JP2004071444A - 電磁誘導加熱調理器 - Google Patents
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Abstract
【課題】制御動作により積極的に遅れ位相の領域での運転を実現することで、効率の良い、また最大出力を増大できる電磁誘導加熱調理器を得ることを目的とする。
【解決手段】電力演算回路１からの電力検出値Ｗと電力設定器７からの電力設定値ＷＡとを入力して動作する電力制御用差動増幅器４、位相差検出回路２からの位相差信号γと位相差設定器８からの位相差下限設定値γＡとを入力して動作する位相差制御用差動増幅器５、両差動増幅器４、５にそれぞれダイオードＤ１、Ｄ２を介して接続されたＶ／ｆコンバータ６、およびＶ／ｆコンバータ６からの周波数指令信号に応じてインバータのスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２を駆動する駆動回路３を備え、位相差を遅れ位相の範囲内に保持するようインバータの出力周波数を制御する。
【選択図】 図１
【解決手段】電力演算回路１からの電力検出値Ｗと電力設定器７からの電力設定値ＷＡとを入力して動作する電力制御用差動増幅器４、位相差検出回路２からの位相差信号γと位相差設定器８からの位相差下限設定値γＡとを入力して動作する位相差制御用差動増幅器５、両差動増幅器４、５にそれぞれダイオードＤ１、Ｄ２を介して接続されたＶ／ｆコンバータ６、およびＶ／ｆコンバータ６からの周波数指令信号に応じてインバータのスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２を駆動する駆動回路３を備え、位相差を遅れ位相の範囲内に保持するようインバータの出力周波数を制御する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータを使用して加熱コイルに高周波電流を供給し電磁誘導で調理鍋を加熱する電磁誘導加熱調理器に係り、特に、上記インバータが進み位相で運転されることを防止する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
電磁誘導加熱調理器は、火種を使用せず安全であること、また燃費が安いこと等から外食産業分野や家庭への普及が進んでいる。
図１５は、よく知られたこの種電磁誘導加熱調理器の主回路構成図である。図において、ＤＲ１は商用周波数の交流電源（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を直流に整流する整流器、Ｃ１は平滑コンデンサ、ＳＷ１、ＳＷ２はハーフブリッジ形のインバータを構成するスイッチング素子で、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴが使用される。Ｌは共振コンデンサＣ２、Ｃ３とでシングルエンドプッシュプル方式の直列共振回路を形成する加熱コイルで、この加熱コイルＬの上に調理鍋を置いて電磁誘導により加熱を行う訳である。
【０００３】
ところで、この種のインバータにあっては、その出力電流が出力電圧に対して進み位相の領域で動作すると、貫通電流が流れたりサージ電圧が発生してスイッチング素子が故障する可能性が高い。以下この不具合の現象を簡単に説明する。
図１６はインバータの出力電流が出力電圧に対して位相差γだけ遅れている場合の波形、図１７は逆にインバータの出力電流が出力電圧に対して位相差γだけ進んでいる場合の波形を示す。両図から、上アーム（ＳＷ１）、下アーム（ＳＷ２）に流れる電流波形は、遅れ位相および進み位相においてそれぞれ図１８の（ａ）および（ｂ）に示すようになる。図の零基線より下の部分の電流は、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴに内蔵されている逆並列ダイオード（図１９参照）を流れることになる。
【０００４】
