JP4967493B2

JP4967493B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP4967493B2
Application number: JP2006195509A
Authority: JP
Inventors: 道雄玉手; 敏明白木
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: JP2008027605A

Description

本発明は、一般家庭やレストランなどで使用される誘導加熱調理器や金属溶解、シームレス溶接などに使用される誘導加熱装置に関し、詳しくは、半導体スイッチング素子を用いて交流電源から高周波交流電圧を作り出すインバータを備えた誘導加熱装置に関するものである。

図３は、従来の誘導加熱装置の主回路構成図である。図３において、１０は単相交流電源、２０はダイオードブリッジからなる全波整流回路、３０は直流電圧変換手段としての降圧チョッパ、４０は直流中間コンデンサ、５０はインバータ、６０は加熱コイルである。

前記降圧チョッパ３０は、電解コンデンサ３１、半導体スイッチング素子３２，３３及びリアクトル３４から構成され、また、前記インバータ５０は、共振用のコンデンサ５１，５２及び半導体スイッチング素子５３，５４から構成されており、コンデンサ５１，５２同士の接続点とスイッチング素子５３，５４同士の接続点との間に加熱コイル６０が接続されている。
ここで、電解コンデンサ３１の電圧をＶ_ｄｃ１、直流中間コンデンサ４０の電圧をＶ_ｄｃ２とする。

この誘導加熱装置では、全波整流回路２０により電源１０の交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧を降圧チョッパ３０により所定の大きさの直流中間電圧に降圧してインバータ５０に印加している。インバータ５０は、スイッチング素子５３，５４のオンオフによりコンデンサ５１，５２及び加熱コイル６０を共振させるハーフブリッジ形共振インバータとして動作し、これによって加熱コイル６０に高周波交流電流が供給される。加熱コイル６０の近傍には被加熱物（図示せず）が配置されており、高周波誘導加熱の原理によって被加熱物が加熱されることになる。
なお、上記のように交流電圧を整流平滑して得た直流電圧を降圧チョッパにより降圧し、その直流電圧をインバータにより高周波交流電圧に変換して負荷に印加する構成は、例えば特許文献１に係る調光装置により公知となっている。

さて、誘導加熱装置用のインバータでは、一般に定格動作周波数の最低周波数、オンデューティ（通流率）０．５、負荷力率１で動作させるときに最も効率良く被加熱物を加熱することができる。
しかし、仮に図３に示したような降圧チョッパ３０を有しない誘導加熱装置では、インバータ５０の入力電圧となる直流中間電圧は全波整流回路２０の出力電圧のみに依存するので制御することができない。このとき、特にインバータ５０の入力電圧に対して出力電力が小さい場合には、インバータ５０の入力電力を出力電力に応じて低減させることが難しく、力率１の動作が困難になって効率の大幅な低下を招く。

そこで、図３に示したように誘導加熱装置の直流回路に降圧チョッパ３０を介在させ、その降圧動作により、全波整流回路２０の出力電圧Ｖ_ｄｃ１をインバータ５０が高効率で動作可能な電圧Ｖ_ｄｃ２に変換している。
このようにインバータ５０の出力電力に応じてその入力電圧（降圧チョッパ３０の出力電圧）Ｖ_ｄｃ２を制御することで、インバータ５０を常に高効率で動作させることが可能となり、結果として、装置全体の効率向上を可能にしている。

一方、複数台のインバータを備えた誘導加熱装置として、図４、図５に示す構成例が考えられる。
ここで、図４は、特許文献２に記載された放電灯点灯装置の回路構成を誘導加熱装置に転用した例に相当しており、５０Ａ，５０Ｂは直流中間コンデンサ４０の両端に互いに並列接続されたインバータ、６０Ａ，６０Ｂは各インバータ５０Ａ，５０Ｂにそれぞれ接続された加熱コイルを示している。
なお、図４における他の構成要素については図３と同一の参照符号を付してあるが、例えば図４の降圧チョッパ３０等の具体的な回路構成が図３と同一であることを必ずしも意味してはいない。

また、図５に示す誘導加熱装置は、特許文献３に記載された誘導加熱電源のように、全波整流回路２０の出力側の直流中間コンデンサ４０の両端に、降圧チョッパ３０Ａ、インバータ５０Ａ及び加熱コイル６０Ａの直列回路と、降圧チョッパ３０Ｂ、インバータ５０Ｂ及び加熱コイル６０Ｂの直列回路とを互いに並列接続したものである。
この図５においても、一部のブロックについて図４と同一の参照符号を付してあるが、例えば図５のインバータ５０Ａ，５０Ｂの具体的な回路構成が図４と同一であることを必ずしも意味してはいない。

特開平７−２０１４６９号公報（段落［０００６］、図２等）特開平５−２９９１８３号公報（段落［０００７］〜［０００９］、図１等）特開２００１−２９８９５６号公報（段落［００１０］、図１等）

