JP4992818B2 - Induction heating device - Google Patents
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Description
本発明は、一般家庭やオフィス、レストラン、工場などで使用される誘導加熱装置に関するものである。 The present invention relates to an induction heating device used in general homes, offices, restaurants, factories and the like.
従来、この種の誘導加熱装置は、アルミニウムなどの低抵抗、低透磁率の被加熱物や鉄系の被加熱物を加熱する際、第1の共振コンデンサと第2の共振コンデンサとの接続を切り換え手段で切り換えるようにしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、前記従来の構成では、アルミニウムなどの低抵抗、低透磁率の被加熱物であった場合に使用する第1の共振コンデンサに加えて、鉄系の被加熱物であった場合には第2の共振コンデンサを並列に接続するよう切り換え手段が動作する。 However, in the conventional configuration, in addition to the first resonant capacitor used when the object is a low resistance, low magnetic permeability object such as aluminum, the first structure is used when the object is an iron type object. The switching means operates to connect the two resonant capacitors in parallel.
第1の共振コンデンサには高電圧が印加されており、第2の共振コンデンサを回路から切断するべく出力で開放された切替手段にも同等の高電圧が印加されている。切替手段の内部には電極が備え付けられており、その電極の短絡/開放によってコンデンサ切り替えを行うものであるが、高電圧に対する絶縁距離と、確実に電極を短絡できる機械的距離とを両立させなければならない。 A high voltage is applied to the first resonant capacitor, and an equivalent high voltage is also applied to the switching means opened at the output to disconnect the second resonant capacitor from the circuit. An electrode is provided inside the switching means, and the capacitor is switched by short-circuiting / opening the electrode. However, both the insulation distance against high voltage and the mechanical distance that can reliably short-circuit the electrode must be achieved. I must.
また、切り替え手段の外殻や電極固定部は一般的に樹脂で構成されているが、この樹脂も高電圧に対して十分な耐圧性能を有していなければ、電極間の空間ではなく、電極−外殻樹脂−電極の経路で放電、短絡するという課題を有していた。 In addition, the outer shell and electrode fixing part of the switching means are generally made of resin, but if this resin does not have sufficient pressure resistance against high voltage, it is not the space between the electrodes, -It had the subject of discharge and a short circuit in the path | route of outer shell resin-electrode.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、切替手段での放電等の異常現象を検知し、すぐさまインバータの停止し、安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide an induction heating device that detects an abnormal phenomenon such as a discharge in a switching means and immediately stops the inverter, and is safe and reliable. .
前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は、高周波磁界を発生し被加熱物を加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共振する第1の共振コンデンサと、第1の共振コンデンサを直列並びに並列接続で構成する複数のコンデンサと、複数のコンデンサに、切替手段および切替手段と直列に接続された第2の共振コンデンサの直列体とを並列接続し、被加熱物の材質を鉄系と判別した場合、第1、第2の共振コンデンサの合成容量が大きくなるよう切替手段の出力を短絡とする制御を行い、切替手段と第2の共振コンデンサとの接続点に接続された共振電圧検知手段の出力値が所定の値を超えた場合に、インバータの停止を行うものである。
In order to solve the conventional problems, an induction heating apparatus according to the present invention includes a heating coil that generates a high-frequency magnetic field and heats an object to be heated, a first resonance capacitor that resonates with the heating coil, and a first resonance. a plurality of capacitors constituting the capacitor in series and parallel connection, a plurality of capacitors, and a series connection body connected in parallel of the second resonant capacitor connected in series with the switching means and the switching means, the material of the object to be heated When it is discriminated as an iron-based one, the output of the switching means is controlled to be short-circuited so that the combined capacity of the first and second resonant capacitors is increased, and connected to the connection point between the switching means and the second resonant capacitor. When the output value of the resonance voltage detecting means exceeds a predetermined value, the inverter is stopped.
これによって、切替手段での放電等の異常現象時において、共振電圧検知手段により、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。 As a result, in the event of an abnormal phenomenon such as discharge in the switching means, it is possible to provide a safer and more reliable induction heating device by immediately stopping the inverter by the resonance voltage detecting means.
本発明の誘導加熱装置は、切替手段での放電等の異常現象を検知し、すぐさまインバータの停止し、安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することができる。 The induction heating device of the present invention can detect an abnormal phenomenon such as a discharge in the switching means, immediately stop the inverter, and provide a safe and highly reliable induction heating device.
