JPS6015280Y2 - 誘導加熱用インバ−タ装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は誘導加熱用インバータ装置に関するもので、主
回路のスイッチのみでインバータの起動が自動的に行え
、操作が簡単であるεともに、被加熱物の温度制御、出
力制御、電力制御がきわめて簡単に行えるようにするこ
とを目的としたものである。

起動に関して従来のインバータ装置では、直列インバー
タ、並列インバータに限らす、まずサイリスタのゲート
回路の電源を投入し、所定の動作をゲート回路が開始し
始めて、静止電力変換回路の電源を投入し加熱動作を行
っていた。

いわゆるゲート回路の電源、次に静止電力変換回路の電
源を投入するという２段操作が行われていた。

その理由は、１操作の場合、電源スイツチ投入後ゲート
回路の電源電圧と、静止電力変換回路の電源電圧が同時
に上昇するので、ゲートパルス出力もそれに応じて変化
するが、ゲート電力不足によるホットスポットによる素
子破壊、あるいはサイリスタのゲート感度のバラツキに
より、感度の良いサイリスタがターンオンし、感度の悪
いサイリスタがターンオンできない瞬時があれば、ター
ンオンしているサイリスクは過電流または転流ミスによ
り、破壊に至る場合がある。

またゲートエネルギーが十分な場合でも、静止電力変換
回路の電圧が上昇途上で低いと、サイリスタはターンオ
ンできるが、転流用コンデンサに十分充電されていない
ため、転流エネルギーが不足し転流ミスする。

上記のように電力半導体素子が破壊４るか転流ミスし危
険な場合があり得る欠点があった。

次に半導体保護に関しで、インバ・−タ式誘導加熱では
、特に誘導加熱調理器の場合では、被加熱物である鍋の
材料、あるいは調理中に電源を通電したまま、鍋を移動
さす場合があるが、このように被加熱物の有無で、負荷
インピーダンスが大巾に変動し、サイリスタの端子電圧
が異常に高くなり、サイリスタの定格電圧を越えたり、
あるいは臨界電圧上昇率が大きくなり、サイリスタの誤
動作か破壊にいたるが、従来のインバータ装置には保護
回路は、はとんど考慮されていないのが現状である。

さらに転流ミスによるサイリスタ保護とし、で、、過電
流防止ス、イツーヂを設りるが、スイッチが開になると
きの動作電流が、大容量のものでないと起動時にインバ
ータの中にあるコンデンサの突入電流のために過電流保
護スイッチが誤動作することになる。

いわゆる起動時の突入電流は正常時の１０〜２にの電流
が流れるが、その電流で動作（〜ではならないから、過
電流スイッチの電流容量は、突入電流によって決まる。

しかし転流ミスの際のサイリスタに流れる電流が突入電
流よりも小さいと過電流保護スイッチは永久に作動せず
、サイリスタや他部品の破壊をもたらす結果となる。

これらの設計は電圧変動を考慮し７て決定するが、その
つり合いがむづかしい問題もある。

一番の問題は、インバータの正常動作中の電流より、若
干の裕度をもった過電流保護スイッチでなければ転流ミ
スの場合、信頼性のある保護ができない。

従来は先に述べたように、起動的にも耐、看・）るよう
に、大容量の過電流保護スイッチを設けていたので保護
に対する信頼性が悪かった。

以上のように、従来の誘導加熱用インバータ装置では、
起動、出力、温度および半導体保護を総合的に、かつ体
系的に制御するものはなかった。

本考案は、かかる従来の問題点に鑑みなされたもので、
使用者が容易に被加熱物の容量、形状に関係なく安全に
加熱作用を得ることができ、しかも加熱出力を適宜設定
することができるように（７たものである。

以下、本考案の一実施例について添付図面とともに説明
する。

第１図において商用電源１から主開閉器３および電流じ
］、−ズ２より、全波整流器４の交流入力側に接続４−
′る。

その出力の正極側は、チョーク５を介Ｌ２て平滑−１ン
デンザ６の一端に、また負極側は直接、平滑パンＴンサ
６の他端に接続する。

Ｓ＼らに、平滑コンデンサ６の正極側から過電流保護ス
イッチ７を介し、静止電力変換回路８（以下、インバー
タと称）・＼、−力負極側は直接、インバータ８に接続
する。