前述した図４の誘導加熱装置では、降圧チョッパ３０が単一で済むため図５に比べて構成が簡略化される利点があるが、単一の降圧チョッパ３０により得られる直流中間電圧を用いて、複数台のインバータ５０Ａ，５０Ｂ（更に多数の場合もある）の全てを最適な負荷状態で動作させることは難しい。
これに対し、図５の誘導加熱装置では、各降圧チョッパ３０Ａ，３０Ｂによって所定の直流中間電圧を得ることにより、それぞれ対応するインバータ５０Ａ，５０Ｂを最適な負荷状態で動作させることが可能であるが、降圧チョッパがインバータと同じ数だけ必要になるため、装置全体が大形化し、重量やコストの増加を招くという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、簡易な回路構成により、インバータの出力電力に応じてその直流入力電圧を低下させ、インバータを高効率で動作させ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、請求項１に記載した発明は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、このインバータの交流側に接続された加熱コイルとを有する誘導加熱装置において、
第１，第２のダイオードが直列接続されたダイオード直列回路と、
第１，第２のダイオード同士の接続点に一端が接続された単相交流電源と、
第１のダイオード及び前記単相交流電源と直列に接続されて閉回路を構成する第１のコンデンサと、
第２のダイオード及び前記単相交流電源と直列に接続されて閉回路を構成する第２のコンデンサと、
第１のコンデンサが直流中間コンデンサとして直流側に接続された少なくとも１台のインバータと、
第２のコンデンサが直流中間コンデンサとして直流側に接続された少なくとも１台のインバータと、を備えたものである。

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、前記インバータをハーフブリッジ形共振インバータにより構成したものである。

本発明によれば、降圧チョッパを用いずに電源電圧を見かけ上、低下させてインバータの出力電力に応じた直流入力電圧を得ることができ、インバータを効率の良い条件で動作させることが可能になる。また、降圧チョッパを不要にして回路構成の簡略化、装置全体の低価格化を図ることができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す主回路構成図であり、請求項１，２に係る発明の実施形態に相当する。
図１において、単相交流電源１０の一端はダイオード直列回路２１を構成する第１，第２のダイオード２１Ａ，２１Ｂ同士の接続点に接続され、単相交流電源１０の他端は、直列接続された第１，第２の直流中間コンデンサ４１Ａ，４１Ｂ同士の接続点に接続されている。また、前記ダイオード直列回路２１と直流中間コンデンサ４１Ａ，４１Ｂの直列回路とは並列に接続されており、言い換えれば、単相交流電源１０と第１のダイオード２１Ａと第１のコンデンサ４１Ａとが直列に接続されて閉回路を構成し、単相交流電源１０と第２のダイオード２１Ｂと第２のコンデンサ４１Ｂとが直列に接続されて閉回路を構成している。

前記コンデンサ４１Ａ，４１Ｂの両端には第１，第２のインバータ５０Ａ，５０Ｂの直流側がそれぞれ接続されている。これらのインバータ５０Ａ，５０Ｂは、図３と同様に最も一般的なハーフブリッジ形共振インバータにより構成されているが、勿論、他の回路によってインバータを構成しても良い。

インバータ５０Ａは、前記コンデンサ４１Ａと並列接続された共振用のコンデンサ５１Ａ，５２Ａの直列回路と、この直列回路に並列接続された半導体スイッチング素子５３Ａ，５４Ａの直列回路とからなり、コンデンサ５１Ａ，５２Ａ同士の接続点とスイッチング素子５３Ａ，５４Ａ同士の接続点との間に第１の加熱コイル６０Ａが接続されている。
同様にしてインバータ５０Ｂは、前記コンデンサ４１Ｂと並列接続された共振用のコンデンサ５１Ｂ，５２Ｂの直列回路と、この直列回路に並列接続された半導体スイッチング素子５３Ｂ，５４Ｂの直列回路とからなり、コンデンサ５１Ｂ，５２Ｂ同士の接続点とスイッチング素子５３Ｂ，５４Ｂ同士の接続点との間に第２の加熱コイル６０Ｂが接続されている。

上記構成において、電源１０、ダイオード２１Ａ及びコンデンサ４１Ａからなる閉回路と、電源１０、ダイオード２１Ｂ及びコンデンサ４１Ｂからなる閉回路とは、何れも半波整流回路を構成している。従って、インバータ５０Ａ，５０Ｂの直流側に接続されているコンデンサ４１Ａ，４１Ｂに印加される直流電圧の平均値は、電源電圧を全波整流した場合の１／２に低減される。

このため、図３〜図５に示したような降圧チョッパを用いずにインバータ５０Ａ，５０Ｂの直流入力電圧を低減して出力電力に応じた入力電力を得ることができ、インバータ５０Ａ，５０Ｂを定格動作周波数の最低周波数、オンデューティ０．５、負荷力率１という条件で高効率に動作させる設計が可能になる。
また、この実施形態によれば、交流電源電圧の正側半波、負側半波が降圧チョッパを介さずに各インバータ５０Ａ，５０Ｂに個別に供給されるので、装置の簡略化が図れるだけでなく、インバータ出力の負荷が等しい場合には、電源電流の不平衡も抑制することができる。

