JPH088048A - 高周波誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】スイッチング素子の破壊を防止する。 【構成】交流電源３１を全波整流した脈流３２をスイッ
チングして直列共振回路２１に与えるスイッチング回路
１６と、直列共振回路２１の共振周波数近傍の基準信号
を生成する基準信号源２０と、直列共振回路２１に流れ
る電流値が設定値を超えない場合にはアンロック信号、
その他の場合にはロック信号を出力する電流判定部２３
と、出力がスイッチング回路１６に導かれ、アンロック
信号が出力されると基準信号に位相同期し、ロック信号
が出力されると直列共振回路２１に流れる信号に位相同
期するＰＬＬ回路１９と、直列共振回路２１の電流値が
予め定められた値以下になるとスイッチング回路１６の
動作を停止させる停止制御部１４とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流電源を全波整流す
ることにより得られた脈流のスイッチングを行うことに
より、加熱コイルに高周波電力を供給する高周波誘導加
熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電源の小型化を可能とする高周波誘導加
熱装置として、特開平３−２１６９８９号に示される技
術が提案されている。この従来技術は、交流電源を全波
整流することにより得られる脈流を所定周波数でスイッ
チングする構成としている。すなわち、平滑用のリアク
トルおよびコンデンサを省略して、電源の体積の減少を
図った構成となっている。そしてスイッチングにより得
られた高周波電力を、パルストランスを介して加熱コイ
ルとコンデンサとからなる直列共振回路に供給してい
る。このため直列共振回路に流れる電流は、脈流の各サ
イクル毎に、脈流の波形形状に対応して増減を繰り返
し、その最小値は０である。

【０００３】このため脈流の各サイクルにおいて、直列
共振回路に流れる電流が少なくなるときには、直列共振
回路に流れる電流に基づいた位相同期は不安定となる。
このため直列共振回路の電流値が最大時の数分の１以下
となる期間では、直列共振回路の共振周波数に近似した
周波数である基準信号に位相同期した信号を用いてスイ
ッチングを行っている。そして電流値が十分な値となる
期間では、直列共振回路に流れる電流波形に位相同期す
る信号でもってスイッチングを行っている。そのため電
流が充分な期間では、直列共振回路に供給される高周波
電力の周波数は、直列共振回路の共振周波数に正確に一
致しており、その結果として高い加熱効率を得ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記構成
を用いた加熱において、加熱コイルに断線が生じた場
合、あるいは加熱によって溶融した金属が加熱コイルに
飛び散った場合等では、高周波電力を生成するためのス
イッチング回路の負荷が短絡となったり、オープンとな
ったりする。このため、上記事態の発生に気付かずに加
熱を行ったときには、スイッチング回路に異常電流が流
れることとなって、スイッチング素子であるパワーＭＯ
ＳＦＥＴが破壊されるという問題を生じていた。

【０００５】本発明は上記課題を解決するため創案され
たものであって、請求項１記載の発明の目的は、直列共
振回路に異常が生じたときには、その共振周波数に変化
が生じることに着目し、直列共振回路に流れる電流に基
づいて異常を検出することにより、スイッチング素子の
破壊を防止することのできる高周波誘導加熱装置を提供
することにある。

【０００６】また請求項２記載の発明の目的は、直列共
振回路に流れる電流の異常の検出のタイミングを速める
ことにより、スイッチング素子の破壊の防止率を高める
ことのできる高周波誘導加熱装置を提供することにあ
る。

【０００７】また請求項３記載の発明の目的は、スイッ
チング素子の破壊の防止率を高めるに際し、停止制御部
の構成を簡単なものとすることのできる高周波誘導加熱
装置を提供することにある。