こう１−７で商用電源からの交流は、前記全波整流器４
とチ３−り５と平滑コンデンサ６により直流に変換１１
、インバータ８の電源として印加し、さらに高周波に変
換し、その高周波出力を誘導子１０に供給［７、負荷で
ある被加熱物を加熱する。

・一方、サイリスタのゲート回路を説明すると、インバ
ータ８の直流入力電圧を低電圧回路１２に供給し５、ゲ
ーＩ−回路の電圧源とする。

さらに低電圧回路１２からの低電圧直流出力は、出力ホ
制御回路１３、発振回路１４、そ１−、てフリップ゛ブ
ロッグ回路１５の電源となる。

−・方、被加熱物の淘庶検出のための感温素子１１ （
本実施例ではザ”Ｅスタ）からの検知信号１８およびイ
ンバータ８内［有］一部にあるサイリスタ９の端子電圧
を検知１、たサイリスタを保護するための電圧検知信号
１７を、出力制御回路１３に帰還腰その信号に応じて発
振回路１４の発振周波数が決定される。

その周波数“く１フリップフロップ回路１５が駆動−６
１’ンバ〜・−夕８のサイリスタのゲートヘゲ−Ｉ−信
号を供給する。

したがってインバータは、その周波数で発振１〜誘導子
１０に電力を供給し、被加熱物を加熱する。

また９、ある所定の金属を加熱する場合加熱周波数と高
周波出力電力の関係は、高域周波数誘導加熱においては
第２図に示すごとくになる。

これからす）かるように、発振周波数を２〜４．５ＫＨ
ｚ変化すると高周波出力Ｐは０．３〜３ＫＷと変化し、
また過電流保護スイッチ７を流れる電流１は２〜２０Ａ
変化する。

したがって、感温素子１１の温度が所定の温度になると
、発振周波数、ｆを下げて高周波出力Ｐを低下する。

それにより被加熱物の温度が下がるが、低下Ｉ〜すぎる
と発振周波数を上げて温度を高くする方向に働かすと、
設定された所定の温度近傍で一定となる。

さらに、インバータ８に電流を通じたまま、誘導子１０
から被加熱物の金属を除去すると０、誘導子１０はほと
んど誘導負荷としで、インバータに作用する。

そのためにす、イリスタ９の端子電圧が異常に高くなり
、ついではサイリスタの破壊をまねく場合がある。

したが−って、サイリスタＳの端子電圧を検知し、所定
電圧以上になると、発振周波数ｆを低下せし７め共振周
波数をずらせ電流１を下げることにより、サイリスタ端
子電圧が所定電圧以上にならないように保護する。

なお、インバータが作動中、万一、サイリスタが転流ミ
スＩ、た際には過電流が流れ、サイリスタや他の部品が
破壊しない上うに過電流保護ス、イツヂ７が瞬時に開と
なり、保護と安全を保障する。

また電流ヒユーズ２は、全波整流器４を含めた全回路の
短絡故障などの異常時に動作する。

に第３図について説明する。

第３図は出力制御回路１３の具体回路例を示し。

ており、Ａは出力電力設定回路、Ｂは起動用タイマー回
路、Ｃは温度制御回路、Ｄはザイリ゛スタ８などの半導
体保護回路、Ｅは上記Ａ−Ｄまでの出力をＯＲ回路で結
合し、各制御回路の出力信号を集合化する回路でその出
力は発振回路１４の入力となる。

本出力制御回路１３の基本的動作を説明すると、Ａ〜Ｄ
の各回路出力信号がＯＲ回路で集合されており、その信
号の中でトランジスタ４０に最も負のバイアスを与える
信号量でトランジスタ４０および４２が駆動し、その信
号量相応の導通状態を示す。

