JP5034562B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

この発明は、一般家庭やレストラン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産業用誘導加熱装置、特にスイッチング素子を用いて交流電源から高周波交流を作る電力変換回路を備えた誘導加熱装置（ＩＨとも略称する）に関する。

図５に特許文献１に開示の調光装置から類推可能な誘導加熱装置の例を示す。これは、交流電源１に接続される整流回路２で交流を直流に変換し、直流電圧変換要素であるチョッパ３の出力にインバータ４を接続し、インバータ４の出力に接続される加熱コイル５へ高周波電流を供給することで被加熱物を加熱するものである。
整流回路２としてダイオードＤ４〜Ｄ７からなる全波整流回路、チョッパ３としてコンデンサＣ１、ダイオードを逆並列接続したスイッチング素子Ｔ１，Ｔ２およびリアクトルＬ１からなる降圧チョッパ、インバータ４として共振コンデンサＣ２，Ｃ３とダイオードを逆並列接続したスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２とからなる、ハーフブリッジ形インバータを用いたものである。

図５では、共振コンデンサＣ２，Ｃ３と加熱コイル５を共振させることにより、加熱コイル５に高周波電流を流す構成である。ここで、出力段のインバータ４は最小電流，最低動作周波数、オンデューティ０．５、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できる。そこで、降圧チョッパ３を設け、交流入力電圧に依存するコンデンサＣ１の電圧V_dc1から、インバータ４を効率よく動作させることができるチョッパ出力電圧（コンデンサ８）V_dc2に電圧変換する。このインバータ４の出力に応じてチョッパ出力電圧V_dc2を制御することで、インバータ４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を向上させることができる。なお、上記チョッパとしては降圧チョッパの代わりに昇圧，昇降圧チョッパでも良く、またインバータとしてはフルブリッジ形インバータなど、誘導加熱装置で一般的に用いる主回路構成としても良い。

図６に特許文献２に開示の放電灯点灯装置から類推可能な誘導加熱装置の例を、図７に図６の主回路の詳細例を示す。
ここでは、図５の誘導加熱装置において、チョッパの後段に複数台（図６では２台）のインバータ４，６を接続している。図６のインバータ４，６は、電圧検出器９で検出されるチョッパ出力電圧の検出値に応じて、制御部１０，１１により駆動指令を生成し、各インバータ４，６を駆動する。チョッパの後段にインバータが接続されることで、インバータ入力電圧（チョッパ出力電圧）V_dc2が全て等しくなることから、制御部１０，１１間で情報交換することなく、全ての加熱コイルに同一の電力を効率良く供給できる旨記載されている。

特開平０７−２０１４６９号公報 特開平０５−２９９１８３号公報

しかしながら、図６の詳細を示す図７ではインバータ入力電圧（チョッパ出力電圧）V_dc2とＩＨ個別に供給される電流i_IH1，i_IH2の直流電流成分との積で、ＩＨインバータ個別の供給電力を原理的には求められるが、以下の理由から実際には困難である。
（１）電流i_IH1，i_IH2には、負荷に供給する周波数の２倍周期の高周波電流が重畳され、分離のためには大きなフィルタを追加する必要が生じる。
（２）特に、各ＩＨインバータの供給電力が異なる場合、並列に接続されているコンデンサC_dc1，C_dc2、共振コンデンサC_r1〜Ｃ_r4間で、電圧差を埋めるための電流が流れてしまうことから、個別のＩＨインバータへ供給する電流を正確に検出するのは困難である。

したがって、この発明の課題は、チョッパの後段に複数台のインバータが接続される構成のＩＨにおいて、インバータが供給する電力を個別かつ正確に検出または演算できるようにするための回路構成、および検出または演算手法を提供することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、交流電源に接続される整流器と、この整流器の直流出力端に接続されるチョッパ部と、このチョッパ部の出力に複数のインバータ部を並列接続し、各インバータ部に加熱コイルを接続し、この加熱コイルに高周波電流を通流させることで被加熱物を加熱する誘導加熱装置において、
前記チョッパ部の出力段とインバータ部の直流中間コンデンサ間を、直接または個別ダイオードを介して接続して前記複数のインバータ部が供給すべき電力の合計値を求め、この合計値から各インバータ部が供給する個別の電力を求められるようにし、前記インバータ部の供給電力を、インバータ部スイッチング素子の動作周波数を変化させて制御するときは、各インバータ部が個別に供給する電力を、インバータ部個別の動作周波数指令値から電力供給比率を求め、この電力供給比率と前記電力合計値とから求めることを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記電力供給比率は動作周波数指令値から演算により求めるか、テーブルメモリから得ることができる（請求項２の発明）。