【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記載の発明の高周波誘導加熱装置は、交流電源
を全波整流することにより得られる脈流をスイッチング
し、スイッチングすることによって得られた高周波電力
を、加熱コイルとコンデンサとからなる直列共振回路に
供給するスイッチング回路と、直列共振回路の共振周波
数の近傍周波数を示す基準信号を生成する基準信号源
と、直列共振回路に流れる電流値と予め定められた設定
値との比較を行い、前記電流値が前記設定値を超えない
場合にはアンロック信号を出力し、前記電流値が前記設
定値を超える場合にはロック信号を出力する電流判定部
と、位相同期出力がスイッチングのタイミングを示す信
号としてスイッチング回路に送出され、アンロック信号
が出力されるときには基準信号に位相同期を行い、ロッ
ク信号が出力されるときには直列共振回路に流れる信号
に位相同期を行うＰＬＬ回路と、前記電流値が予め定め
られた値以下となったときには、スイッチング回路の動
作を停止させる停止制御部とを備えた構成としている。

【０００９】また請求項２記載の発明の高周波誘導加熱
装置は、停止制御部を、直列共振回路が正常動作を行う
ときロック信号が出力されるタイミングをロックタイミ
ングとし、このロックタイミングより遅れたタイミング
を検出タイミングとして、この検出タイミングにおい
て、前記電流値が所定値を超えていないときには、スイ
ッチング回路の動作を停止させる構成としている。

【００１０】また請求項３記載の発明の高周波誘導加熱
装置は、停止制御部を、検出タイミングにおいて、ロッ
ク信号が出力されているかどうかを判定し、この判定結
果に基づいて、電流値と所定値との関係を判定する構成
としている。

【００１１】

【作用】請求項１記載の発明の作用を以下に示す。

【００１２】スイッチング回路のスイッチング素子を破
壊する異常電流が流れるのは、加熱コイルに断線が生じ
た場合、あるいは加熱によって溶融した金属が加熱コイ
ルに飛び散った場合等である。このときには直列共振回
路の共振周波数に、ＰＬＬ回路が追従不能となる変化が
生じる。このため直列共振回路に流れる電流は減少し、
予め定められた値以下となることから、停止制御部はス
イッチング回路の動作を停止させる。

【００１３】請求項２記載の発明の作用を以下に示す。

【００１４】検出タイミングは、ロックタイミングより
遅れたタイミングであり、ロックタイミングが現れる周
期は、交流電源の周期の１／２である。そのため、異常
が生じたタイミングに対する検出タイミングの遅れは、
最長でも交流電源の半サイクル以内となる。また脈流の
電圧値が小さく、スイッチング回路に流れる電流値が少
ないタイミングにおいて異常を検出する確率が高くな
る。

【００１５】請求項３記載の発明の作用を以下に示す。

【００１６】ロック信号とアンロック信号とを生成する
電流判定部は、ＰＬＬ回路の動作を制御するために設け
られた回路であり、異常検出を行うかどうかに関わりな
く設けられる回路である。そのため設定値と所定値とを
等しい値とする場合、停止制御部にとっては、直列共振
回路に流れる電流値と所定値とを比較する回路が不要と
なる。

【００１７】

【実施例】以下に、本発明の一実施例について図面を参
照しつつ説明する。

【００１８】図１は、本発明の高周波誘導加熱装置の一
実施例の電気的構成を示すブロック図である。

【００１９】図において、整流回路１１は、ダイオード
ブリッジによって構成され、単相２００Ｖの交流電源３
１の全波整流を行うことにより得られた脈流３２をスイ
ッチング回路１６に供給するブロックとなっている。

【００２０】スイッチング回路１６は、４つのスイッチ
ング素子を用いた構成となっており、スイッチング素子
にはパワーＭＯＳＦＥＴを用いている。そして整流回路
１１より与えられた脈流３２に対して、極性の非反転と
反転とを交互に繰り返すスイッチングを行い、スイッチ
ングすることにより得られた高周波電力を、パルストラ
ンスＰＴを介して直列共振回路２１に供給する。

