JP4431346B2 - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Description

本発明は、加熱コイルを用いて金属負荷（鍋）を加熱する誘導加熱調理器の電力制御方法に関するものである。

誘導加熱調理器は、高周波電流を流す加熱コイルの近傍に配した金属負荷（鍋）に渦電流を発生させ、そのジュール熱によって負荷自体が自己発熱することで、効率よく加熱するものである。

近年、ガスコンロや電熱ヒータによる調理器具に対して、安全性や温度制御性に優れた点が評価され、この誘導加熱調理器への置き換えが進んでいる。

この誘導加熱調理器に高周波電流を流すための電源は、いわゆる共振型インバータと呼ばれ、金属負荷を含めた加熱コイルのインダクタンスと共振コンデンサを接続し、スイッチング素子を２０〜４０ｋＨｚ程度の周波数でオンオフする構成が一般的である。また、共振型インバータには電圧共振型と電流共振型があり、前者は１００Ｖ電源、後者は２００Ｖ電源用として適用されることが多い。

この誘導加熱調理器は、当初は鉄などの磁性金属のみが加熱できるだけであったが、近年は非磁性ステンレスなども加熱できるようになってきている。さらに、加熱できないとされてきたアルミニウム負荷を加熱できるような構成のものも提案されている。

前記共振型インバータを使用した誘導加熱調理器においては、金属負荷と加熱コイルで決まるインダクタンス（等価インダクタンス）が含まれており、さらに発熱に寄与する抵抗分（等価抵抗）が発熱しやすさに影響する。つまり、磁性金属（鉄や磁性ステンレスなど）では電力を投入しやすく、非磁性金属（非磁性ステンレスやアルミ、銅など）は電力を投入しにくいものである。これは、後者が等価抵抗が低く、負荷金属部に誘起する渦電流がジュール熱となりにくいためである。

この対策として、従来は加熱コイルの巻き数を増加させたり、インバータ電流の周波数を高くすることにより非磁性金属負荷の加熱を可能なものにしている。

実際の電力制御については、アルミニウムや非磁性金属負荷と加熱コイル間に発生する反発力によって、加熱動作中に状態が変化することに対応した制御が提案されている。

例えば、特許文献１では、インバータ回路の駆動電圧の位相と共振コンデンサ電圧との位相差を設定するように動作させ、周波数が変化したことから負荷の移動を検出するようにしている。

特開平１１−１８５９４８号公報

しかしながら、上記従来例においては下記の課題が存在する。

つまり、電力を制御するための操作パラメータを変化させたときに、位相差が変化する要因が複数存在するために、非磁性金属負荷の加熱動作中の状態変化が例えば、入力電力を増大したために生じる鍋の浮上なのか、又は使用者が鍋を移動させたからなのか判別しにくいという問題がある。

その結果、鍋が浮上すると、位相差が変化すると同時に入力電力も低く変化するため、より電力を高くしようとする制御が行われ、発生する磁束が増加し、さらに鍋が浮上してしまうという悪循環になり、最終的にはインバータ回路の部品に過負荷が発生し、過熱や故障の原因となる。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１では、加熱コイルに高周波電流を流すインバータ手段と、前記インバータ手段を構成するスイッチング素子の駆動信号出力手段と、前記インバータ手段に直流電圧を供給する電源電圧可変型直流電源手段と、前記駆動信号出力手段の動作周波数を設定する周波数設定手段と、前記電源電圧可変型直流電源手段の電源電圧出力を設定する電圧設定手段と、前記駆動信号出力手段の駆動信号に対するインバータ電流の位相差を検出する位相差検出手段と、負荷の状態を検出する負荷検知手段と、電力制御を行う制御手段とを有し、前記制御手段は、前記位相差検出手段からの入力により目標の位相差となるように前記周波数設定手段を制御し、前記負荷検知手段からの入力により前記電圧設定手段を制御して負荷の状態が目標の出力となるように制御を行い、前記周波数設定手段の動作周波数を一定にした状態で、前記位相差検知手段により位相差の変化を検知したときは負荷の移動と検出するようにしたものである。