第1の発明は、高周波磁界を発生し被加熱物を加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共振する第1の共振コンデンサと、前記第1の共振コンデンサを直列並びに並列接続で構成する複数のコンデンサと、前記第1の共振コンデンサに並列接続され、前記加熱コイルと前記第1の共振コンデンサとの接続点側に接続された短絡/開放を切り替える切替手段および前記切替手段と直列に接続された第2の共振コンデンサの直列体と、前記加熱コイルに高周波共振電流を供給するインバータと、前記切替手段の制御および前記インバータの出力制御を行う制御手段と、前記インバータの出力の大きさを検知して前記制御手段へ検知信号を出力するインバータ出力検知手段と、前記切替手段と前記第2の共振コンデンサとの接続点に接続され共振の電圧値を検出する共振電圧検知手段とを備え、前記制御手段は、前記インバータ出力検知手段の出力信号に基づいて前記被加熱物の材質を低抵抗非磁性金属と判別した場合、前記第1、第2の共振コンデンサの合成容量が小さくなるよう前記切替手段の出力を開放とする制御を行い、その他の材質と判別した場合、前記第1、第2の共振コンデンサの合成容量が大きくなるよう前記切替手段の出力を短絡とする制御を行い、前記切替手段の開放状態において、前記共振電圧検知手段の出力値が所定の値を超えた場合に、前記インバータの停止を行うことにより、切替手段での放電等の異常現象時において、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a heating coil that generates a high-frequency magnetic field and heats an object to be heated, a first resonance capacitor that resonates with the heating coil, and a plurality of first and second resonance capacitors that are connected in series and in parallel. and a capacitor connected in parallel to said first resonance capacitor, connected the switching means switches the connected short / open the connection point side of the heating coil and the first resonant capacitor and to said switching means and in series A series body of a second resonance capacitor, an inverter for supplying a high-frequency resonance current to the heating coil, a control means for controlling the switching means and controlling the output of the inverter, and detecting the magnitude of the output of the inverter wherein the control means and the inverter output detecting means for outputting a detection signal, is connected to the connection point between the switching means second resonant capacitor resonant Te Resonance voltage detection means for detecting a voltage value, and when the control means determines that the material of the object to be heated is a low-resistance nonmagnetic metal based on an output signal of the inverter output detection means, the first, When the output of the switching means is controlled to be open so that the combined capacity of the second resonant capacitor is reduced, and the material is determined as another material, the combined capacity of the first and second resonant capacitors is increased. When the output of the switching means is controlled to be short-circuited and the output value of the resonance voltage detecting means exceeds a predetermined value in the open state of the switching means, the switching means is stopped by stopping the inverter. It is possible to provide a safer and more reliable induction heating device by immediately stopping the inverter in the event of an abnormal phenomenon such as discharge.
第3の発明は、特に第1の発明において、切替手段の短絡状態に、共振電圧検知手段の出力値が所定の値の幅を超えた場合に、インバータの停止を行う構成とする誘導加熱装置とするものである。 In a third aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the induction heating apparatus is configured to stop the inverter when the output value of the resonance voltage detection unit exceeds a predetermined value width when the switching unit is short-circuited. It is what.
これにより、切替手段での放電等の異常現象時において、共振電圧検知手段により、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。 As a result, in the event of an abnormal phenomenon such as discharge in the switching means, it is possible to provide a safer and more reliable induction heating apparatus by immediately stopping the inverter by the resonance voltage detecting means.
第4の発明は、特に第1の発明において、切替手段の開放・短絡両方の状態に、共振電圧検知手段の出力値が、前記切替手段の開放・短絡状態各々に定められた所定の値及び幅を超えた場合に、インバータの停止を行う構成とする誘導加熱装置とするものである。 According to a fourth aspect of the invention, in particular, in the first aspect of the invention, the output value of the resonance voltage detecting means is a predetermined value determined in each of the open / short-circuit states of the switching means, When the width is exceeded, the induction heating device is configured to stop the inverter.
これにより、切替手段での放電等の異常現象時において、共振電圧検知手段により、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。 As a result, in the event of an abnormal phenomenon such as discharge in the switching means, it is possible to provide a safer and more reliable induction heating apparatus by immediately stopping the inverter by the resonance voltage detecting means.
第5の発明は、特に第1の発明において、インバータは2つのスイッチング素子の直列接続体を複数個内包し、それぞれの直列接続体のスイッチング素子における接続点間に加熱コイルおよび共振コンデンサを接続するものである。 In the fifth invention, particularly in the first invention, the inverter includes a plurality of series connection bodies of two switching elements, and the heating coil and the resonance capacitor are connected between connection points of the switching elements of the respective series connection bodies. Is.
ここで、インバータ定数の設計上、加熱コイルや共振コンデンサ容量に制限があり、コンデンサの短絡/開放切り換え手段の制御やスイッチング素子の駆動周波数などでは、被加熱物加熱電力の確保が困難となる場合がある。 Here, there is a limit to the capacity of the heating coil and resonant capacitor due to the design of the inverter constant, and it is difficult to ensure the heating power of the object to be heated by controlling the capacitor short-circuit / opening switching means and the driving frequency of the switching element. There is.
本発明では、2つのスイッチング素子の直列接続体を2つ有し、かつそれぞれの直列接続体のスイッチング素子における接続点間に加熱コイルおよび共振コンデンサを接続するよう配置されているため、電源と加熱コイルおよび共振コンデンサ間に配置されるスイッチング素子のいずれかが導通するよう制御することが可能である。 In the present invention, since there are two series connection bodies of two switching elements and the heating coil and the resonance capacitor are arranged between the connection points of the switching elements of the respective series connection bodies, Any one of the switching elements arranged between the coil and the resonance capacitor can be controlled to conduct.
つまり、電源から加熱コイルへ電力を供給する時間を長くすることができるため、入力可能な被加熱物加熱電力を高く設定できる。従って、インバータ設計の自由度を大きくすることができる。 That is, since the time for supplying power from the power source to the heating coil can be lengthened, the input heating power to be heated can be set high. Therefore, the degree of freedom in inverter design can be increased.