したがって発振回路１４の、発振周波数を決定する抵抗
４３と抵抗４４の合成抵抗値が、トランジスタ４２の導
通状態に応じて変化する。

合成抵抗値が変化すれば、コンデンサ４５への充電時定
数が変化するのでユニジャンクショントランジスタ（Ｕ
ＪＴ） ４７の発振周波数に応じて抵抗４８の端子パル
ス周期が変る。

いまトランジスタ４０のベース４０電位が、トランジス
タ４０のコレクターエミッタ間を完全導通ずるに十分な
電位にあるときは、トランジスタ４２のベー・−スーエ
ミツタ間電位は、トランジスタ４０のニー電圧となるの
で、トランジスタ４２は不４通になり、したがって、抵
抗４３と抵抗４４との和が発振定数となるので、この時
の周波数が２ＫＨｚとなる。

この場合が周波数の下限側の限界を決定する。

また、トランジスタ４０のベースｔｆｔ位４０’に八・
１−）からの信号が無い場合は、トランジスタ４０は不
導通、１−ランジスタ４２は抵抗４１によりベース電位
が供給され、完全導通となるので、抵抗４３は短絡され
、発振定数は抵抗４４のみとなる。

このときの周波数が４゜５ＫＨｚである。この場合が周
波数の、ｈ眼側の限界を決定する。

したがっでＡ〜Ｄの出力信号によりトランジスタベース
４０′の電位が決定され、その電位により発振周波数は
２へ・４．．５ＫＨｚの範囲内で変化する。

］７たがって高周波出力電力耘第２図の関係で変化する
。

次に良〜Ｄの回路内容に゛ついて説明する。

出力電力設定回路Ａは、ゼナーダイオード１９と抵抗２
０の直列回路に低電圧回路からの出力端子すなわちａ、
ｂ間電圧を図のごとく印加し出力電力調整用可変抵抗
器２１をゼナーダイオード１９に並列に接続したもので
ある。

１、たがって、規定の定電圧が摺動片２２に現れ、その
電位がＯＲ回路のダイオード３９を介し°（ベース４０
′の電位となる。

さらにベース４０′の電位がトランジスタ４０，４２に
作用し、発振定数である抵抗４３に寄与し前記のごとく
発振周波数を決定する。

１、たがって、出力電力調整用可変抵抗器２１の摺動片
２２により、出力電力を０．３〜３ＫＷの範囲内で調整
することができる。

次に起動用タイマー回路Ｂは、抵抗２３、コンデンサ２
４によるＲ、Ｃタイマー回路であって、主開閉器３を閉
じたときインバータ８内に含まれている転流コンデンサ
などの突入電流、あるいは被加熱物の材質によっては、
発振周波数とインバータの共振周波数が接近することに
より流れる過電流によって、電流保護スイッチ７が、不
要に断になるのを防止するために、起動初期は毎回２Ｋ
Ｈ２で発振し徐々に定常の４．５ＫＨｚ発振に移行さ
せるものである。

したがって電流１は徐々に増加するので過電流保護スイ
ッチ７は起動時に動作せず、サイリスタの転流ミスなど
異常の場合にしか動作し２ない。

そのために過電流保護スイッチ７の動作すべき電流値は
、４．５Ｋ Ｈｚ発振の場合に流れる２０Ａより若干余
裕をもたすだけでよいので、転流ミスなどの異常時には
直ちに動作するので、それだけ半導体にかかる負担が軽
減され破壊する割合が少くなる。

動作は、主開閉器３を閉じた瞬間はコンデンサ２４には
充電されていないため、制限抵抗２５、ダイオード３８
を介してベース４０′の電位は十分負にバイアスされ、
２ＫＨｚを発振する。

そして抵抗２３による電流で充電され、コンデンサ２４
の端子電圧は徐々に高くなり、その間ベース４０′の電
位もそれに応じ変化するので、発振周波数も高くなる。

そして、ついには所定の４．５ＫＨ２の発振定数となり
起動は終了する。

このように起動時において、インバータの共振周波数よ
りずっと低い周波数から発振を開始するために、従来の
欠点であったサイリスタの転流ミスによる過電流が流れ
ず、安全な起動が行える。

