回路の内部接続点とスイッチングアーム直列回路の内部接続点との間には、加熱コイル３０（そのインダクタンスをＬ_ｏとする）が接続される。
ここで、共振コンデンサＣ_２，Ｃ_３及び加熱コイル３０は共振回路を構成しており、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２のスイッチングに伴う共振によって加熱コイル３０には高周波電流が供給される。
【０００４】
具体的な動作としては、例えば、スイッチング素子Ｓ_１がオンすると、コンデンサＣ_２→スイッチング素子Ｓ_１→加熱コイル３０→コンデンサＣ_２の経路で電流が流れ、スイッチング素子Ｓ_１がオフすると加熱コイル３０→コンデンサＣ_３→ダイオードＤ_８→加熱コイル３０の経路に電流が転流する。
次に、スイッチング素子Ｓ_２がオンすると、加熱コイル３０に流れている電流が反転してコンデンサＣ_３→加熱コイル３０→スイッチング素子Ｓ_２→コンデンサＣ_３の経路で電流が流れる。更に、スイッチング素子Ｓ_２がオフすると、加熱コイル３０に流れる電流は加熱コイル３０→ダイオードＤ_７→コンデンサＣ_２→加熱コイル３０の経路に転流する。
このようなスイッチングを繰り返すことで、加熱コイル３０に高周波電流を供給し、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の導通比や動作周波数により加熱コイル３０に供給する電力を制御することができる。
【０００５】
ここで、誘導加熱装置の入力電流は、三相ブリッジ整流回路内のダイオードＤ_１〜Ｄ_６を介して流れる。
図４は、各相入力電圧とＲ相入力電流を示している。ここで、例えばＲ相電圧Ｖ_Ｒが他相の電圧Ｖ_Ｓ，Ｖ_Ｔと比較してそれらの中間電圧になる期間Ｔでは、Ｓ相に接続されているダイオードＤ_３またはＤ_４、Ｔ相に接続されているダイオードＤ_５またはＤ_６がオンしているので、Ｒ相には電流を流すことができなくなる。よって、図４に示すようにＲ相電流Ｉ_Ｒは正弦波状にならず歪んだ波形になる。このことは、他の二相についても同様である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来では各相入力電流が歪んで高調波を多く含んだ波形となるため、電源に接続された他の機器に悪影響を与えると共に、高調波規制に関する各種ガイドライン等を満足できない場合も生じていた。
また、図３の主回路では、加熱コイル３０に電力を供給するために、常に三相ブリッジ整流回路内の２つのダイオードと、１つのスイッチング素子に電流が流れるが、これらの半導体素子に流れる電流により電力損失が発生し、加熱装置の効率低下や冷却装置の大型化を招くため、損失を低減するためには電流が通過する半導体素子の数が少ない方が望ましい。
更に、図３の主回路では、交流電圧を整流平滑して直流電圧に変換し、この直流電圧をスイッチング素子及び共振回路の動作によって高周波の交流電流に変換している。しかし、直流電力を蓄えるコンデンサＣ_１は比較的大容量であり、装置の小型化、長寿命化、低コスト化の大きな妨げとなっている。
【０００７】
そこで本発明は、入力電流を高調波の少ない正弦波状に制御すると共に、交流電源から最小限の半導体素子を経て加熱コイルに電流を流すようにして電力損失を低減し、更に、商用周波数の交流電力を直接、高周波の交流電流に変換可能として直流電力の蓄積要素を不要にした誘導加熱装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、半導体スイッチング素子を動作させて加熱コイルに高周波交流電流を供給する誘導加熱装置において、
２個のダイオードからなる第１のダイオード直列回路と、半導体スイッチング素子及びダイオードを逆並列接続したスイッチングアーム２個をそれぞれ直列接続した第１，第２のスイッチングアーム直列回路とを、互いに並列に接続して第１のブリッジ回路を構成し、
２個のダイオードからなる第２のダイオード直列回路と、半導体スイッチング素子及びダイオードを逆並列接続したスイッチングアーム２個をそれぞれ直列接続した第３，第４のスイッチングアーム直列回路とを、互いに並列に接続して第２のブリッジ回路を構成し、
第１，第３のスイッチングアーム直列回路の内部接続点同士を接続すると共に、第２，第４のスイッチングアーム直列回路の内部接続点同士を接続し、
第１のスイッチングアーム直列回路の内部接続点と、第２のスイッチングアーム直列回路の内部接続点との間に、前記加熱コイルとコンデンサとの直列回路を接続し、