第6の発明は、特に第1の発明において、インバータの電源として作用する平滑手段と、力率改善手段としても作用する昇圧手段とを備え、制御手段はインバータ出力検知手段の出力信号に応じて前記昇圧手段の昇圧量を制御して前記平滑手段電圧を変更するとすることにより、インバータ方式の適切な選定などにより入力可能な被加熱物加熱電力を高く設定することが可能になり、また、インバータ設計自由度も高くなる。 According to a sixth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the smoothing means that acts as the power source of the inverter and the boosting means that also acts as the power factor improving means are provided. By controlling the boosting amount of the boosting means and changing the smoothing means voltage, it becomes possible to set a heating power to be heated that can be input high by appropriate selection of an inverter system, etc. Design flexibility is also increased.
アルミニウムなどの低抵抗非磁性金属からなる被加熱物を誘導加熱した場合、加熱コイルから発生する高周波磁界と、被加熱物内部に誘導される渦電流から発生する誘導磁界とは反発するように作用する。 When a heated object made of a low-resistance nonmagnetic metal such as aluminum is induction-heated, the high-frequency magnetic field generated from the heating coil and the induced magnetic field generated from the eddy current induced inside the heated object are repelled. To do.
また、一般にアルミニウムなどからなる被加熱物は、その材質の特性から非常に軽量なものが多い。そのため、被加熱物加熱電力によっては、被加熱物が振動して音が発生する。インバータの電源が平滑されていない場合には、商用電源周波数の2倍に同期して被加熱物が振動するため、非常に耳障りな音が発生する。 In general, many objects to be heated, such as aluminum, are very light due to the characteristics of the material. Therefore, depending on the heated object heating power, the heated object vibrates and generates sound. When the power supply of the inverter is not smoothed, the object to be heated vibrates in synchronization with twice the commercial power supply frequency, so that a very harsh sound is generated.
このような音を抑制するために、インバータ電源として大容量の電解コンデンサなどからなる平滑手段を設けることがあるが、これによって力率の低下、入力電流の高調波成分の増加が課題となる。 In order to suppress such noise, smoothing means such as a large-capacity electrolytic capacitor may be provided as an inverter power supply. This causes problems such as a decrease in power factor and an increase in harmonic components of the input current.
本発明では、力率改善手段としても作用する昇圧手段を有しているため、被加熱物の振動から発生する音の抑制と、力率改善、入力電流の高調波成分低減を両立させることが可能である。 In the present invention, since the pressure boosting means that also acts as the power factor improving means is provided, it is possible to achieve both suppression of sound generated from vibration of the heated object, power factor improvement, and reduction of harmonic components of the input current. Is possible.
さらに、インバータ出力に応じて昇圧手段の昇圧量を制御し、平滑手段の電圧を変更することにより、被加熱物加熱電力の可変制御も可能である。昇圧量を高く設定すれば、被加熱物加熱電力も高くすることができる。 Further, the heating power of the object to be heated can be variably controlled by controlling the boosting amount of the boosting means according to the inverter output and changing the voltage of the smoothing means. If the amount of pressure increase is set high, the heating power for the object to be heated can also be increased.
また、新たに昇圧手段を設けるわけではなく、被加熱物の振動音を抑制する平滑手段のための力率改善と電源昇圧を兼ねた昇圧手段としているため、部品点数の増加を抑制することが可能である。 In addition, the boosting means is not newly provided, and the power boosting means for both the power factor improvement and the power source boosting for the smoothing means for suppressing the vibration noise of the object to be heated is used, so that the increase in the number of parts can be suppressed. Is possible.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における誘導加熱装置の回路図を示すものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a circuit diagram of an induction heating apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図1において、商用交流電源1からの交流電圧を整流するダイオードブリッジからなる整流手段2の出力側には、チョークコイル3および第3のスイッチング素子(MOS−FET)4が直列接続されている。
In FIG. 1, a
さらに、チョークコイル3および第3のスイッチング素子4の接続点にはダイオード5のアノード側が接続されている。
Further, the anode side of the
ダイオード5のカソード側と整流手段2の出力低電位側間には、電解コンデンサからなる平滑手段6と、内部に逆導通ダイオードを内包する第1のスイッチング素子(IGBT)7と第2のスイッチング素子(IGBT)8の直列接続体が接続されている。
Between the cathode side of the
平滑手段6は、後述するインバータ9の電源となるよう作用しており、電圧変動を極力抑制するよう十分大きな容量の電解コンデンサで構成され、具体的には430μFの電解コンデンサを3本使用している。
The smoothing means 6 acts as a power source for an
第1のスイッチング素子7と第2のスイッチング素子8の接続点と、整流手段2の出力低電位側間には、高周波磁界を発生し鍋などの被加熱物10を加熱する加熱コイル11と、加熱コイル11と共振する第1の共振コンデンサ12が直列接続されている。
Between the connection point of the first switching element 7 and the
加熱コイル11上部には、絶縁体であり、耐熱セラミックス製のトッププレート(図示せず)が設けられており、被加熱物10はトッププレートを挟んで加熱コイル11と対向するように載置される。 A top plate (not shown) made of a heat-resistant ceramic is provided on the top of the heating coil 11, and the object to be heated 10 is placed so as to face the heating coil 11 with the top plate interposed therebetween. The
加熱コイル11は、素線を束ねた撚り線を多層にして平板上に巻き回されて構成されており、内径80mm、外径180mmの略ドーナツ形状をなしている。第1の共振コンデンサ12は、複数のコンデンサ12a、12b、12c、12dで構成されており、コンデンサ12aおよび12bの並列接続体、コンデンサ12cおよび12dの並列接続体の直列接続で構成している。
The heating coil 11 is formed by winding a stranded wire bundled with strands on a flat plate, and has a substantially donut shape with an inner diameter of 80 mm and an outer diameter of 180 mm. The first
コンデンサ12aおよび12b、12c、12dはそれぞれ0.02μFの容量のものが選定されている。 Capacitors 12a and 12b, 12c and 12d are each selected with a capacity of 0.02 μF.