また、上記請求項１の発明においては、前記インバータ部の供給電力を、インバータ部スイッチング素子のオンデューティを変化させて制御するときは、各インバータ部が個別に供給する電力を、インバータ部個別のオンデューティ指令値から電力供給比率を求め、この電力供給比率と前記電力合計値とから求めることができる（請求項３の発明）。この請求項４の発明においては、前記電力供給比率はオンデューティ指令値から演算により求めるか、テーブルメモリから得ることができる（請求項４の発明）。

この発明によれば、複数インバータが供給する電力を個別かつ正確に検出または演算できるようにするための回路を提供することができ、複数インバータが供給する電力を個別かつ正確に検出または演算する手法を提供することが可能となる。

図１はこの発明の実施の形態を示す回路図である。
図１からも明らかなように、この回路は図７に示すものに対し、降圧チョッパ３とＩＨインバータ４，６の直流中間コンデンサC_dc21，Ｃ_dc22間に、それぞれダイオードＤ２，Ｄ３を接続した点が特徴である。これにより、ＩＨインバータ４，６間の電流のやりとりが無くなり、ＩＨインバータ４，６の直流中間コンデンサC_dc21，Ｃ_dc22に供給されたエネルギーは、それぞれのＩＨインバータのみで消費することになる。したがって、ダイオード電流ＩＤ２，ＩＤ３と、降圧チョッパ３の出力電圧V_dc2または直流中間コンデンサ電圧V_dc21，V_dc22を検出することで、各ＩＨインバータに供給される電力を、個別に検出または演算することが可能となる。

しかし、図１ではダイオードおよび検出回路の増加により構成の複雑化，高コスト化が問題となる。そこで、図２の構成によりＩＨインバータ供給電力の合計値を検出し、各インバータの供給電力を、インバータの動作状態と供給電力合計値とから演算して求めるようにする。なお、図２の２１は入力電力検出器、２２ａ〜２２ｎは各インバータの動作周波数検出器、２３は電力供給比率演算器、２４はインバータ個別供給電力演算器を示している。

入力電力検出器２１は、例えば以下のように構成する。
（１）入力電力P_in#numを、入力電流Iinと入力電圧Vinとから求める場合
この場合、Iin，Vinともに直接検出する場合と、入力電圧の方は直流中間コンデンサ電圧V_dc1から演算する場合とがあり、次式のように表わされる。
P_in#num＝Iin×Vin×cosθ＝Iin×α×V_dc1×cosθ
ここに、αは入力電圧または相数で変化する定数である。

（２）降圧チョッパの出力電圧V_dc2と出力電流から、チョッパ出力電力P_chopを求める方法
降圧チョッパの出力電圧V_dc2と平滑リアクトル電流の直流成分I_Ldc#aveから求める場合と、MOSFET電流IT1、またはダイオード電流IDの平均値（I_T1#ave,I_D#ave）から求める場合がある。ここで、スイッチ素子T1のオンデューティをλ_onとすると、演算式は次のようになる。
P_chop＝V_dc2×I_Ldc#ave＝V_dc2×I_T1#ave×(1/λ_on)＝V_dc2×I_D#ave×[1/(1-λ_on)]

インバータの動作周波数検出器２２ａ〜２２ｎとしては、ＩＨインバータ電力供給指令に応じたインバータ動作周波数指令値が存在するので、これを利用することとする。
電力供給比率演算器２３は、インバータ動作周波数指令値から電力供給比率演算するが、その方法について以下に詳述する。

まず、ＩＨインバータ部４，６における直流中間コンデンサと加熱コイル間の等価回路を、図３（ｂ）に示す。その出力電圧をフーリエ級数展開すると、次の数１で示す（１）式で表わされる。図３（ａ）は、ハーフブリッジインバータの回路例を示す。

供給電力の演算には基本波成分のみで良い結果が得られることから、（１）式を数２で示す（２）式のように簡単化する。なお、より正確な演算結果が必要なときは、高調波成分を考慮する。

次に、インバータ出力電流を演算する。インバータ出力電流は、インバータ出力電圧を負荷インピーダンスで除算することで得られるから、上記（１）式から数３で示される（３）式のように求められる。

また、数３で示される（３）式は、数４で示される（４）式のように簡単化できる。

そして、インバータ供給電力P_in#invは電圧実効値と電流実効値、および力率を演算することで求められるから、基本波成分における供給電力は数５で示される（５）式のように求められる。

最後に、周波数に対する電力特性を演算する。負荷条件が決定しているとき、最低周波数における力率（位相角）は一意に求めることができ、位相角は上記（５）式より数６で示される（６）式で与えられる。

ここで、Cr,ωは設計値であり、R₀,L₀が負荷条件であることから、上記数６で示される（６）式より、動作周波数に対する位相角θ₁を求め、この位相角に応じたインバータ供給電力が上記数５で示される（５）式より求められる。
ある負荷条件における周波数−供給電力比率演算結果を、図４に示す。図４は、数５で示される（５）式により周波数を変化させたときの供給電力を演算し、定格電力を１００％としたときの供給電力比率を求めた結果を曲線Ａで示す。上記数６で示される（６）式より、位相角を求めた結果を曲線Bで示す。