次に、図２は本発明の参考形態を示す主回路構成図である。
第１実施形態においては、各インバータ５０Ａ，５０Ｂに対して電源電圧の半波ごとに電力供給可能期間と電力供給不可能期間とが交互に存在する。従って、図示されていない被加熱物への加熱動作が断続的になって温度制御性能が悪化する恐れがある。
これを回避するために直流中間コンデンサ４１Ａ，４１Ｂの静電容量を大きくすると、電源１０からの入力電流波形が尖鋭状となり、入力電流ひずみ率が大幅に悪化してしまう。
図２に示す参考形態は、上記の問題を解決するものである。

図２において、１０Ｚは、直列接続された第１，第２の単相交流電源１０Ａ，１０Ｂを有し、かつ両電源１０Ａ，１０Ｂ同士の接続点を内部接続点Ｅとする単相三線式配電系統である。この配電系統１０Ｚを構成する前記交流電源１０Ａ，１０Ｂの各両端が、第１，第２の全波整流回路２０Ａ，２０Ｂの交流側にそれぞれ接続されている。なお、２２Ａ，２２Ｂはダイオードである。
そして、全波整流回路２０Ａ，２０Ｂの直流側は、直流中間コンデンサ４１Ａ，４１Ｂを介してインバータ５０Ａ，５０Ｂの直流側にそれぞれ接続されている。
第１実施形態と同様に、インバータ５０Ａ，５０Ｂの構成は図示例に何ら限定されるものではない。

上記構成において、単相交流電源１０Ａ，１０Ｂの電圧を何れもＶ_Ｓとすると、単相三線式配電系統１０Ｚの両端電圧（２Ｖ_Ｓ）に対してその１／２である電圧Ｖ_Ｓが全波整流回路２０Ａ，２０Ｂの交流側に印加されることになり、コンデンサ４１Ａ，４１Ｂへの印加電圧は何れもＶ_Ｓを整流平滑した値となる。
すなわち、図３〜図５に示したような降圧チョッパを用いずに、単相三線式配電系統１０Ｚの両端電圧（２Ｖ_Ｓ）よりも低い電圧を各インバータ５０Ａ，５０Ｂの直流入力電圧として得ることができ、第１実施形態と同様にインバータ５０Ａ，５０Ｂを高効率に動作させる設計が可能になる。

また、この参考形態では、内部接続点Ｅを基準とした単相交流電源１０Ａ，１０Ｂの各一端の電圧が電源半周期ごとに交互に全波整流回路２０Ａ，２０Ｂへ印加されるため、コンデンサ４１Ａ，４１Ｂの電圧は単相交流電源１０Ａ，１０Ｂの周波数の２倍周期で脈動する直流電圧となる。従って、第１実施形態のようにインバータ５０Ａ，５０Ｂへ直流電力を供給できない期間がなくなり、被加熱物への継続的な加熱を可能にして温度制御性能を向上させることができる。また、直流中間コンデンサ４１Ａ，４１Ｂとして比較的小容量のフィルムコンデンサ等を使用すれば、入力電流ひずみ率も改善可能である。
更に、単相三線式配電系統１０Ｚの内部接続点Ｅに積極的に電流を流して複数のインバータ５０Ａ，５０Ｂに電力を供給することにより、個々のインバータにそれぞれ個別の単相交流電源から電力を供給する場合に比べて、配線量の減少による小形化、装置全体の一体化、低価格化を達成することができる。

なお、上述した各形態において、直流中間コンデンサ４１Ａ，４１Ｂに接続されるインバータは、それぞれ複数台であっても良い。

本発明の第１実施形態を示す主回路構成図である。本発明の参考形態を示す主回路構成図である。背景技術を示す主回路構成図である。背景技術を示す主回路構成図である。背景技術を示す主回路構成図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ：単相交流電源
１０Ｚ：単相三線式配電系統
２０Ａ，２０Ｂ：全波整流回路
２１：ダイオード直列回路
２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ：ダイオード
４１Ａ，４１Ｂ，５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ：コンデンサ
５０Ａ，５０Ｂ：インバータ
５３Ａ，５３Ｂ，５４Ａ，５４Ｂ：半導体スイッチング素子
６０Ａ，６０Ｂ：加熱コイル

Claims

直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、このインバータの交流側に接続された加熱コイルとを有する誘導加熱装置において、
第１，第２のダイオードが直列接続されたダイオード直列回路と、
第１，第２のダイオード同士の接続点に一端が接続された単相交流電源と、
第１のダイオード及び前記単相交流電源と直列に接続されて閉回路を構成する第１のコンデンサと、
第２のダイオード及び前記単相交流電源と直列に接続されて閉回路を構成する第２のコンデンサと、
第１のコンデンサが直流中間コンデンサとして直流側に接続された少なくとも１台のインバータと、
第２のコンデンサが直流中間コンデンサとして直流側に接続された少なくとも１台のインバータと、
を備えた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、
前記インバータをハーフブリッジ形共振インバータにより構成したことを特徴とする誘導加熱装置。