従って、電流の極性がマイナスからプラスに変わるとき、遅れ位相の場合は、内蔵ダイオードの電流から同じＭＯＳＦＥＴの順方向電流に移るので特に問題は生じない。これに対し、進み位相の場合は、内蔵ダイオードの電流から他方のＭＯＳＦＥＴの順方向電流に移るので、ダイオードの逆回復時間が存在しその逆漏れ電流により上下アームを貫通する電流が流れ短絡状態となる。
また、逆漏れ電流のピーク値から０に戻るときの電流変化率ｄｉ／ｄｔが大きいことからサージ電圧が発生する。
【０００５】
このため、従来の電磁誘導加熱調理器においては、位相差γを検出し、予め設定した位相差の下限値γ０と比較し、γ＝γ０になった時点でインバータの出力周波数を低下させる動作を停止させるようにしていた。しかし、この方法では、負荷の変化（鍋の位置・材質・大きさ等の変化）による共振周波数の変化に追従できず、過渡的に進み位相で動作してしまう可能性がある。従って、進み位相での動作を確実に防止するためには、位相差の下限値γ０の値を十分大きい値に設定せざるを得ず、結果として、運転力率の低下により効率が悪く、最大出力が大幅に制限されるという問題点があった。
【０００６】
この発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、制御動作により積極的に遅れ位相の領域での運転を実現することで、効率の良い、また最大出力を増大できる電磁誘導加熱調理器を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、コンデンサとで直列共振回路を形成する加熱コイル、この加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ、およびこのインバータの入力電力を検出しこの電力検出値が電力設定値となるよう上記インバータの出力周波数を制御する電力制御手段を備えた電磁誘導加熱調理器において、
上記インバータの出力電圧と上記加熱コイルに流れる電流との位相差を検出する位相差検出手段、および上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内で設定された位相差下限設定値以下となったとき上記電力制御手段の動作に優先し上記位相差を遅れ位相の範囲内に保持するよう上記インバータの出力周波数を制御する位相差制御手段を備えたものである。
【０００８】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内であって上記位相差下限設定値より更に小さい値に設定された位相差最下限設定値以下となったとき上記インバータの出力周波数を一旦最高値にし、以降上記電力制御手段または位相差制御手段の動作で制御されるまで上記インバータの出力周波数を漸次下降させるようにしたものである。
【０００９】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記位相差検出値が、上記位相差最下限設定値以下となった後所定時間上記位相差検出値が上記位相差下限設定値以下に留まる場合上記インバータを停止させるインバータ停止手段を備えたものである。
【００１０】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記インバータ停止手段により上記インバータを停止させた場合、上記停止後、所定の時間間隔で所定の短時間上記インバータを最高周波数で動作させ、上記位相差検出値が上記位相差下限設定値を越えたとき上記インバータを上記停止前の運転状態に復帰させるようにしたものである。
【００１１】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、コンデンサとで直列共振回路を形成する加熱コイル、この加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ、このインバータの入力電力を演算する電力演算回路、上記インバータの出力電圧と上記加熱コイルに流れる電流との位相差を検出する位相差検出回路、上記電力演算値と手動設定による電力設定値とを入力し前者入力値が後者入力値越えると出力電位の極性が正となるように設定された電力制御用差動増幅器、上記位相差検出値と遅れ位相の範囲内で設定された位相差下限設定値とを入力し前者入力値が後者入力値未満になると出力電位の極性が正となるように設定された位相差制御用差動増幅器、および抵抗接地された入力端にそれぞれダイオードを介して上記両差動増幅器の出力端が接続され上記入力端の電位が零（接地）電位のとき上記インバータを最低周波数で制御するための周波数指令信号を出力するよう入力電位を周波数指令信号に変換するＶ／ｆコンバータを備えたものである。