図４の演算結果は、最低周波数20.7KHzで動作しているときの電力を100％として、動作周波数が高くなるほど供給電力比率が下がることを示しており、所望の周波数における供給電力比率を求められることが分かる。したがって、インバータ動作周波数から個別のＩＨインバータが最低周波数の時に対して何％の電力を供給しているかが求められる。例えば、１台が20.7KHzで動作しているときには100％の電力を供給しており、もう１台が30KHzで動作しているときには23％の電力を供給していることが演算できることから、その電力供給比率が図２に示す電力供給比率演算器２３の出力となる。ここで、図４に示す周波数−供給電力比率を数５に示す（５）式に基づき、図示されない演算装置で随時演算する方法と、図４の結果をデータテーブルとしてメモリに記憶しておく方法とがある。

インバータ個別供給電力演算器２４では、入力電力検出器の出力と電力供給比率演算器２３の出力から、個別のインバータ電力を演算する。電力供給比率演算器２３より出力される比率の合計値に対する個々の割合を求め、この割合に入力電力検出値を乗算することで、個別のインバータ供給電力とする。例えば、20.7KHz（100％）と30KHz（23％）でインバータが動作しているときを例に考えると、各インバータ供給電力はそれぞれ以下のように求められる。
P_in#20.7KHz＝P_in#num×100/(100+23)
P_in#30KHz ＝P_in#num×23/(100+23)

ＩＨインバータ供給電力の合計値を検出することで、ＩＨインバータ個別の電力を検出せずに、演算することで求められるようになる。その結果、回路構成の複雑化，高コスト化することなく、チョッパ部後段に複数台のインバータが接続された誘導加熱装置において、各インバータが供給する電力を個別かつ正確に求めることが可能になる。

図２では、供給電力の制御に当たりＩＨインバータの動作周波数指令値を変化させて行なうようにしたが、オンデューティを変えるようにしても良い。その場合に異なるのは、電力供給比率演算器２３の構成であるが、先の数１の(１)式および数２の(２)式で求めたインバータ出力電圧の基本波成分をデューティを変数にして求め、周波数の場合と同様にして計算すれば、図４に相当するデューティ対供給電力比率特性を得ることができ、この特性から個別のインバータ供給電力を演算して求めるようにすれば良い。なお、データテーブルとしてメモリに記憶しておいて良いのも、上記と同様である。

この発明の実施の形態を示す回路図 この発明の別の実施の形態を示すブロック図 インバータ回路，その等価回路等の説明図 インバータ動作周波数と供給電力比率，位相角の関係説明図 第１の従来例を示す回路図 第２の従来例を示す回路図 図６の主回路を詳細に示す回路図

１…交流電源、２…整流回路、３…チョッパ、４，６…インバータ、５，７…加熱コイル、８，３１…コンデンサ、９…電圧検出器、１０，１１…制御部、１２…チョッパ制御部、１３…電力指令比較部、１４…電力指令決定部、１５…インバータ動作周波数決定部、１６…インバータオンデューティ決定部、２１…入力電力検出器、２２ａ〜２２ｎ…インバータ動作周波数検出器、２３…電力供給比率演算器、２４…インバータ個別供給電力演算器。

Claims (4)

1. 交流電源に接続される整流器と、この整流器の直流出力端に接続されるチョッパ部と、このチョッパ部の出力に複数のインバータ部を並列接続し、各インバータ部に加熱コイルを接続し、この加熱コイルに高周波電流を通流させることで被加熱物を加熱する誘導加熱装置において、
   前記チョッパ部の出力段とインバータ部の直流中間コンデンサ間を、直接または個別ダイオードを介して接続して前記複数のインバータ部が供給すべき電力の合計値を求め、この合計値から各インバータ部が供給する個別の電力を求められるようにし、前記インバータ部の供給電力を、インバータ部スイッチング素子の動作周波数を変化させて制御するときは、各インバータ部が個別に供給する電力を、インバータ部個別の動作周波数指令値から電力供給比率を求め、この電力供給比率と前記電力合計値とから求めることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記電力供給比率は動作周波数指令値から演算により求めるか、テーブルメモリから得ることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記インバータ部の供給電力を、インバータ部スイッチング素子のオンデューティを変化させて制御するときは、各インバータ部が個別に供給する電力を、インバータ部個別のオンデューティ指令値から電力供給比率を求め、この電力供給比率と前記電力合計値とから求めることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
4. 前記電力供給比率はオンデューティ指令値から演算により求めるか、テーブルメモリから得ることを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱装置。

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