【００２１】直列共振回路２１は、加熱コイルＬとコン
デンサＣとによって構成されており、その共振周波数は
４００ＫＨｚ程度である。また加熱コイルＬは、高周波
遠心鋳造機の加熱コイルとなっている。そのため加熱停
止直後等において、溶融した金属が飛び散り、その飛沫
が入り込む場合があるため、短絡等の不具合が発生し易
いコイルとなっている。

【００２２】電流判定部２３は、直列共振回路２１に流
れ、カレントトランス２２によって検出される電流値
を、予め定められた設定値と比較するブロックである。
より詳細には、カレントトランス２２によって検出され
る電流波形は、脈流３２が４００ＫＨｚ近傍の周波数で
スイッチングされた波形である。このためカレントトラ
ンス２２の出力から包絡線を検出する直流結合の包絡線
検波回路を備えており、この包絡線検波回路からは、脈
流３２の波形に近似した波形（図３に示す波形３６ａ，
３６ｂ参照）が出力される。そして包絡線検波回路から
出力された波形が設定値を超えない期間では、その信号
３７にアンロック信号（Ｌレベル）を出力する。また出
力された波形が設定値を超える期間では信号３７にロッ
ク信号（Ｈレベル）を出力する。

【００２３】なお、上記した包絡線検波回路には種々の
構成を用いることが可能であるが、本実施例では、半波
整流回路と、４００ＫＨｚ近傍の周波数成分を除去する
積分回路とによる構成を用いている。

【００２４】移相回路２４は、カレントトランス２２に
よって検出された検出波形に対し、その内部に設けられ
た可変抵抗器の設定値に対応した角度の移相を行い、移
相した検出波形をＰＬＬ回路１９に送出するブロックで
あり、交流電源３１の力率の改善を行うものである。

【００２５】基準信号源２０は、直列共振回路２１の共
振周波数である４００ＫＨｚ近傍の周波数である基準信
号を生成するブロックとなっている。また直列共振回路
２１は、その共振周波数である４００ＫＨｚより低い周
波数で駆動する場合には、交流電源３１の力率を大きく
悪化させることから、基準信号には、４００ＫＨｚより
高い周波数が選ばれており、具体的には４４０ＫＨｚと
なっている。

【００２６】ＰＬＬ回路１９は、位相比較器、ループフ
ィルタ、チャージポンプ、ＶＣＯからなる従来技術とし
て公知の位相同期部１７と、基準信号源２０から出力さ
れる基準信号と移相回路２４の出力とを切り換えるスイ
ッチ１８とによって構成されている。そして電流判定部
２３からアンロック信号が出力されるときには、基準信
号に位相同期を行う。またロック信号が出力されるとき
には、直列共振回路２１の共振信号に位相同期を行う。

【００２７】ゼロクロス検出回路１２は、交流電源３１
の電圧が０Ｖとなるタイミングの検出を行い、図３の符
号３３により示すように、検出したタイミングを立ち上
がりエッジで示すゼロクロスパルスの列を生成する。そ
して生成したパルスをスタート回路１３と停止制御部１
４とに送出する。

【００２８】スタート回路１３は、ＣＰＵ等を主要部と
して構成された制御部から、加熱開始を指示するスター
ト信号３８が与えられると、交流電源３１がゼロクロス
する時刻までスタート信号３８を遅延させることによ
り、スイッチング回路１６の動作をソフトスタートさせ
るためのブロックである。

【００２９】停止制御部１４は、直列共振回路２１に流
れる電流値が予め定められた値以下となったとき、スイ
ッチング回路１６の動作を停止させるブロックとなって
いる。そのため、直列共振回路２１が正常動作を行うと
き、ロック信号が出力されるタイミングをロックタイミ
ングとし、このロックタイミングより遅れたタイミング
を検出タイミングとすると、この検出タイミングにおい
て、直列共振回路２１の電流値が所定値を超えているか
どうかを判定する。