【００１２】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記インバータの運転開始時における電力設定を自動的に行うため該運転開始時に最大で以降所定の勾配で零に漸減する電位を出力するソフトスタート回路を備え、このソフトスタート回路の出力端をダイオードを介して上記Ｖ／ｆコンバータに接続し、上記Ｖ／ｆコンバータは、その入力端の電位が上記最大電位のとき上記インバータを最高周波数で制御するための周波数指令信号を出力するものである。
【００１３】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内であって上記位相差下限設定値より更に小さい値に設定された位相差最下限設定値以下となったとき上記最大電位を出力し以降所定の勾配で零に漸減する電位を出力する位相差回復回路を備え、この位相差回復回路の出力端をダイオードを介して上記Ｖ／ｆコンバータに接続したものである。
【００１４】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器の位相差回復回路は、上記位相差検出値が上記位相差最下限設定値以下となったとき上記最大電位の単パルスを出力するとともに、上記単パルスの出力で上記ソフトスタート回路を起動させる比較器で構成したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電磁誘導加熱調理器の全体を示す回路構成図、図２はその内、本願発明の主要部となるインバータの出力周波数制御機構を示す図である。主回路構成については先に説明したものと同様であるので、以下、制御回路の構成を中心に説明する。図において、１は平滑コンデンサＣ１の電圧（インバータの入力電圧）を検出する電圧検出器ＰＴ１からの信号とインバータの入力端の電流を検出する電流検出器ＣＴ１からの信号とを入力してインバータの入力電力Ｗを演算する電力演算回路、２は後述する駆動回路３からの信号と加熱コイルＬに流れる電流を検出する電流検出器ＣＴ２からの信号とを入力してインバータの出力電圧と電流との位相差γを検出する位相差検出回路、３はスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２をオンオフする駆動信号を生成する駆動回路で、この駆動信号はインバータの出力電圧の位相を示すことから既述した位相差検出回路２にも送出され電圧位相の検出に利用される。
なお、後段でも触れるが、図１の位相差検出回路２においては、その出力位相差γは、遅れ位相差が小さくなるにつれてその電位が大きくなる信号としている。
【００１６】
４は電力制御用の差動増幅器で、その非反転入力端に電力演算回路１からの入力電力信号Ｗが、その反転入力端に電力設定器７からの電力設定値ＷＡがそれぞれ入力される。従って、差動増幅器４は、入力電力Ｗが電力設定値ＷＡより小さいときは両者の偏差分を増幅した負の電位を出力し、入力電力Ｗが電力設定値ＷＡより大きくなると両者の偏差分を増幅した正の電位を出力する。
なお、電力設定器７は、調理者が調理内容に応じて適宜調整するボリュームに連動している。
５は位相差制御用の差動増幅器で、その非反転入力端に位相差検出回路２からの位相差信号γが、その反転入力端に位相差設定器８からの位相差下限設定値γＡがそれぞれ入力される。従って、差動増幅器５は、位相差信号γが下限設定値γＡより小さい（実際は、位相差検出値が設定値より大きい場合に相当する）ときは両者の偏差分を増幅した負の電位を出力し、位相差信号γが下限設定値γＡより大きく（実際は、位相差検出値が設定値より小さい場合に相当する）なると両者の偏差分を増幅した正の電位を出力する。