三相交流電源の第１の出力端子を第１のダイオード直列回路の内部接続点に、三相交流電源の第２の出力端子を第２のダイオード直列回路の内部接続点に、三相交流電源の第３の出力端子を第１のスイッチングアーム直列回路の内部接続点に、それぞれ接続したものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態にかかる誘導加熱装置の主回路構成を示すものである。同図において、ダイオードＤ_１，Ｄ_２を直列接続した第１のダイオード直列回路には、半導体スイッチング素子Ｓ_１及びダイオードＤ_３を逆並列接続したスイッチングアームと同じくＳ_２及びＤ_４を逆並列接続したスイッチングアームとを直列接続した第１のスイッチングアーム直列回路と、同じくＳ_３及びＤ_５を逆並列接続したスイッチングアームと同じくＳ_４及びＤ_６を逆並列接続したスイッチングアームとを直列接続した第２のスイッチングアーム直列回路とが、互いに並列に接続され、これらによって第１のブリッジ回路Ｂ_１が構成されている。
【００１０】
同様にして、ダイオードＤ_７，Ｄ_８，Ｄ_９，Ｄ_１０，Ｄ_１１，Ｄ_１２及びスイッチング素子Ｓ_５，Ｓ_６，Ｓ_７，Ｓ_８により、第２のブリッジ回路Ｂ_２が構成されており、ダイオードＤ_７，Ｄ_８は第２のダイオード直列回路を構成し、スイッチング素子Ｓ_５，Ｓ_６及びダイオードＤ_９，Ｄ_１０は第３のスイッチングアーム直列回路を構成し、スイッチング素子Ｓ_７，Ｓ_８及びダイオードＤ_１１，Ｄ_１２は第４のスイッチングアーム直列回路を構成している。
【００１１】
前記第１のスイッチングアーム直列回路の内部接続点（スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の相互接続点）は、第３のスイッチングアーム直列回路の内部接続点（スイッチング素子Ｓ_５，Ｓ_６の相互接続点）に接続され、第２のスイッチングアーム直列回路の内部接続点（スイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４の相互接続点）は、第４のスイッチングアーム直列回路の内部接続点（スイッチング素子Ｓ_７，Ｓ_８の相互接続点）に接続されている。
更に、第１のスイッチングアーム直列回路の内部接続点（第１のスイッチングアーム直列回路と第３のスイッチングアーム直列回路との接続点）と、第２のスイッチングアーム直列回路の内部接続点（第２のスイッチングアーム直列回路と第４のスイッチングアーム直列回路との接続点）との間には、加熱コイル３０とコンデンサＣ_１との直列回路が接続されている。
【００１２】
一方、商用周波数の三相交流電源１０のＲ相出力端子（便宜的に第１の出力端子とする）は、リアクトルやコンデンサ等からなるフィルタ２０のフィルタ出力端子Ｒ’を介して第１のダイオード直列回路の内部接続点（ダイオードＤ_１，Ｄ_２の相互接続点）に接続されていると共に、Ｔ相出力端子（便宜的に第２の出力端子とする）はフィルタ出力端子Ｔ’を介して第２のダイオード直列回路の内部接続点（ダイオードＤ_７，Ｄ_８の相互接続点）に接続されている
また、Ｓ相出力端子（便宜的に第３の出力端子とする）はフィルタ出力端子Ｓ’を介して前記加熱コイル３０の一端（第１のスイッチングアーム直列回路の内部接続点あるいは第３のスイッチングアーム直列回路の内部接続点）に接続されている。
【００１３】
次に、この実施形態の動作を、図２を参照しつつ説明する。
例えば、図２においてＳ相電圧Ｖ_ＳよりもＲ相電圧Ｖ_Ｒの方が大きい期間に、ブリッジ回路Ｂ_１内のスイッチング素子Ｓ_３をオンすると、出力端子Ｒ→ダイオードＤ_１→スイッチング素子Ｓ_３→コンデンサＣ_１→加熱コイル３０→出力端子Ｓ→交流電源１０→出力端子Ｒの経路で電流が流れる。次に、スイッチング素子Ｓ_２を予めオン状態にしておいてスイッチング素子Ｓ_３をオフすると、加熱コイル３０に流れる電流は加熱コイル３０→スイッチング素子Ｓ_２→ダイオードＤ_６→コンデンサＣ_１→加熱コイル３０の経路に転流する。その後、コンデンサＣ_１の電圧が上昇すると共に加熱コイル３０に流れる電流は減少し、やがて逆方向に電流が流れはじめる。このときスイッチング素子Ｓ_４をオンしておくと、電流はコンデンサＣ_１→スイッチング素子Ｓ_４→ダイオードＤ_４→加熱コイル３０→コンデンサＣ_１の経路で共振する。
【００１４】
一方、Ｒ相電圧Ｖ_ＲよりもＳ相電圧Ｖ_Ｓの方が高い場合、スイッチング素子Ｓ_４をオンすると、出力端子Ｓ→加熱コイル３０→コンデンサＣ_１→スイッチング素子Ｓ_４→ダイオードＤ_２→出力端子Ｒ→交流電源１０→出力端子Ｓの経路で電流が流れる。次に、スイッチング素子Ｓ_１を予めオン状態にしておいてスイッチング素子Ｓ_４をオフすると、加熱コイル３０に流れる電流は加熱コイル３０→コンデンサＣ_１→ダイオードＤ_５→スイッチング素子Ｓ_１→加熱コイル３０の経路に転流する。更に、コンデンサＣ_１の電圧が上昇すると共に加熱コイル３０に流れる電流は減少し、やがて逆方向に電流が流れはじめる。このときスイッチング素子Ｓ_３をオンしておくと、電流はコンデンサＣ_１→加熱コイル３０→ダイオードＤ_３→スイッチング素子Ｓ_３→コンデンサＣ_１→加熱コイル３０の経路で共振する。