【００３０】より具体的には、判定の基準となる所定値
を、電流判定部２３における設定値と等しい値としてい
る。そのため、検出タイミングにおいて、既にロック信
号が送出されている場合では、直列共振回路２１の電流
値は所定値以上であり、アンロック信号が送出されてい
る場合では、所定値以下であると判定する。そして所定
値以下と判定した場合には、スイッチング回路１６の動
作を停止させる。

【００３１】表示部１５は、直列共振回路２１の異常に
よって動作が停止した場合、停止制御部１４の出力に基
づいて、その停止を表示するブロックであり、警報を示
す大型の赤色ＬＥＤと、その駆動回路とにより構成され
ている。

【００３２】図２は、スタート回路１３と停止制御部１
４との詳細な電気的接続を示す回路図となっており、ス
タート回路１３は、フリップフロップ５１とＡＮＤゲー
ト５２とにより構成されている。また停止制御部１４
は、遅延素子５４とフリップフロップ５５とによって構
成されている。

【００３３】フリップフロップ５１は、ゼロクロスパル
スの立ち上がりエッジでもってスタート信号３８を読み
込むことにより、スタート信号３８がどのようなタイミ
ングでもって送出された場合でも、交流電源３１が０Ｖ
近傍となったとき、動作開始の指示を出力する。

【００３４】遅延素子５４は、直列共振回路２１の電流
値の検出のタイミングを決定するための素子となってい
る。そのため直列共振回路２１が正常であるとき、ロッ
ク信号が送出されるロックタイミングを図３の時刻Ｔ１
により示すと、時刻Ｔ１より遅れた検出タイミング（時
刻Ｔ２）を示すため、ゼロクロスパルスに期間ｔ１の遅
延を与えたパルス（符号６１により示す）を生成する。

【００３５】なお、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２との隔たり期間
ｔ２については、ノイズ等の影響によって、ゼロクロス
パルスの送出タイミングがばらつくと共にロックタイミ
ングＴ１がばらついた場合にも、時刻Ｔ２が時刻Ｔ１よ
り後の時刻となることが保証される範囲で、最小値が選
択される。これは、スイッチング回路１６の動作を停止
させるタイミングが速いほど、スイッチング回路１６の
破壊を防止する確率が高まることによる。

【００３６】フリップフロップ５５は、検出タイミング
において電流判定部２３の信号３７を読み込むことによ
り、読み込んだレベルに基づき、異常の発生を判定す
る。またスタート回路１３に設けられたＡＮＤゲート５
２は、スタート信号３８のレベルの変化時近傍におい
て、不要のＨレベルが外部に送出されることを防止する
ゲートとなっている。

【００３７】上記構成からなる本発明の一実施例につい
て、以下に動作を説明する。なお、図３における信号３
４ａ〜３７ａのそれぞれ、および信号３４ｂ〜３７ｂの
それぞれは同一信号であり、図１に示す信号３４〜３７
を示している。そして信号３４ａ〜３７ａは異常が無い
場合の波形、信号３４ｂ〜３７ｂは異常が生じた場合の
波形を示している。

【００３８】加熱の停止状態では、スイッチ１８のｃ接
点はａ接点に接続されている。この状態においてスター
ト信号３８に、動作開始を指示するＨレベルが送出され
ると、時刻Ｔ３においてスタート回路１３の信号３５ａ
がＨレベルとなる。そのためスイッチング回路１６は、
基準信号により示される周期でもってスイッチング動作
を開始する。そして時刻Ｔ１となり、直列共振回路２１
の電流値が設定値を超えたときには、電流判定部２３の
信号３７ａに、ロック信号を示すＨレベルが送出され
る。この結果、スイッチ１８のｃ接点がｂ接点に接続さ
れることになるため、スイッチング回路１６は、直列共
振回路２１に、共振周波数に位相同期した高周波電力の
供給を開始する。