【００１７】
６はダイオードＤ１を介して差動増幅器４と、またダイオードＤ２を介して差動増幅器５とそれぞれ接続されたＶ／ｆコンバータで、その入力端の電位に応じて変化する周波数指令信号を駆動回路３に送出してインバータの出力周波数を決定する。
なお、図２に示すように、Ｖ／ｆコンバータ６の入力端は抵抗Ｒ１を介して接地されている。従って、差動増幅器５の出力電位ａ、差動増幅器４の出力電位ｂおよび後述するソフトスタート回路１０の出力電位ｄのいずれかが正の値とならない限りＶ／ｆコンバータ６の入力端の電位ｃは零電位に保たれ、Ｖ／ｆコンバータ６はその入力電位が零のときインバータを最低周波数で制御するための周波数信号を出力する。ここで、インバータの最低周波数は、載置される調理鍋を含む加熱コイルＬと共振コンデンサＣ２、Ｃ３とからなる直列共振回路の共振周波数より若干高い値に設定される。
【００１８】
Ｖ／ｆコンバータ６の入力端には、差動増幅器４、５に加えてソフトスタート回路１０がダイオードＤ３を介して接続されている。調理者が調理器の電源をＯＮにし、電力設定器７でいきなり高い電力値を設定すると、適正な調理鍋が適正な位置にセットされていないような場合、過大な電流が流れて装置が停止する可能性がある。ソフトスタート回路１０はこのような状況を想定して設けられるもので、運転開始時、たとえ、急に高い電力値が設定されても、ソフトスタート回路１０の動作により小電力から緩やかに電力を増大させる。
図３はこのソフトスタート回路１０の内部構成を示す。運転指令回路９から単パルスのＯＮ信号が入力されると、スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）ＳＷ３がオンし、コンデンサＣ４が電源Ｅにより充電される。抵抗Ｒ２を小としてコンデンサＣ４の電圧を急速に立ち上げる。運転指令回路９からの単パルスが立ち下がるとＳＷ３はオフし、コンデンサＣ４の電圧は、Ｃ４と抵抗Ｒ３とで決まる時定数で徐々に下がっていく。
【００１９】
次に、典型的な状況下での動作例をタイミングチャートを参照して説明する。先ず、図４は、運転開始後、ソフトスタートで電力が次第に増大していくが、電力Ｗがその設定値ＷＡに達するまでに位相差γがその下限設定値γＡに達し、以後、インバータの出力周波数がこの位相差に基づき制御される様子を示す。
時間ｔ＝ｔ０で運転指令回路９からＯＮの指令が出されソフトスタート回路１０に単パルスが入力されると、ソフトスタート回路１０の出力電位ｄが急峻に立ち上がり、Ｖ／ｆコンバータ６の入力電位ｃは上記電位ｄと等しくなって立ち上がる。上記単パルスが立ち下がるタイミング（ｔ＝ｔ１）でソフトスタート回路１０の出力電位ｄが最高値となり、このタイミングでインバータの運転がＯＮされ最高周波数での出力を開始する。そして、出力電位ｄの垂下特性に応じて出力周波数が低減していく。
なお、上記タイミングまでの両差動増幅器４、５の出力電位ｂ、ａは、入力電力Ｗおよび位相差γが共にそれぞれの設定値に対して十分低いため、負極性で飽和しており、インバータがＯＮした後、速やかに立ち上がる。
【００２０】
インバータの周波数が下降するにつれて位相差γおよび入力電力Ｗが共に上昇する。この図４のケースでは、位相差信号γの上昇割合がより早く、ｔ＝ｔ２でγ＝γＡとなって差動増幅器５の出力電位ａが零になる。更に、ｔ＝ｔ３に至ると、差動増幅器５の出力電位ａの値と下降しつつあるソフトスタート回路１０の出力電位ｄの値が等しくなり、以降、差動増幅器５の出力電位ａがＶ／ｆコンバータ６の入力電位ｃとなる。
そして、位相差信号γが設定値γＡを越えると、インバータはその出力周波数を増大させて位相差信号γを下降させるように作用する。位相差信号γが下降すると差動増幅器５の出力電位ａが減少してインバータの出力周波数が下降し位相差信号γが上昇する。従って、ｔ＝ｔ３以降は、一定の変化幅の範囲内で位相差γおよび入力電力Ｗが共にほぼ一定値を保つことになる。