従って、第1の共振コンデンサ12の合成容量は0.02μFとなる。第1の共振コンデンサ12には、リレーからなる短絡/開放可能な切替手段13と、容量0.28μFを有した第2の共振コンデンサ14の直列体が並列接続されている。
Accordingly, the combined capacitance of the first
切替手段13の出力が開放時の共振コンデンサ合成容量は前述の通り0.02μF、短絡時の共振コンデンサ合成容量は0.3μFとなる。 The resonance capacitor combined capacity when the output of the switching means 13 is open is 0.02 μF as described above, and the resonance capacitor combined capacity when shorted is 0.3 μF.
インバータ9は、加熱コイル11に高周波共振電流を供給するもので、第1のスイッチング素子7、第2のスイッチング素子8、加熱コイル11、共振コンデンサ12、14、切替手段13で構成されている。
The
制御手段15は、切替手段13の制御およびインバータ9の出力制御を行うもので、各種検知手段からの検知信号、使用者による操作などに基づいて、第1のスイッチング素子7、第2のスイッチング素子8の導通/遮断を制御する。
The control means 15 performs control of the switching means 13 and output control of the
入力電流検知手段16は、具体的にはカレントトランスで構成されている。入力電流検知手段16の検知信号は、制御手段15に出力されるよう接続されている。インバータ出力検知手段17は、加熱コイル11の電流検知手段であるカレントトランスである。
Specifically, the input current detection means 16 is constituted by a current transformer. The detection signal of the input current detection means 16 is connected to be output to the control means 15. The inverter
インバータ出力検知手段17は、インバータ9の出力の大きさである加熱コイル11の電流を検知して、制御手段15へ検知信号を出力する。切替手段13と第2の共振コンデンサ14との接続点に接続された共振電圧検知手段18は、具体的には抵抗で分圧された
信号を制御手段15に出力されるよう接続されている。
The inverter output detection means 17 detects the current of the heating coil 11 that is the magnitude of the output of the
第3のスイッチング素子4を駆動制御する第2の制御手段19は、平滑手段6の電圧、入力電流などを検知しながら(図示せず)、入力電流が略正弦波状となり、平滑手段6の電圧が所定値となるよう第3のスイッチング素子4の駆動周波数、導通比を制御する。
The second control means 19 for controlling the driving of the
以上のように構成された誘導加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。 About the induction heating apparatus comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
まず、制御手段15は、使用者による操作に基づいて第1のスイッチング素子7および第2のスイッチング素子8が排他的に導通/遮断するよう駆動信号を出力して、入力電流検知手段16およびインバータ出力検知手段17からの検知信号を入力する。
First, the control means 15 outputs a drive signal so that the first switching element 7 and the
図2は、本発明の第1の実施の形態における誘導加熱装置の制御手段15内部に保持している入力電流検知手段16の検知出力−インバータ出力検知手段17の検知出力平面での被加熱物10の材質判別領域を示した図である。 FIG. 2 shows the object to be heated on the detection output plane of the input current detection means 16-the detection output plane of the inverter output detection means 17 held inside the control means 15 of the induction heating apparatus in the first embodiment of the present invention. It is the figure which showed 10 material discrimination | determination areas.