【００１５】
このように、Ｒ相電流Ｉ_Ｒはスイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４のオンオフによって制御可能であり、高調波の少ない波形に制御できると共に、商用周波数の交流電圧を直接、高周波の交流電流に変換して加熱コイル３０に供給することができる。
また、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２に関しては、電源電圧の周波数に同期してＶ_Ｒ＞Ｖ_Ｓの時にスイッチング素子Ｓ_２をオンし、Ｖ_Ｓ＞Ｖ_Ｒの時にスイッチング素子Ｓ_１をオンすればよく、これらのスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の制御も容易である。
【００１６】
Ｔ相電流に関しても、同様にＴ相出力端子Ｔに接続されているブリッジ回路Ｂ_２内のスイッチング素子Ｓ_５〜Ｓ_８を制御することで、高調波の少ない波形にすることができると共に、商用周波数の交流電圧から高周波交流電流を加熱コイル３０に直接、供給することができる。
三相の定義により、二相の電流（ここではＲ相とＴ相）を正弦波状の波形に制御できるため、他の相（ここではＳ相）の電流も正弦波状の波形に制御することが可能である。
【００１７】
また、本実施形態では、交流電圧を直流電圧に変換することなく直接、高周波交流に変換するので、図３の従来技術に比べてブリッジ整流回路や大容量の平滑コンデンサが不要になり、装置の小型化、長寿命化が期待される。
更に、加熱コイル３０を流れる電流が通過する半導体素子数は、常にダイオード１つとスイッチング素子１つとなり、従来技術よりも少なくなる。よって、半導体素子における電力損失の低減によって効率の向上、冷却装置等の簡素化、装置の小型化、低コスト化が可能となる。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、誘導加熱装置の入力電流を高調波の少ない波形に制御することができるので、交流電源に接続された他の機器に悪影響を与えることもなく、高調波規制のガイドライン等も満足させることができる。
また、交流電源から最小限の半導体素子を経て加熱コイルに電流を流すことができるため、電力損失の低減、装置の高効率化が可能であり、冷却装置等の簡素化、低コスト化を図ることができる。
更に、交流電力を直流電力に変換せずに直接、高周波の交流電流に変換することで直流電力の蓄積要素を不要にし、この点でも装置の小型軽量化、低コスト化、長寿命化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図２】図１の動作を示す波形図である。
【図３】従来技術を示す回路図である。
【図４】図３の動作を示す波形図である。
【符号の説明】
１０三相交流電源
２０フィルタ
３０加熱コイル
Ｂ_１，Ｂ_２ブリッジ回路
Ｒ，Ｓ，Ｔ出力端子
Ｒ’，Ｓ’，Ｔ’ フィルタ出力端子
Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，Ｄ_４，Ｄ_５，Ｄ_６，Ｄ_７，Ｄ_８，Ｄ_９，Ｄ_１０，Ｄ_１１，Ｄ_１２ダイオード
Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_５，Ｓ_６，Ｓ_７，Ｓ_８半導体スイッチング素子
Ｃ_１コンデンサ
Ｖ_Ｒ，Ｖ_Ｓ，Ｖ_Ｔ各相入力電圧
Ｉ_ＲＲ相入力電流

Claims

半導体スイッチング素子を動作させて加熱コイルに高周波交流電流を供給する誘導加熱装置において、
２個のダイオードからなる第１のダイオード直列回路と、半導体スイッチング素子及びダイオードを逆並列接続したスイッチングアーム２個をそれぞれ直列接続した第１，第２のスイッチングアーム直列回路とを、互いに並列に接続して第１のブリッジ回路を構成し、
２個のダイオードからなる第２のダイオード直列回路と、半導体スイッチング素子及びダイオードを逆並列接続したスイッチングアーム２個をそれぞれ直列接続した第３，第４のスイッチングアーム直列回路とを、互いに並列に接続して第２のブリッジ回路を構成し、
第１，第３のスイッチングアーム直列回路の内部接続点同士を接続すると共に、第２，第４のスイッチングアーム直列回路の内部接続点同士を接続し、
第１のスイッチングアーム直列回路の内部接続点と、第２のスイッチングアーム直列回路の内部接続点との間に、前記加熱コイルとコンデンサとの直列回路を接続し、
三相交流電源の第１の出力端子を第１のダイオード直列回路の内部接続点に、三相交流電源の第２の出力端子を第２のダイオード直列回路の内部接続点に、三相交流電源の第３の出力端子を第１のスイッチングアーム直列回路の内部接続点に、それぞれ接続したことを特徴とする誘導加熱装置。