JP5369773B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して被加熱物の加熱を行う誘導加熱装置に関するものである。

従来、この種の誘導加熱装置は、商用電源からインバータへの入力電流に応じて加熱コイルに供給する高周波電流を制御している（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の誘導加熱調理器を示すものである。図６に示すように、商用電源１１と、第１及び第２の加熱コイル１６，１７と、商用電源を整流する第１及び第２の整流回路１２、２２と、整流回路の出力を高周波電力に変換しそれぞれの加熱コイルに高周波電力を供給する第１及び第２のインバータ１４，１５と、それぞれのインバータに供給される電流を検出する第１及び第２のカレントトランス１３，２３と、カンレントトランスの出力に応じてインバータの動作状態を制御するマイクロコンピュータ１８とから構成されている。

従来例の動作を説明する。図６において、マイクロコンピュータ１８は、第１及び第２のカレントトランス１３，２３で検出した入力電流が予め設定された電流値になるように第１及び第２のインバータ１４，１５内の半導体スイッチの導通時間を制御して、第１及び第２のインバータ１４，１５に接続された第１及び第２の加熱コイル１６，１７に必要な高周波電流を供給する。

第１及び第２の加熱コイル１６，１７に供給された高周波電流により、第１及び第２の加熱コイル１６，１７から発生する高周波磁界が、加熱コイルと磁気的に結合する鍋などの負荷に印加される。

この高周波磁界により鍋などの負荷に渦電流が発生し、この渦電流と鍋自身の表皮抵抗により鍋自身が発熱する。

また、第１及び第２の加熱コイル１６，１７に第１及び第２のインバータ１４，１５から同時に高周波電力を供給する時は、マイクロコンピュータ１８が、各インバータに接続されたカレントトランスで各インバータの入力電流を検出し、各インバータの入力電力が所定値になるように第１及び第２のインバータ内の半導体スイッチを独立して制御している。
特開２００１−２６７０５２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、複数の加熱コイルのそれぞれに高周波電力を供給するためのインバータと、整流回路と、カレントトランスとを複数個備える必要があり、回路が大型化して筐体内の収納が困難になるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、回路の小型化を可能とした誘導加熱装置を提供することを目的とする。

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、交流電源を整流する整流
回路と、前記整流回路の出力を高周波電力に変換し第１および第２の加熱コイルに電力を印加する第１および第２のインバータと、前記交流電源からの入力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力に応じて前記第１および第２のインバータ内の複数の半導体スイッチの導通時間を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は第１または第２のインバータの入力電流が目標値に達した後、他方のインバータとの同時動作を行うとしたものである。

これによって、整流回路と電流検出手段を、２つのインバータに対して共用化することができ、且つ、独立した２つのインバータの同時動作を行ってもそれぞれのインバータに所定の電力を供給することができる。

本発明の誘導加熱装置は、整流回路と電流検出手段を、２つのインバータに対して共用化した構成で２つのインバータの同時動作を行ってもそれぞれのインバータに所定の電力を供給することができ、回路の小型化が可能となり、回路の実装体積の少ない誘導加熱装置を実現することができる。

第１の発明は、交流電源を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を高周波電力に変換し第１および第２の加熱コイルに電力を印加する第１および第２のインバータと、前記交流電源からの入力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段に応じて前記第１および第２のインバータ内の複数の半導体スイッチの導通時間を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は第１または第２のインバータの入力電流が目標値に達した後、他方のインバータとの同時動作を行うとすることにより、整流回路と電流検出手段は、２つのインバータに対して共用化した構成で、独立した２つのインバータの同時動作を行っても、それぞれのインバータに所定の電力を供給することができ、インバータ回路の小型化が可能となり、回路の実装体積の少ない誘導加熱装置を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の第１および第２のインバータが同時に動作する際、少なくとも一方のインバータは一定時間ＯＮ状態とＯＦＦ状態が継続するデューティ制御を行うとすることにより、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で独立した２つのインバータの同時動作を行ってもそれぞれのインバータの入力電流を正確に検知することができ、各インバータに所定の電力を正確に供給することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明のデューティ制御を行う際に、互いのＯＦＦ状態が重ならないようすることにより、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で独立した２つのインバータの同時動作を行ってもそれぞれのインバータの入力電流を正確に検知することができるため、各インバータに所定の電力を正確に供給することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の第１および第２のインバータが同時に動作する際、制御手段は電流検出手段の検出値が目標値に到達した後、電流検出手段の検出値と目標値が一定時間内に所定値以上差が生じた場合に、第１および第２のインバータの少なくとも一方を停止させることにより、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で２つのインバータの同時動作を行ってもそれぞれの加熱コイル上の置かれた負荷を移動させるなどして加熱条件が変わった際に加熱動作を止めることができるため、不要な加熱動作を抑えることができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の第１および第２のインバータが同時に動作する際、制御手段は電流検出手段の検出値が目標値に到達した際の第１および第２のインバータ内の半導体スイッチの導通時間を安定時導通時間として、目標値の変更
がない場合、安定時導通時間から一定時間以上の導通時間に増加しない最大導通時間を設けることにより、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で独立した２つのインバータの同時動作を行っても、各バーナ上に置かれた負荷がずれた場合には、バーナの中心から負荷がずれるに従って入力電力を減少させることとなり、負荷がずれた状態で大きな入力電力を供給することを防止することができる。