【００３９】そして脈流３２の電圧が減少し、時刻Ｔ４
となったときには、電流判定部２３の信号３７ａに、ア
ンロック信号を示すＬレベルが送出される。その結果、
スイッチング回路１６は、基準信号により示される周波
数の高周波電力を直列共振回路２１に供給する。以下同
様の繰り返しとなる。

【００４０】上記動作の結果として、対象物である金属
が溶融され、鋳型の回転によって鋳造が行われる。この
鋳造における鋳型の回転により、加熱停止後、溶融した
金属の飛沫が加熱コイルＬに飛び散ったとする。その結
果、加熱コイルＬに短絡が生じ、直列共振回路２１の共
振周波数に変化が生じる。このことに気付かず、鋳型の
交換を行った後、加熱の再開を行ったとする。

【００４１】この場合、時刻Ｔ１までの動作は上記動作
と同様であるが、直列共振回路２１の共振周波数が基準
信号の周波数から隔たっているため、時刻Ｔ１における
直列共振回路２１の電流値は設定値を超えるレベルとは
ならない。このため、検出タイミングである時刻Ｔ２に
なったときにも、電流値は設定値以下に止まる。その結
果、電流判定部２３の信号３７ｂは、アンロック信号を
示すＬレベルのままである。このＬレベルは、時刻Ｔ２
においてフリップフロップ５５に読み込まれ、ＡＮＤゲ
ート５２の信号３５ｂを、ＨレベルからＬレベルに変化
させる。その結果、スイッチング回路１６は、時刻Ｔ２
においてスイッチング動作を停止する。

【００４２】図３の符号３６ｂ，３７ｂにおける破線部
分は、スイッチング動作を停止しなかった場合に想定さ
れる波形を示しており、時刻Ｔ５においてスイッチング
素子に流れる電流は、素子破壊を招く恐れのある値とな
る。しかしスイッチング動作は、脈流３２の電圧値が低
く、従ってスイッチング素子に流れる電流値が少ない時
刻Ｔ２において停止している。つまりスイッチング素子
の破壊が生じる以前において、スイッチング回路１６は
動作を停止する。

【００４３】このように、加熱停止後に直列共振回路２
１に異常が生じた場合では、動作の再開時の脈流３２の
最初のサイクルの初期において動作停止となる。このた
めスイッチング素子の破壊の防止率は１００％である。

【００４４】また動作中の任意の時刻において直列共振
回路２１に異常が発生した場合、その検出は脈流３２の
１サイクル（交流電源３１の半サイクル）以内において
行われる。このことは、直列共振回路２１に流れる電流
値を、積分回路を用い、実効値として検出する判定方法
と比したときには、その検出速度が極めて改善されてお
り、スイッチング素子の破壊の防止率を高めている。ま
た加熱中の各サイクルにおいて、異常が期間ｔ３におい
て発生した場合では、過大電流も比較的小さな値に止ま
ると共に、その期間も短いことから、この場合にはほぼ
１００％の高い確率でもってスイッチング素子の破壊が
防止される。

【００４５】

【発明の効果】請求項１記載の発明に係る高周波誘導加
熱装置は、交流電源を全波整流することにより得られる
脈流をスイッチングし、スイッチングすることによって
得られた高周波電力を、加熱コイルとコンデンサとから
なる直列共振回路に供給するスイッチング回路を備えて
いる。また直列共振回路の共振周波数の近傍周波数を示
す基準信号を生成する基準信号源と、直列共振回路に流
れる電流値と予め定められた設定値との比較を行い、前
記電流値が前記設定値を超えない場合にはアンロック信
号を出力し、前記電流値が前記設定値を超える場合には
ロック信号を出力する電流判定部を備えている。また、
その位相同期出力が、スイッチングのタイミングを示す
信号としてスイッチング回路に送出され、アンロック信
号が出力されるときには基準信号に位相同期を行い、ロ
ック信号が出力されるときには直列共振回路に流れる信
号に位相同期を行うＰＬＬ回路を備えている。また前記
電流値が予め定められた値以下となったときには、スイ
ッチング回路の動作を停止させる停止制御部を備えてい
る。そのため直列共振回路に異常が生じたときには、こ
の異常を直列共振回路の電流値の低下として検出する。
そして、この検出に基づいてスイッチング回路の動作を
停止させているため、スイッチング素子の破壊を防止す
ることが可能となる。