本発明の請求項１によれば、アルミニウムや非磁性金属負荷と加熱コイル間に発生する反発力による浮上や移動を高精度で検知できるようになる。

同時に、インバータ電流をスイッチング素子に対して最適な位相差で駆動するようにしているため、スイッチング素子の損失を低く抑えることができるという利点を有するものである。

これらの点から、非磁性金属負荷の移動などを最小限に抑えることができ、安全性が高まると同時に、回路損失が低下するので冷却にかかるコストを低減することができるので使い勝手の良い誘導加熱調理器を提供することができるものである。

以下、本発明の実施例について図面をもとに説明する。

図１は本発明の実施例を示す要部ブロック図である。

交流電源１は、電源電圧可変型直流電源手段２により出力電圧可変の直流電圧に変換される。電源電圧可変型直流電源手段２の出力にはスイッチング素子３、４及び加熱コイル５、共振コンデンサ６で構成されるインバータ手段１４が接続されている。

電圧設定手段８は、制御手段７の指示値により電源電圧可変型直流電源手段２の出力電圧を設定する信号を出力する。周波数設定手段９は制御手段７の指示値により駆動信号出力手段１５を介してスイッチング素子３、４を駆動するための駆動パルスを生成し、駆動信号出力手段１５によりスイッチング素子３、４を駆動する。スイッチング素子３、４を交互に駆動することにより加熱コイル５と共振コンデンサ６で構成する共振回路１３に高周波電流を流し、加熱コイル５の近傍にある負荷（鍋等）を誘導加熱する。

インバータ電流検出手段１０は、前記高周波電流を検出する電流センサである。位相差検出手段１１は前記周波数設定手段９とインバータ電流検出手段１０の信号から駆動信号に対するインバータ電流の位相差を検出し、制御手段７に出力する。

負荷検知手段１２は、交流電源１の電圧や電流及びインバータ電流検出手段１０の信号から負荷の状態を検出し、制御手段７に出力する。

図２は電源電圧可変型直流電源手段２の構成例である。

整流部２１で交流電源を内部の整流素子により直流に変換する。また、昇圧部２２において、前記直流電圧出力をチョークコイル２４に接続し、スイッチング素子２５を任意の周期又はデューティでオン、オフすることにより、逆流防止ダイオード２６を経て平滑コンデンサ２７に入力電圧よりも高い出力電圧を供給する。

さらに、降圧部２３では前記昇圧出力電圧をスイッチング素子２８で任意の周期又はデューティでオン、オフすることにより還流ダイオード２９とチョークコイル３０及び平滑コンデンサ３１によって入力電圧よりも低い出力電圧を得る。

この構成によれば、電圧設定手段８からの出力信号によって、交流電源から任意の出力電圧を得ることができる。

また、本構成例のほかに、スイッチング素子１つの昇降圧直流電源でも実用化できる。

図３及び図４は電力制御方法の一例を示したものである。

図３において、スイッチング素子３及び４の駆動信号はそれぞれ上ＧＡＴＥ、下ＧＡＴＥであり、インバータ電流がそのゲート駆動信号の周期により変化する。

インバータ手段１４への供給電圧が一定ならば、駆動周波数が加熱コイル５と共振コンデンサ６及び近傍におかれた負荷で決まる共振周波数に近くなるほどインバータ電流は大きくなり、入力電力も高くなる。

又、共振周波数に近いとインバータ電流のゼロクロス点とスイッチング素子３、４のオン、オフタイミングが近くなるため、その時点のスイッチング損失が減少するという利点がある。

従って、周期Ｔ１でスイッチング素子３、４を駆動するよりも周期Ｔ２で駆動した方がより大きな電力を得ることができ、スイッチング損失も低く抑えることができる。

図４は上記の点に鑑み、適切な駆動周波数設定による電力制御方法を示したものである。この例では、駆動周期を共振周波数に近いＴ３とし、インバータ手段１４に供給する電源電圧を変化させることによりインバータ電流を増減する。