第６の発明は、特に、第５の発明の制御手段は、第１および第２のインバータのいずれか一方が最大導通時間に達した場合、第１および第２のインバータの双方の導通時間の増加を禁止することにより、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で独立したインバータの同時動作を行ってもそれぞれの加熱コイル上に置かれた負荷を移動させた場合に、加熱コイルの中心から鍋がずれるに従って入力電力を減少させることとなり、鍋がずれた状態で大きな入力電力を供給することを防止することができる。

第７の発明は、特に、第５の発明の制御手段は、第１および第２のインバータのいずれか一方が最大導通時間に達した場合、第１および第２のインバータの少なくとも一方を停止させることにより、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で独立したインバータの同時動作を行ってもそれぞれの加熱コイル上の置かれた負荷を移動させた際に加熱動作を止めることとなり、不要な動作を押さえることができる。

以下、本発明の実施の形態にについて、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。

（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構成図を示すものである。

図１において、交流電源１と、交流電源を整流する整流回路２と、整流回路２の出力を高周波電力に変換する第１及び第２のインバータ４，５と、それぞれのインバータに接続されそれぞれのインバータから高周波電流が供給される第１及び第２の加熱コイル６，７と、交流電源からの入力電流を検出する電流検出手段３と、電流検出手段３からの出力に従い第１及び第２のインバータ内の半導体スイッチを制御する制御手段８とで構成している。

なお、第１のインバータ４と第１の加熱コイル６で第１のバーナ９を構成し、第２のインバータ５と第２の加熱コイル７で第２のバーナ１０を構成し、それぞれの加熱コイルの近傍に鍋などの負荷が配置される。

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。

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動作の流れ図を示すものである。

制御手段８は、第１または第２のバーナ９，１０の動作指令を受け取る（Ｓｔｅｐ１またはＳｔｅｐ１１）と、第１または第２のバーナ９，１０の動作を開始する（Ｓｔｅｐ２または１２）。

はじめに、第１または第２のバーナ９、１０上に載置された鍋などの負荷が加熱適合負荷かどうかを電気的な特性などを用いて判別し、不適合鍋の場合は加熱を停止させ（Ｓｔｅｐ４またはＳｔｅｐ１４）、もう一方のバーナの動作を許可する（Ｓｔｅｐ７またはＳｔｅｐ１７）。

この時、該当バーナに動作指令があった場合、制御手段８は、該当バーナの加熱を開始する（Ｓｔｅｐ１２またはＳｔｅｐ２）。

一方、制御手段８は、負荷が適合であるとみなした場合には加熱電力を順次増加させ、電流検出手段３により入力電流が設定値に達した時に該当バーナが目標値に達したと判断し（Ｓｔｅｐ５またはＳｔｅｐ１５）、同時動作を行っていない場合には（Ｓｔｅｐ６またはＳｔｅｐ１６）、もう一方のバーナの加熱動作を許可することになる（Ｓｔｅｐ７またはＳｔｅｐ１７）。

ここで、もう一方のバーナの加熱動作指令があると（Ｓｔｅｐ１１またはＳｔｅｐ１）、該当バーナの加熱動作を開始する（Ｓｔｅｐ１２またはＳｔｅｐ２）。

該当バーナ上の鍋が加熱適合負荷であるかを電気的な特性などを用いて判別し（Ｓｔｅｐ１３またはＳｔｅｐ３）、不適合鍋の場合は加熱を停止させ（Ｓｔｅｐ１４はＳｔｅｐ４）、一方適合負荷の場合は加熱電力を順次増加させ、電流検出手段３により入力電流が設定値に達した時に該当バーナが目標値に達したと判断し（Ｓｔｅｐ１５またはＳｔｅｐ５）、かつ同時動作の時は（Ｓｔｅｐ１６またはＳｔｅｐ６）、電力調整などの次の工程に移ることになる。