【００４６】また請求項２記載の発明に係る高周波誘導
加熱装置は、直列共振回路が正常動作を行うときロック
信号が出力されるタイミングをロックタイミングとし、
このロックタイミングより遅れたタイミングを検出タイ
ミングとして、この検出タイミングにおいて、直列共振
回路の電流値が所定値を超えていないときには、スイッ
チング回路の動作を停止させる構成としている。そのた
め直列共振回路の異常の検出は、脈流の１サイクル以内
において行われる。かつ脈流の電圧が低く、スイッチン
グ素子に流れる電流値が少ないうちに異常を検出する率
を高めている。そのためスイッチング素子の破壊の防止
率を高めることが可能になるという効果を奏する。

【００４７】また請求項３記載の発明に係る高周波誘導
加熱装置は、検出タイミングにおいてロック信号が出力
されているかどうかを判定し、判定結果に基づいて、直
列共振回路の電流値と所定値との関係を判定する構成と
している。そのため異常検出を行うかどうかに関わりな
く設けられる回路によって異常が検出されることとな
り、回路が共有される。すなわち直列共振回路に流れる
電流値と所定値とを比較する回路を別途設けることが不
要となる。このため停止制御部の構成を簡単化すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る高周波誘導加熱装置の一実施例の
電気的構成を示すブロック図である。

【図２】スタート回路と停止制御部との詳細な電気的接
続を示す回路図である。

【図３】本発明の一実施例の主要信号を示すタイミング
チャートである。

【符号の説明】 １３ スタート回路 １４ 停止制御部 １６ スイッチング回路 １９ ＰＬＬ回路 ２０ 基準信号源 ２１ 直列共振回路 ２３ 電流判定部 ３１ 交流電源 ３２ 脈流 Ｌ 加熱コイル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源を全波整流することにより得ら
   れる脈流をスイッチングし、スイッチングすることによ
   って得られた高周波電力を、加熱コイルとコンデンサと
   からなる直列共振回路に供給するスイッチング回路と、 前記直列共振回路の共振周波数の近傍周波数を示す基準
   信号を生成する基準信号源と、 前記直列共振回路に流れる電流値と予め定められた設定
   値との比較を行い、前記電流値が前記設定値を超えない
   場合にはアンロック信号を出力し、前記電流値が前記設
   定値を超える場合にはロック信号を出力する電流判定部
   と、 位相同期出力がスイッチングのタイミングを示す信号と
   して前記スイッチング回路に送出され、前記アンロック
   信号が出力されるときには前記基準信号に位相同期を行
   い、前記ロック信号が出力されるときには前記直列共振
   回路に流れる信号に位相同期を行うＰＬＬ回路と、 前記電流値が予め定められた値以下となったときには、
   前記スイッチング回路の動作を停止させる停止制御部と
   を備えたことを特徴とする高周波誘導加熱装置。
2. 【請求項２】 前記停止制御部は、前記直列共振回路が
   正常動作を行うとき前記ロック信号が出力されるタイミ
   ングをロックタイミングとし、このロックタイミングよ
   り遅れたタイミングを検出タイミングとして、この検出
   タイミングにおいて、前記電流値が所定値を超えていな
   いときには、前記スイッチング回路の動作を停止させる
   ことを特徴とする請求項１記載の高周波誘導加熱装置。
3. 【請求項３】 前記停止制御部は、前記検出タイミング
   において、前記ロック信号が出力されているかどうかを
   判定し、この判定結果に基づいて、前記電流値と前記所
   定値との関係を判定することを特徴とする請求項２記載
   の高周波誘導加熱装置。