第1のスイッチング素子7および第2のスイッチング素子8の駆動によって、入力電流およびインバータ出力が変化し、図2の上方に設定されたアルミなどの低抵抗非磁性金属領域になった場合、制御手段15は第1のスイッチング素子7および第2のスイッチング素子8の駆動を継続して、所定の入力電力となるようインバータ9の出力を制御する。
When the first switching element 7 and the
また同時に、制御手段15は、入力電流検知手段16およびインバータ出力検知手段17の出力信号に基づいて被加熱物10の材質を低抵抗非磁性金属と判別した場合、共振コンデンサの合成容量が小さくなるよう切替手段13出力を開放とする制御を行う。
At the same time, when the
共振コンデンサの合成容量は、切替手段13出力が開放時に0.02μFとなるよう選定されており、また被加熱物10が載置された際の加熱コイル11のインダクタンスは200μHとなるよう設計されているため、加熱コイル11、第1の共振コンデンサ12および被加熱物10の共振周波数は約90kHzとなる。
The combined capacity of the resonant capacitor is selected so that the output of the switching means 13 is 0.02 μF when opened, and the inductance of the heating coil 11 when the object to be heated 10 is placed is designed to be 200 μH. Therefore, the resonance frequency of the heating coil 11, the
図3は、本発明の第1の実施の形態における誘導加熱装置の低抵抗非磁性金属製の被加熱物10を誘導加熱している際の各部電圧電流波形を示している。
FIG. 3 shows each part voltage current waveform when the low-resistance non-magnetic metal
制御手段15の制御により第1のスイッチング素子7および第2のスイッチング素子8が排他的に導通/遮断され、インバータ9は加熱コイル11および第1の共振コンデンサ12に高周波共振電流を供給する。加熱コイル11は高周波磁界を発生して被加熱物10を加熱する。
The first switching element 7 and the
図3に示すように、第1のスイッチング素子7および第2のスイッチング素子8の導通期間中には、共振電流が1周期以上流れるように制御手段15は制御を行っている。つまり、インバータ9は複数のスイッチング素子7、8を内包し、制御手段15は加熱コイル11の発生する磁界が低抵抗非磁性金属を誘導加熱すると、少なくとも1つのスイッチング素子に流れる高周波共振電流がスイッチング素子の駆動期間より短い周期で共振するようスイッチング素子の駆動信号を出力する制御モードを持っている。
As shown in FIG. 3, during the conduction period of the first switching element 7 and the
この制御モードは、被加熱物10が低抵抗非磁性金属である場合に有効となる。被加熱物10が低抵抗非磁性金属であった場合、抵抗が低いために、高周波共振電流の減衰が少ない。そのため、第1のスイッチング素子7または第2のスイッチング素子8の駆動時間を長く設定しても共振が継続される。
This control mode is effective when the object to be heated 10 is a low-resistance nonmagnetic metal. When the object to be heated 10 is a low-resistance nonmagnetic metal, the resistance is low, so that the high-frequency resonance current is less attenuated. Therefore, the resonance is continued even if the drive time of the first switching element 7 or the
第1のスイッチング素子7または第2のスイッチング素子8に共振電流が流れている期間中に、制御手段15がスイッチング素子を遮断させ、もう一方のスイッチング素子を導通制御することにより、第1のスイッチング素子7および第2のスイッチング素子8に負担をかけることなく共振を継続することが可能である。
During the period in which the resonance current flows through the first switching element 7 or the
ここで、高周波共振電流の周波数は、加熱コイル11、第1の共振コンデンサ12および被加熱物10で決定され、前述の約90kHzとなる一方、スイッチング素子の駆動周波数は本実施の形態の場合、約30kHzとなる。
Here, the frequency of the high-frequency resonance current is determined by the heating coil 11, the
スイッチング素子が導通から遮断する移行期間には、スイッチング損失が発生するため、スイッチング素子の駆動周波数が高いほどスイッチング回数が多く、スイッチング損失増加につながる。 Since a switching loss occurs during the transition period in which the switching element is cut off from conduction, the higher the drive frequency of the switching element, the more the number of switchings, leading to an increase in switching loss.
本実施の形態では、加熱コイル11に供給される高周波共振電流の周波数は90kHzと高く設定することで、低抵抗非磁性金属の被加熱物10であっても見かけの高周波抵抗を高くできるため、少ない加熱コイル11の電流で十分な加熱電力を得ることが可能である。 In the present embodiment, since the frequency of the high-frequency resonance current supplied to the heating coil 11 is set as high as 90 kHz, the apparent high-frequency resistance can be increased even with the low-resistance nonmagnetic metal object to be heated 10. It is possible to obtain sufficient heating power with a small current of the heating coil 11.
さらに、スイッチング素子の駆動周波数は、90kHzに対して十分低い30kHzであるため、スイッチング損失の増加を抑制することができる。所定の入力電力時の第1の共振コンデンサ12の電圧は、本実施の形態では実効値で約3kVrmsとなっており、切替手段13にも同等の約3kVrmsの高電圧が印可されることになる。
Furthermore, since the driving frequency of the switching element is 30 kHz which is sufficiently lower than 90 kHz, an increase in switching loss can be suppressed. The voltage of the first
また、被加熱物10が低抵抗非磁性金属である場合、加熱コイル11から発生する高周波磁界に対して被加熱物10の内部に渦電流が誘起される。 Further, when the object to be heated 10 is a low-resistance nonmagnetic metal, an eddy current is induced in the object to be heated 10 with respect to the high-frequency magnetic field generated from the heating coil 11.