なお、図では、ｔ＝ｔ３以降の脈動の様子を強調して図示しており、現実にはもっと小さい脈動であり、また、差動増幅器４、５は、数十倍の増幅度を有しており、特に、位相差γはほぼその設定値γＡの値に正確に保たれることになる。
【００２１】
図５も同じく位相差に基づき制御されるケースであるが、位相差信号γの上昇割合が更に大きい場合である。即ち、インバータの出力周波数の低減に伴い、位相差信号γが急速に上昇し、図４の場合よりも早いタイミングのｔ＝ｔ４で、従って、Ｖ／ｆコンバータ６の入力電位ｃがより高い時点でγ＝γＡとなり、その後、ｔ＝ｔ５で差動増幅器５の出力電位ａがソフトスタート回路１０の出力電位ｄと等しくなっている。
この結果、図４の場合に比べ、位相差γがその設定値γＡに保たれる点は同じであるが、インバータの出力周波数はより高く、従って、入力電力Ｗはより低い値に留まっている。
【００２２】
次に図６は、入力電力Ｗが設定値ＷＡに保たれている状態から、調理者が急に電力設定ツマミを最大設定値まで操作したところ、電力の上昇過程で位相差信号γがその設定値γＡに達し、以降そのときの電力値に制限される場合の動作を示す。
図において、設定変化が開始される時刻ｔ＝ｔ６までは、差動増幅器４の出力電位ｂが正の値を維持しており入力電力Ｗはそのときの設定値ＷＡに保たれている。また、位相差信号γはその設定値γＡより十分低く、差動増幅器５の出力電位ａは負の値となっている。
ｔ＝ｔ６から電力設定値が上昇すると、差動増幅器４の出力電位ｂが下降を始めるとともに、インバータの出力周波数が低下して入力電力が増大する。これに伴って、位相差信号γが上昇（前述のとおり、実際の位相差は減少）を始め差動増幅器５の出力電位ａも上昇し、γ＝γＡとなる時刻ｔ＝ｔ７で零線を越え、更に、ｔ＝ｔ８に至ると、差動増幅器５の出力電位ａの値と下降しつつある差動増幅器４の出力電位ｂの値が等しくなり、以降、差動増幅器５の出力電位ａがＶ／ｆコンバータ６の入力電位ｃとなる。
この結果、入力電力Ｗは設定変更後の値にまでは達せず、γ＝γＡとなった時点で決まる電力に留まり、勿論、位相差もほぼ設定値γＡに保たれる。
【００２３】
以上説明したように、この発明の実施の形態１では、制御電力の如何に拘わらず、位相差信号γが設定値γＡに達すると、電力制御に優先して位相差信号γを設定値γＡに維持する位相差制御に自動的に切り替わる。従って、設定値γＡを遅れ位相の範囲内において進相領域となる手前の適当な小さな値に設定することでインバータの進相領域での運転を確実に防止することが出来、効率が向上し、インバータも最大出力が増大してその利用率が高まる。
【００２４】
実施の形態２．
調理器の操作中、加熱コイルの負荷が急変する場合がある。例えば、調理鍋がステンレス（ステン鍋）からアルミ（アルミ鍋）に置き換えられたような場合、その置き換えが極めて急激に行われると、位相差γが設定値γＡを越え、一時的にしろインバータの動作が進相領域に進入する可能性がありスイッチング素子の故障発生が懸念される。
実施の形態２は、この急激な負荷変動時にもインバータの進相運転を防止することができる対策を施したものである。
【００２５】
先ず、この急激な負荷変動が生じる現象を図７、図８により説明する。図７は調理器のプレート上の調理鍋が置き換えられる様子を示している。即ち、ステン鍋で加熱動作中に、図中、矢印に沿ってアルミ鍋に順次置き換えられる。
図８はステンレスとアルミにつき、インバータの出力周波数（ｋＨｚ）と位相差（゜）との関係を示す特性図である。今、出力周波数３０ｋＨｚでステン鍋を加熱している場合を想定し、この状態から図７に示すように順次アルミ鍋に置き換えたとすると、加熱コイルから見た鍋の材質は図８のステンレスからアルミに連続的に変化し位相差γが急減する。図９はこのような位相差の急減に対処したものである。
【００２６】