したがって従来のようにまずゲート電源を供給し、次に
インバータ回路に電源を供給するといった電源投入の操
作が必要でなく、１操作で起動から定常運転が行える。

温度制御回路Ｃは、温度設定用可変抵抗２７と抵抗２８
、さらにサーミスタ１１と抵抗２６でブリッジ回路を形
成したものである。

サーミスタ１１は高周波出力の誘導を受けやすい場所に
通常設置せざるを得ないので、高周波をバイパスするた
めコンデンサ１１′を接続る。

そして、温度が高くなりサーミスタ抵抗値が低くなると
ｎｐｎ形のトランジスタ２９が導通する方向に接続し、
そのコレクタはダイオード３７を介してベース４０′に
接続する。

温度設定用可変抵抗２７の抵抗値と抵抗２８との分圧比
によりトランジスタ２９のベース１位が決定され、その
電位よりサーミスタ１１の抵抗値によって、エミッタ電
位の方が高くなるとトランジスタ２９が導通し、ベース
４０′の電位を決定しトランジスタ４０が導通し、トラ
ンジスタ４２が不導通となるように作用する。

したがって発振周波数が低下し、高周波出力電力が低下
するので、温度は低下する。

そしてサーミスタ１１の抵抗値が大きくなると、逆の動
作をし、温度を上昇して設定した温度を維持する。

半導体保護回路りはサイリスタ９の耐圧保護を行なうも
のである。

抵抗３３と抵抗３４がサイリスタ９のアノードカソード
間に並列に接続され、検知回路を構成している。

サイリスタ９に異常な高圧が印加される状態になると、
ゼナーダイオード３０のゼナー電圧以上にトランジスタ
３１のベース電位がなり、ベース電流制限抵抗３２を通
じてベース電流が供給されるように、抵抗３３と抵抗３
４の分圧比を設け、規定値以上印加した場合を判別する
。

そして、トランジスタ３１が導通状態になると、コレク
タからダイオード３６を介して、ベース４０′の電位が
負にバイアスされ発振周波数は低下する。

発振周波数が低下するとインバータの発振周波数からは
ずれるので、サイリスク端子の電圧は低下し、さらに臨
界電圧上昇率も低下し、誤動作しないし、またサイリス
タを破壊することもない。

インバータ式誘導加熱で被加熱物の材質あるいは被加熱
物の有無で、負荷インピーダンスが大巾に変動しサイリ
スタの端子電圧が異常に高くなる場合があり、サイリス
タの定格電圧を越えたり、あるいは臨界電圧上昇率が大
きくなり、サイリスタが誤動作で破壊する場合があった
が、本発明のように保護回路を設けることによりそれら
を防止することができる。

したがって、被加熱物の材質に限定されることなく、加
熱することができる。

またインバータを動作中に被加熱物を取り去っても、サ
イリスクは保護され、安全に動作する特長があり、また
第２図かられかるように、周波数が低下するので高周波
出力も自動的に低下し、消費電力も節約できる。

逆に被加熱物を誘導子内に入れると、自動的に再び高周
波出力が増加するので、連続的に加熱ができ、従来のよ
うに被加熱物を入れて、その都度インバータを動作させ
るスイッチを入れる必要がなく、コンベアなどの流れ作
業が簡単に可能となる。

以上のように、出力電力設定回路Ａ１起動用タイマー回
路Ｂ１温度制御回路０１半導体保護回路りの出力信号を
ダイオード３６〜３９でＯＲ回路として、その最もバイ
アス電位の高い電位がＯＲ回路の出力として、次段の発
振回路に作用する。

上記のようにＯＲ回路で全制御回路の出力信号を集約し
、最終的に発振周波数だけを駆動しているので回路系が
簡単になる特長がある。

上記実施例では、最終的に発振周波数を駆動して各回路
の制御手段としているが、全波整流器４をサイリスタ位
相制御あるいは全波半波の切替えによりインバータの電
源電圧を変えてもその目的は達せられる。