この渦電流は、加熱コイル11からの高周波磁界に対して反発するように作用するため、被加熱物10自体が振動する。インバータ9の電源となる平滑手段6の電圧が商用交流電源1の電圧に同期して変動する場合、被加熱物10も同期した振動を生じるため、使用者が不快に感じる鍋音が発生する。
Since this eddy current acts to repel the high frequency magnetic field from the heating coil 11, the article to be heated 10 itself vibrates. When the voltage of the smoothing means 6 serving as the power source of the
本実施の形態では、平滑手段6の容量を十分大きく設定してインバータ9の電源の変動を抑制し、鍋音が発生しないようにしている。しかしながら、その一方で、平滑手段6の容量を大きく設定すると、商用交流電源1からの入力電流が歪んだ形になってしまい、本来の正弦波状とは異なった波形になって力率が低下する。
In the present embodiment, the capacity of the smoothing means 6 is set to be sufficiently large to suppress fluctuations in the power source of the
この入力電流は高調波成分を含んでいるために、同じ商用交流電源1に接続された他機器に影響を与える場合もある。
Since this input current includes a harmonic component, it may affect other devices connected to the same commercial
本実施の形態では、チョークコイル3、第3のスイッチング素子4およびダイオード5が力率改善手段としても作用する昇圧手段20を備えている。
In the present embodiment, the
制御手段15は、使用者の操作に基づいてインバータ9の動作を開始するとともに、第2の制御手段19に動作開始信号を出力する。
The control means 15 starts the operation of the
第2の制御手段19は、平滑手段6の電圧、入力電流などを検知しながら(図示せず)、入力電流が略正弦波状となり、平滑手段6の電圧が所定値となるよう第3のスイッチング素子4の駆動周波数、導通比を制御する。
The second control means 19 detects the voltage of the smoothing means 6, the input current, etc. (not shown), and performs the third switching so that the input current becomes substantially sinusoidal and the voltage of the smoothing means 6 becomes a predetermined value. The drive frequency and conduction ratio of the
第3のスイッチング素子4が導通すると、チョークコイル3の短絡電流が流れ、チョー
クコイル3にエネルギーが蓄積される。
When the
第3のスイッチング素子4が遮断されるとともに、チョークコイル3に蓄積されたエネルギーはダイオード5を通して平滑手段6へ送られて電圧上昇させる。第2の制御手段19は、内部に基準電圧を保持しており、平滑手段6の電圧検知信号と比較して同じ値になるよう制御を行うが、制御手段15からも平滑手段6の電圧検知を操作するよう電圧印可または抵抗切り換えがなされるために、結果として制御手段15によって平滑手段6の電圧が制御されることになる。
While the
制御手段15は、入力電流検知手段16およびインバータ出力検知手段17の出力信号に応じて、平滑手段6の電圧検知信号を操作し、間接的に昇圧手段20の昇圧量を制御して平滑手段6の電圧を変更している。 The control means 15 operates the voltage detection signal of the smoothing means 6 according to the output signals of the input current detection means 16 and the inverter output detection means 17 and indirectly controls the boosting amount of the boosting means 20 to smooth the smoothing means 6. The voltage has changed.
被加熱物10が低抵抗非磁性金属であった場合、加熱コイル11、第1の共振コンデンサ12が共振を継続できる周波数領域が非常に狭いため、インバータ9出力の制御が非常に難しい。しかしながら、平滑手段6はインバータ9電源としても作用しているため、平滑手段6の電圧を変更することによってもインバータ9出力の制御が可能である。
When the object to be heated 10 is a low-resistance nonmagnetic metal, the frequency range in which the heating coil 11 and the
制御手段15によってインバータ9が動作開始をした際、制御手段15が被加熱物10材質を低抵抗非磁性金属以外と判別した場合、制御手段15はインバータ9の動作を一時(約2秒間)停止して、第1の共振コンデンサ12の合成容量が大きくなるよう切替手段13の出力を短絡とする制御を行い、第2の共振コンデンサ14と接続する。その際、本実施の形態では、前述の通り、共振コンデンサの合成容量は0.3μFとなるよう設定されている。切替手段13の切り替え完了後、制御手段15は再度インバータ9の動作を開始させる。
When the
図4は、低抵抗非磁性金属以外の被加熱物10を誘導加熱している際の各部電圧電流波形を示している。おおよそは低抵抗非磁性金属を加熱している際の各部波形と似ているが、大きく異なる点は第1のスイッチング素子7および第2のスイッチング素子8に流れている電流波形である。
FIG. 4 shows each part voltage current waveform when the object to be heated 10 other than the low-resistance nonmagnetic metal is induction heated. The waveform is similar to each waveform when heating the low-resistance nonmagnetic metal, but the difference is the waveform of the current flowing through the first switching element 7 and the
低抵抗非磁性金属以外の被加熱物10を加熱する際は、被加熱物10自体が抵抗が高いために磁界周波数をさほど高める必要がない。 When heating the object to be heated 10 other than the low-resistance nonmagnetic metal, the object to be heated 10 itself has high resistance, and therefore it is not necessary to increase the magnetic field frequency so much.
従って共振コンデンサの容量が大きくなるよう切り替えて、加熱コイル11、共振コンデンサおよび被加熱物10の共振周波数を低くなるよう(本実施の形態では約23kHz)設定している。 Therefore, switching is performed so that the capacity of the resonance capacitor is increased, and the resonance frequency of the heating coil 11, the resonance capacitor, and the article to be heated 10 is set to be low (about 23 kHz in the present embodiment).
共振周波数が低いために、第1のスイッチング素子7および第2のスイッチング素子8の駆動周波数を共振周波数と同一としてもスイッチング損失の大幅な増加は生じない。
Since the resonance frequency is low, even if the drive frequency of the first switching element 7 and the
また、被加熱物10の抵抗が高いために、必要となる高周波共振電流も少なく、スイッチング損失、導通時の損失も低く抑えられる。 In addition, since the resistance of the object to be heated 10 is high, the required high-frequency resonance current is small, and the switching loss and the loss during conduction can be kept low.