なお、単独バーナの入力電流の目標値はそれぞれのバーナの設定電流となり、同時加熱の目標値は両バーナの設定電流の合計値になる。

また、負荷の適合判別には入力電流、加熱コイル電流、加熱コイルの電圧などを組み合わせて行うことが可能であるが特に限定するものではない。

以上のように、本実施の形態においては、整流回路２と電流検出手段３を２つのインバータに対して共用させて、第１及び第２のバーナ９，１０を、一方のバーナの入力電流が予め各電力設定により設定値に達した後に他方のバーナとの同時加熱を行うことにより、独立した２つのインバータの同時動作を行ってもそれぞれのインバータに所定の電力を供給することができるため、インバータ回路の小型化が可能となり、回路の実装体積の少ない誘導加熱装置を実現することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における誘導加熱装置の２つのバーナ加熱時の電力定性変化グラフである。本実施の形態の構成は実施の形態１と同一である。

図３において、両バーナとも一定期間でＯＮ／ＯＦＦを繰り返すデューティ制御を行っており、平均電力はＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率で決まることになる。

制御手段８は、第１及び第２のバーナ９，１０の電力が設定値になるように第１及び第２のインバータ４，５内の半導体スイッチを動作させる。

ここで、同時加熱の際は電流検出手段３は、第１及び第２のバーナ９、１０の合計電流を検出することになるため、各バーナの個別電力がわからない場合が生じる。

そこで、少なくとも一方のバーナを、一定時間でＯＮ／ＯＦＦを繰り返すデューティー制御を行い、制御手段８は一方のバーナがＯＦＦ状態の時にもう一方の入力電流を検出し、両方のバーナが動作している時に合計の入力電流を検出することで各バーナの電力を確実に設定値とすることができる。

なお、二つのバーナの両方をデューティ制御する場合は、ＯＦＦ時間が重ならない様にすることにより、制御手段８は各バーナの入力電力をより正確に制御することができる。

以上のように、本実施の形態においては、２つのバーナの同時加熱を行う際に少なくとも一方のインバータは一定時間ＯＮ状態とＯＦＦ状態が継続するデューティ制御を行うことにより、整流回路２と入力電流検出手段３を共用化した構成で２つのインバータの同時動作を行っても、それぞれのインバータの入力電流を正確に検知することができ、各インバータに所定の電力を正確に供給することができる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態における誘導加熱装置の２つのバーナ加熱時の負荷変動時の入力電流変化グラフである。本実施の形態の構成は実施の形態１と同一である。

図４において、両バーナの同時加熱の際、電流検出手段３は合計電流を検出しているため、例えば負荷が加熱コイル上から取り除かれた際には、入力電流は設定値（目標値）に対して少ない状態が発生することになる。

そこで、制御手段８は、一定時間（Δｔ）の間に入力電流が目標値に対して少ない（ΔＩ）状態が継続した場合には、負荷に変動が生じたものと見なして各バーナを停止させる動作を行うことができる。

なお、図４では入力電流が目標値より一定量少ない場合を示しているが、一定量より多い場合が一定時間継続した場合も、負荷変動があったものとみなして停止させることが望ましい。

また、検出時間（Δｔ）は制御手段８が、入力電流が少ないことを検出して各インバータ内の半導体スイッチの導通時間または周波数を増加させる補正時間よりも短時間で行うことで、より検出精度をあげることが可能となる。

以上のように、本実施の形態においては、２つのバーナの同時加熱を行う際、制御手段８は電流検出手段３の検出値が目標値に到達した後、電流検出値３の検出値と目標値が一定時間内に所定値以上差が生じた場合に、第１および第２のインバータ４，５の少なくとも一方を停止させる。

これにより、整流回路と入力電流検出手段を共用化した構成で２つのインバータの同時動作を行ってもそれぞれの加熱コイル上の置かれた負荷を移動させるなどして加熱条件が変わった際に加熱動作を止めることができ、不要な加熱動作を抑えることができる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の第４の実施の形態における誘導加熱装置の２つのバーナ加熱時の半導体スイッチの導通時間変化グラフである。本実施の形態の構成は実施の形態１と同一である。

図５において、２つのバーナの同時加熱の際、電流検出手段３は２つのバーナの合計電流を検出しているため、例えば鍋などの負荷がはじめの載置状態からずれて置かれた場合には、制御手段８は入力電流が設定値（目標値）になるように第１または第２のインバータ４，５内の半導体スイッチの導通時間（Ｔｏｎ）を長くなるように制御することになる。