勿論その場合、ゲート回路の電源電圧は一定となるよう
な回路構成にしなければならない。

また、上記実施例では、発振周波数を２〜４．５ＫＨｚ
変化させた場合について説明したが、本発明は、それ以
上の、例えば２０ＫＨ７以上の超可聴周波数での動作を
得るものも同様に実現することができる。

また、電力半導体は、サイリスクのみならず、ゲートタ
ーンオフサイリスタ、トランジスタなどのスイッチング
素子を用いてもよい。

ゲートターンオフサイリスタ、トランジスタを用いた場
合の出力制御には、周波数可変以外に導通期間の可変を
行なってもよい。

なお、加熱出力と加熱周波数の関係は被加熱物の種類に
よって異なるが、加熱周波数を変化させれば、加熱出力
が変化することについては変わりなく、また、誘導加熱
調理器として使用する場合には被加熱物の違いによる特
性の変化は実使用上何ら問題のないものである。

以上説明したように本考案は誘導加熱用インバータ装置
の発振周波数の上限と下限を設定し、各機能ブロックを
オア回路にて結合し、異常時または起動時及び出力電力
設定時に連続的に発振周波数を可変し、インバータの起
動時には起動タイマーを優先させて低出力から起動する
もので、発振周波数の上限と下限を設けてその周波数間
で各機能ブロックをダイオードオア回路で結合し安全動
作を確保するものであり、下記のような効果を期待する
ことができる。

（１）使用者が容易に被加熱物の容量、形状に応じて、
機器の安全動作に注意を払わすとも、簡単な操作で加熱
が可能となる。

また、特に加熱内容に応じて、被加熱物の温度あるいは
被加熱物への供給出力を選択調節することが可能である
。

（２）被加熱物の材質には、各種あるが（アルミ、鉄、
ステンレスなどの磁性体、非磁性体等）誘導加熱に適さ
ない材質を万一使用した場合でも、半導体素子を含む回
路部品は保護され、破壊することはない。

（３）出力制御、被加熱物の温度制御、起動制御、保護
などの出力信号をＯＲ動作で集合化しているため、全体
の回路構成が簡単となる。

（４） 被加熱物の有無により自動的に高周波出力が
制御でき節電が可能である。

また、これとの関連で、インバータは電源を閉にしたま
ま、流れ作業的に加熱ができ能率が上がり操作が単純に
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示すインバータ装置の主要
部をブロックダイヤグラムで示した回路図、第２図は高
周波出力と周波数の関係を示す図、第３図は第１図にお
ける出力制御回路１３の具体回路図である。 Ａ・・・・・・出力電力設定回路、Ｂ・・・・・・起動
用タイマー回路、Ｃ・・・・・・温度制御回路、Ｄ・・
・・・・半導体保護回路、Ｅ・・・・・・ＯＲ回路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 発振周波数で高周波出力を可変するインバータを設け、
   前記インバータは、被加熱物を誘導加熱する誘導子を含
   み、さらに誘導子に高周波電流を供給するための半導体
   素子とその導通制御する発振回路を備え、前記発振回路
   は入力信号量に上って発振周波数が変化する構成で、か
   つ、前記入力信号量とは無関係に発振周波数の上限と下
   限の限界を決定する回路を備え、前記入力信号量は、出
   力電力設定回路によって、任意に入力信号量を可変する
   手段と、前記半導体素子に印加される電圧を検知する検
   知回路と判別回路からなり規定値以上の過電圧の場合、
   出力を低下させるよう入力信号量を与える手段と、起動
   時に低出力となる限界側の発振周波数から徐々に発振周
   波数を変化させるよう、入力信号量を与える起動タイマ
   一手段と、被加熱物の温度を検知し、規定温度に達する
   と、出力を低下させる方向に入力信号量を与える手段か
   らなり、それぞれの入力信号量でもつεも低出力となる
   入力信号量が前記発振回路の発振周波数を決定づける誘
   導加熱用インバータ装置。