以上のように、本実施の形態においては、切替手段13が開放時、すなわち被加熱物10が低抵抗非磁性金属の鍋を誘導加熱を行っている際に、第1、第2の共振コンデンサの異常発熱等により容量が急激に減少し短絡状態に陥った場合や、切替手段13が何らかの現象によって開放状態から短絡状態に移行した場合、電圧切替手段13の接点端子間にアーク放電が発生し、図3(8)に示すように、共振電圧検知手段18に異常電圧が発生する。この際、制御手段15内部に設けているインバータ出力検知手段17の出力に対する所定の値を超え、図3(9)に示すように出力されることで、異常とみなしてインバータ9の動作を停止させることができる。
More than one time, as in the present embodiment, when switching means 13 is open, i.e. when the object to be heated 10 is performing induction heating of low resistance nonmagnetic metal pot, the first and second resonance capacitor When the capacity suddenly decreases due to abnormal heat generation or the like, resulting in a short circuit state, or when the switching unit 13 shifts from the open state to the short circuit state due to some phenomenon, arc discharge occurs between the contact terminals of the voltage switching unit 13. As shown in FIG. 3 (8), an abnormal voltage is generated in the resonance
また、切替手段13が短絡時においても同様である。 The same applies when the switching means 13 is short-circuited.
本実施の形態では、共振コンデンサ12を2つのコンデンサの並列接続体を2セット直列接続したものとしたが、必要となる共振コンデンサ12の耐圧、電流容量などを鑑みて適宜設定すればよい。2つのコンデンサの直列接続体で構成してもよいし、コンデンサ並列接続体を3セット以上直列接続してもよい。切替手段13はリレーに限らず、耐圧、電流容量などが許せば、スイッチング素子を使用してもよい。
In this embodiment, the
インバータ出力検知手段17として、加熱コイル11の電流を検知するカレントトランスの例を挙げたが、共振コンデンサ12の電圧を検知してもよいし、加熱コイル11の電流の一部である第1のスイッチング素子7または第2のスイッチング素子8の電流、インバータ9の電源となる平滑手段6の電流を検知しても同様の効果が得られる。制御手段15と別に第2の制御手段19を設ける構成を挙げたが、第2の制御手段19の動作を制御手段15で兼ねることも可能である。
Although the example of the current transformer which detects the electric current of the heating coil 11 was given as the inverter output detection means 17, the voltage of the
(実施の形態2)
図5は、本発明の第2の実施の形態における誘導加熱装置を示すものである。実施の形態1と同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 5 shows an induction heating apparatus according to the second embodiment of the present invention. The same elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図5において、ダイオード5のカソード側と整流手段2の出力低電位側間には、電解コンデンサからなる平滑手段6と、内部に逆導通ダイオードを内包する第1のスイッチング素子7aと第2のスイッチング素子8aの直列接続体および第1のスイッチング素子7bと第2のスイッチング素子8bの直列接続体が接続されている。
In FIG. 5, between the cathode side of the
第1のスイッチング素子(IGBT)7aと第2のスイッチング素子(IGBT)8aの接続点と、第1のスイッチング素子(IGBT)7bと第2のスイッチング素子(IGBT)8bの接続点間には、加熱コイル11と共振コンデンサ12が直列接続されている。
Between the connection point of the first switching element (IGBT) 7a and the second switching element (IGBT) 8a, and the connection point of the first switching element (IGBT) 7b and the second switching element (IGBT) 8b, A heating coil 11 and a
インバータ出力検知手段17は加熱コイル11の電流検知手段であるカレントトランスであり、少なくともインバータ9が発生する高周波電流の大きさ、つまり加熱コイル11および共振コンデンサ12の電流を検知して、制御手段15へ検知信号を出力する。
The
本実施の形態のような構成であった場合、スイッチング素子のスイッチングによって、加熱コイル11および共振コンデンサ12の両端が不安定な電圧であるため、インバータ9の出力に密接に相関を持つ加熱コイル11や共振コンデンサ12の電圧を検知することは困難であるが、インバータ9が発生する高周波電流の大きさ、つまり加熱コイル11および共振コンデンサ12の電流を検知する構成としている。
In the case of the configuration of the present embodiment, both ends of the heating coil 11 and the
電流は、カレントトランスなどにより電気的に非接触で検知することが可能であるため、加熱コイル11、共振コンデンサ12の電圧安定度に関係なく、精度よく電流検知することが可能である。
Since the current can be detected in a non-contact manner with a current transformer or the like, the current can be accurately detected regardless of the voltage stability of the heating coil 11 and the
以上のように構成された誘導加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。 About the induction heating apparatus comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
制御手段15は、使用者による操作に基づいて第1のスイッチング素子7aおよび第2のスイッチング素子8a、第1のスイッチング素子7bおよび第2のスイッチング素子8
bが排他的に導通/遮断するよう駆動信号を出力して、入力電流検知手段16およびインバータ出力検知手段17からの検知信号を入力する。
The control means 15 is based on the operation by the user, the
A drive signal is output so that b is exclusively turned on / off, and detection signals from the input current detection means 16 and the inverter output detection means 17 are input.