これにより、入力電力を可変することができ、さらにはスイッチング損失を低く抑えることが可能となる。

なお、通常、加熱コイル５、共振コンデンサ６及び抵抗で構成される共振回路１３に印加される正弦波電圧に対する電流の位相については、
θ＝−ｔａｎ ^-1 （Ｘ／Ｒ） （Ｘ＝ωＬ−１／ωＣ） ・・（式１）
となる。

ハーフブリッジ構成の誘導加熱用インバータ手段１４においては、インバータ電流が遅れ位相となる領域で通電制御を行う。このとき、位相差θがゼロに近い所定のタイミングでスイッチング素子３、４の駆動を行うと、転流時のスイッチング損失を低減できることがわかっている。従って、この領域を積極的に利用することによりスイッチング素子３、４の発熱を抑え、冷却手段を簡略化できる。

図５は駆動周波数と駆動信号とインバータ電流の位相差の動作波形例である。

（Ａ）は周波数設定手段９の出力とインバータ電流の位相差が最適な状態で動作中の波形例である。駆動出力の立ち上がりに対して、インバータ電流はθａの遅れを有している。

同様に、（Ｂ）は位相差が大きくなった場合の動作波形例であり、インバータ電流はθｂの遅れを有している。

（Ｃ）は位相差が小さくなった場合の動作波形例であり、インバータ電流はθｃの遅れを有しているが、ほぼゼロである。

従って、位相差検出手段１１は上記の動作波形に対して、位相差に応じた出力を行う。また、（Ｃ）のような位相が逆転する状態に近づかないように、所定の位相差で制限する。

図５のような変化は、式１で明らかなように、駆動周波数設定と負荷の状態によって位相差が変化することを表している。つまり、どちらか一方が変化すれば位相差が変化するのであるから、駆動周波数設定を変化させた場合、又は負荷の状態が変化した場合の位相差の変化は予測可能である。逆に、その両方が変化した場合は予測不可能であることを示している。

アルミニウムや非磁性金属の鍋では、投入する電力が大きくなるほど加熱コイル５と鍋の間に生じる反発力が大きくなり、鍋が浮き上がったり移動したりする。この現象が発生すると、スイッチング素子３、４の駆動状態が固定されている場合、つまり駆動周波数が一定であれば、鍋の移動によるインバータ負荷としての等価インダクタンスが変化するので、式１から位相差が変化するので検出することができる。

上記のことから明らかなように、駆動周波数を変更する場合は位相差が変化するので、同時に負荷の移動を検知するのは困難である。

電力を制御する方法として、駆動周波数を変更する場合と電源電圧を変更する場合があるが、前者を最小限にとどめることが重要となる。

従って、本発明においては、電力を制御する場合、特に、電力を増大する場合には駆動周波数と電源電圧を同時に電力増大方向への変化を禁止し、どちらか一方のみの操作を行うものとする。

詳しくは、制御手段７は所定の時間間隔の処理において、周波数設定及び電圧設定手段８の操作を同時に電力増大方向には行わないこととする。

周波数設定に対する操作は、負荷の状態が一定とは限らない（使用者によって鍋を動かす場合があるため）ので、所定の期間ごとに最適状態を検出しなければならない。

図６は、制御手段７が操作する電源の電圧設定手段８と周波数設定手段９の組み合わせである。

図において、横方向は電圧設定手段８の制御方向であり、電力減少操作を０、操作無しを１、電力増加操作を２とする。縦方向は周波数設定手段９の制御方向であり、周波数高周波化操作（位相差大方向）をＡ、操作無しをＢ、周波数低周波化（位相差小方向）をＣとする。