ここで、制御手段８は、入力電流が設定値（目標値）に到達した際の安定状態の導通時間を検出して（図５の導通時間Ａ）その時間を安定時導通時間とする。

その安定時導通時間より、一定時間（Δα）長くした導通時間を最大導通時間（図５の導通時間Ｂ）としてそれ以上導通時間が増加しないようにしている。

このことにより、鍋などの負荷がバーナの中心から更にずれても、最大導通時間（Ｔｏｎｍａｘ）以上に導通時間が増加しないため、加熱コイルと鍋などの負荷の結合が悪くなるに従い、入力電力は減少していくことになる。

よって、鍋などの負荷がバーナの中心からずれた状態で、負荷に不要に大電力が供給されることを防止することができる。

また、第１のバーナ９，第２のバーナ１０のいずれか一方の導通時間が最大導通時間（Ｔｏｎｍａｘ）に達した時点で、両バーナの導通時間の増加を制限する。

これにより、鍋などの負荷にずれが生じたバーナとは異なるバーナの電力を増加させた場合において、電力が片方のバーナに集中して供給されることを防止することができる。

また、第１のバーナ９，第２のバーナ１０のいずれか一方の導通時間が最大導通時間（Ｔｏｎｍａｘ）に達した時点で、少なくとも一方のバーナを停止させることで、鍋などの負荷にずれが生じたバーナとは異なるバーナの電流を増加させた電力が片方のバーナに集中することを防止することができる。

なお、本実施例ではＴｏｎに関する制限値を設けているが、周波数の変化による制御を行っている場合は安定周波数（ｆ）に対して許容できる最低周波数（ｆ−Δα：ｆｍｉｎ）を設けることで同様の制御を行うことが可能である。

以上のように、本実施の形態においては、２つのバーナの同時加熱を行う際、第１および第２のインバータ４，５が同時に動作する際、制御手段８は電流検出手段３の検出値が目標値に到達した際の第１および第２のインバータ４，５内の半導体スイッチの導通時間を安定時導通時間として、目標値の変更がない場合、安定時導通時間から一定時間以上の導通時間に増加しない最大導通時間を設けることで、整流回路と電流検出手段を共用化した構成で独立した２つのインバータの同時動作を行っても、各バーナ上の置かれた負荷が中心からずれた場合に、バーナの中心から負荷がずれるに従って入力電力を減少させることができるため、負荷が中心からずれた状態で大きな入力電力を供給することを防止することができる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、インバータ回路の小型化が可能となり、回路の実装う体積が少なくすることが可能となるので、複数バーナによる加熱をおこなう調理器に有効である。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の回路構成図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の動作の流れ図 本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の２つのバーナ加熱時の電力定性変化グラフ 本発明の実施の形態３における誘導加熱装置の２つのバーナ加熱時の負荷変動時の入力電流変化グラフ 本発明の実施の形態４における誘導加熱装置の２つのバーナ加熱時の半導体スイッチの導通時間変化グラフ 従来の誘導加熱調理器の回路構成図

１ 交流電源
２ 整流回路
３ 電流検出手段
４ 第１のインバータ
５ 第２のインバータ
６ 第１の加熱コイル
７ 第２の加熱コイル
８ 制御手段
９ 第１のバーナ
１０ 第２のバーナ

Claims (3)

1. 交流電源を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を高周波電力に変換し第１および第２の加熱コイルに電力を印加する第１および第２のインバータと、前記交流電源からの入力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力に応じて前記第１および第２のインバータ内の複数の半導体スイッチの導通時間を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は第１または第２のインバータの入力電流が目標値に達した後、他方のインバータとの同時動作を行う誘導加熱装置であって、前記第１および第２のインバータが同時に動作する際、前記制御手段は前記電流検出手段の検出値が前記目標値に到達した際の前記第１および第２のインバータ内の半導体スイッチの導通時間を安定時導通時間として、前記目標値の変更がない場合、前記安定時導通時間から一定時間以上の導通時間に増加しない最大導通時間を設けた誘導加熱装置。
2. 制御手段は、第１および第２のインバータのいずれか一方が最大導通時間に達した場合、第１および第２のインバータの双方の導通時間の増加を禁止する請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 制御手段は、第１および第２のインバータのいずれか一方が最大導通時間に達した場合、第１および第２のインバータの少なくとも一方を停止させる請求項１に記載の誘導加熱装置。

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