制御手段15は、図2に示すような入力電流検知手段16検知出力−インバータ出力検知手段17検知出力平面での被加熱物10の材質判別領域をもとに被加熱物10の材質を判別して、スイッチング素子、切替手段13、第2の制御手段19に制御信号を出力する。 The control means 15 discriminates the material of the object to be heated 10 based on the material discrimination area of the object to be heated 10 on the detection output plane of the input current detection means 16 -inverter output detection means 17 as shown in FIG. Then, a control signal is output to the switching element, the switching means 13 and the second control means 19.
このとき、第1のスイッチング素子7aおよび第2のスイッチング素子8b、第2のスイッチング素子8aおよび第1のスイッチング素子7bが同一動作となるよう制御手段15は制御を行う。
At this time, the control means 15 performs control so that the
つまり、第1のスイッチング素子7a−加熱コイル11−共振コンデンサ12−第2のスイッチング素子8b−平滑手段6に高周波共振電流が流れる経路、第1のスイッチング素子7b−共振コンデンサ12−加熱コイル11−第2のスイッチング素子7a−平滑手段6に高周波共振電流が流れる経路が入れ替わりながら共振が継続する。
That is, the
被加熱物10が低抵抗非磁性金属以外の材質であった場合、抵抗が高いために、共振が継続しにくく共振電流が流れにくい。 When the object to be heated 10 is made of a material other than the low-resistance nonmagnetic metal, since the resistance is high, resonance does not continue and resonance current does not flow easily.
本実施の形態では、被加熱物10が低抵抗非磁性金属以外の材質であった場合、共振周波数が約23kHzになるよう共振コンデンサ12および切替手段13が設定されている。インバータ9の電源である平滑手段6と加熱コイル11および共振コンデンサ12間に配置されるスイッチング素子のいずれかが導通するよう制御することが可能である。
In the present embodiment, when the object to be heated 10 is made of a material other than the low-resistance nonmagnetic metal, the
つまり、インバータ9の電源から加熱コイル11へ電力を供給する時間を長くすることができるため、入力可能な被加熱物10の加熱電力を高く設定できる。従って、インバータ9の設計自由度を大きくすることが可能である。
In other words, since the time for supplying power from the power source of the
以上のように、本実施の形態においては、切替手段13が開放時、すなわち被加熱物10が低抵抗非磁性金属の鍋を誘導加熱を行っている際に、第1、第2の共振コンデンサの異常発熱等により容量が急激に減少し短絡状態に陥った場合や、切替手段13が何らかの現象によって開放状態から短絡状態に移行した場合、電圧切替手段13の接点端子間にアーク放電が発生し、図3(8)に示すように、共振電圧検知手段18に異常電圧が発生する。この際、制御手段15内部に設けている共振電圧検知手段18の出力に対する所定の値を超え、図3(9)に示すように出力されることで、異常とみなしてインバータ9の動作を停止させることができる。
More than one time, as in the present embodiment, when switching means 13 is open, i.e. when the object to be heated 10 is performing induction heating of low resistance nonmagnetic metal pot, the first and second resonance capacitor When the capacity suddenly decreases due to abnormal heat generation or the like, resulting in a short circuit state, or when the switching unit 13 shifts from the open state to the short circuit state due to some phenomenon, arc discharge occurs between the contact terminals of the voltage switching unit 13. As shown in FIG. 3 (8), an abnormal voltage is generated in the resonance
また、切替手段13が短絡時においても同様である。 The same applies when the switching means 13 is short-circuited.
本実施の形態では、インバータ9に2つのスイッチング素子の直列接続体を2個内包する構成を挙げたが、これに限定するものではない。商用交流電源1によっては、2つのスイッチング素子の直列接続体を3個内包しても同様以上の効果が得られる。また、昇圧手段20の昇圧量を制御して平滑手段6の電圧を変更し、インバータ9出力を高く(または低く)設定してもよい。
In the present embodiment, the
以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、共振コンデンサを切り替える切替手段を有する機器において、安全で高信頼性を実現する誘導加熱装置を提供することができるので、誘導加熱調理器としてはもちろんのこと、誘導加熱式湯沸かし器、誘導加熱式アイ
ロン、またはその他の誘導加熱式加熱装置としても有用である。
As described above, the induction heating apparatus according to the present invention can provide an induction heating apparatus that realizes safety and high reliability in an apparatus having a switching unit that switches a resonant capacitor. Of course, it is also useful as an induction heating type water heater, induction heating type iron, or other induction heating type heating device.
6 平滑手段
7、7a、8、8a、7b、8b スイッチング素子
9 インバータ
10 被加熱物
11 加熱コイル
12 第1の共振コンデンサ
13 切替手段
14 第2の共振コンデンサ
15 制御手段
16 入力電流検知手段
17 インバータ出力検知手段
18 共振電圧検知手段
19 第2の制御手段
20 昇圧手段
6 Smoothing means 7, 7a, 8, 8a, 7b,
Claims (5)
段の昇圧量を制御して前記平滑手段の電圧を変更する請求項1記載の誘導加熱装置。 A smoothing means acting as a power source of the inverter also comprises a step-up means acting as a power factor improving means, the control means controls the boosting amount of the boosting unit in accordance with the output signal of the inverter output detecting means The induction heating apparatus according to claim 1, wherein the voltage of the smoothing means is changed.
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