従って、操作の組み合わせはそれぞれ３通りとなり、９通りの組み合わせとなる。

それぞれの組み合わせと、その制御内容は以下の通りとなる。

Ａ０：電力急降下制御 （駆動周波数が高くなり、インバータ電流が低下するとともに電源電圧が低下するため、通常の電力制御に対して急激に電力が低下する。（異常発生時等の操作）
Ａ１：位相差確保制御 （位相差が所定の差よりも小さくなった場合の補正）
Ａ２：位相差確保制御 （Ａ１に対して電力を一定に保つ制御を加えたもの。駆動周波数が高くなるとインバータ電流が低下し電力が低くなるため、電源電圧を上昇させて補正する）
Ｂ０：電力低下制御 （電源電圧を下げて電力を低くする）
Ｂ１：維持制御 （現在の状態を維持する）
Ｂ２：電力増加制御 （電源電圧を上げて電力を高くする）
Ｃ０：位相差減少制御 （駆動周波数を下げて位相差を小さくなるよう補正すると同時に電源電圧を下げて電力が増大するのを補正する。「駆動周波数を下げて共振周波数に近づくとインバータ電流が増加し電力が高くなるため」）
Ｃ１：位相差減少制御 （Ｃ０に対して電源電圧の補正をしない制御。初期段階の最適周波数を検索する場合など）
Ｃ２：組み合わせ禁止 （同時に行うと急激にインバータ電流が増加し電力が増大する）
これらの組み合わせの内、Ａを含む場合は位相差が大きくなる変化を起こし、Ｃを含む場合は位相差が小さくなる変化を起こす。つまり、これらの組み合わせでは、負荷の等価インダクタンスの変化が同時に発生すると、それが検出できない可能性を含んでいることを示す。従って、通常は電力の低い場合に行うことが優先される。

電力が増大していくと、負荷の移動が発生するおそれがあるため、極力位相差が変化しない操作を行うことが望ましい。つまり、Ｂの組み合わせで電力制御を行う割合を増やすことで負荷移動の発生を検知しやすくなる。

通常、誘導加熱調理器の制御手段としては、マイクロコンピュータ等が使用される。所定の時間間隔で電力制御プログラム部が実行されるようになっていることが多い。負荷の状態や入力電力、位相差などの情報を入力し、演算処理によって電力制御を行うそれぞれの制御部に指令を発生する。

本発明においては、所定の時間間隔で前記の組み合わせを各設定手段に出力する。さらには、所定の時間間隔を交流電源周波数に同期させる。

これにより、電力制御を行う際に必要な電源電圧や電流等が交流電源に同期して入力できるため、精度の高い検出が可能となる。また、交流電源のゼロクロス点などに合わせて操作状態を変更することにより、変更に伴う電圧や電流の変化を最小限に抑えることが可能になる。

本発明の一実施例の要部ブロック図である。 本発明の直流電源手段の構成例を示す図である。 本発明の電力制御方法の一例を示す図である。 本発明の電力制御方法の他の例を示す図である。 本発明の駆動信号とインバータ電流の位相状態を示す図である。 本発明の電力制御設定の組み合わせを示す図である。

符号の説明

２ 電源電圧可変型直流電源手段
３ スイッチング素子
４ スイッチング素子
５ 加熱コイル
６ 共振コンデンサ
７ 制御手段
８ 電圧設定手段
９ 周波数設定手段
１０ インバータ電流検出手段
１１ 位相差検出手段
１２ 負荷検知手段
１３ 共振回路
１４ インバータ手段
１５ 駆動信号出力手段

Claims (1)

1. 加熱コイルに高周波電流を流すインバータ手段と、前記インバータ手段を構成するスイッチング素子の駆動信号出力手段と、前記インバータ手段に直流電圧を供給する電源電圧可変型直流電源手段と、前記駆動信号出力手段の動作周波数を設定する周波数設定手段と、前記電源電圧可変型直流電源手段の電源電圧出力を設定する電圧設定手段と、前記駆動信号出力手段の駆動信号に対するインバータ電流の位相差を検出する位相差検出手段と、負荷の状態を検出する負荷検知手段と、電力制御を行う制御手段とを有し、前記制御手段は、前記位相差検出手段からの入力により目標の位相差となるように前記周波数設定手段を制御し、前記負荷検知手段からの入力により前記電圧設定手段を制御して負荷の状態が目標の出力となるように制御を行い、前記周波数設定手段の動作周波数を一定にした状態で、前記位相差検知手段により位相差の変化を検知したときは負荷の移動と検出することを特徴とする誘導加熱調理器。

Images