以下、図９につき、実施の形態１の図１と異なる部分を中心に説明する。１１は位相差検出回路２からの位相差信号γと位相差設定器１２からの位相差最下限設定値γＢとの比較結果に応じて出力する比較器である。ここで、設定値γＢは、遅れ位相の範囲内であって設定値γＡより更に小さい値に設定される。もっとも、前述したとおり、位相差検出回路２の検出出力である位相差信号γは、実際の位相差が小さいほど大きくなる信号であるので、後述する回路動作上では、γＢ＞γＡの関係に設定されている。そして、比較器１１は、位相差信号γが設定値γＢに達すると、所定幅（例えば、１秒程度）の単パルス出力電位を、ダイオードＤ４を介してＶ／ｆコンバータ６に、かつ、ソフトスタート回路１０に、更に、後述するフリップフロップ回路１５に送出する。
１３は位相差検出回路２からの位相差信号γと位相差設定器１４からの位相差下限設定値γＡとを比較する比較器で、γ≧γＡのときはＨレベルの信号を、γ＜γＡのときはＬレベルの信号をフリップフロップ回路１５に送出する。
フリップフロップ回路１５は、比較器１１からの単パルス信号の立ち下がりエッジを検出しそのときの比較器１３からの出力信号がＨレベルのままであれば運転指令回路９にインバータ停止の信号を送出する。
図１０は、図９の回路から出力周波数制御に係る部分を抽出して図示したものである。
【００２７】
次に動作として、図９および図１０に示す出力周波数制御機構における負荷変動時の全体的な動作について図１１のフローチャートを参照して説明する。
負荷変動が生じ（ステップＳ１）、位相差信号γがその設定値γＡを越えようとすると差動増幅器５の出力電位ａが正に反転してγ＝γＡを保つようインバータの出力周波数を制御する（ステップＳ２）。比較器１１で位相差の比較演算を行い、位相差信号γがその状態を保持して位相差設定値γＢを越えない場合は（ステップＳ３でＮＯ）そのまま運転を継続するが（ステップＳ４）、γがγＢを越えると（ステップＳ３でＹＥＳ）、比較器１１は単パルスを出力し、ダイオードＤ４がＯＮしてＶ／ｆコンバータ６の入力電位ｃが上記単パルスのレベルとなりインバータは出力周波数を最高周波数に引き上げる（ステップＳ５）。比較器１１からの単パルスはソフトスタート回路１０にも送出されソフトスタート回路１０は上記単パルスの立ち上がりでコンデンサＣ４の充電を開始する（図３参照）。
【００２８】
別途、比較器１３は位相差信号γと設定値γＡとの大小を比較演算しており、所定の時間が経過、即ち、比較器１１からの単パルスが立ち下がると、フリップフロップ回路１５がこのタイミングを検知し、その時点の位相差信号γと設定値γＡとの比較出力を比較器１３から入力する（ステップＳ６）。γがγＡを越えていると（ステップＳ７でＹＥＳ）、フリップフロップ回路１５から運転指令回路９に停止指令信号を送出してインバータを停止する（ステップＳ８）。進み位相領域に進入する可能性が有り、スイッチング素子の故障を未然に防止するためである。γがγＡを越えていなければ（ステップＳ７でＮＯ）、ソフトスタート回路１０の出力電位ｄの垂下特性に従いインバータの出力周波数は徐々に下降していき（ステップＳ９）元の動作に戻る。
【００２９】
なお、図９、図１０では、比較器１１の出力をダイオードＤ４を介してＶ／ｆコンバータ６に送出する構成としているが、これは、ソフトスタート回路１０におけるコンデンサＣ４（図３参照）の充電に要する時間遅れに拘わらずインバータの出力周波数を直ちに最高値に引き上げるためである。従って、ソフトスタート回路１０における電圧発生機構を電圧の瞬時立ち上げが可能なものにできれば、比較器１１の出力はソフトスタート回路１０に送出すれば足り、別途Ｖ／ｆコンバータ６へ送る必要はない。
また、ソフトスタート回路１０を利用せず、比較器１１でγがγＢを越えたことを判別すると、その判別出力に基づき瞬時に最大値に立ち上がり以後所定の勾配で漸減する電位を発生する位相差回復回路を別途備え、この位相差回復回路の出力をダイオードを介してＶ／ｆコンバータ６に送出する構成としてもよい。スタート時の電力上昇特性と関係なく、負荷急変が発生した後の運転回復時に最適な電力上昇特性を設定できる利点がある。
【００３０】
次に、負荷の急変により図１１のステップＳ３でＹＥＳとなる、即ち、位相差信号γが設定値γＢを越える場合を想定した一連の動作を図１２のタイミングチャートを参照して説明する。
入力電力Ｗがその設定値ＷＡにバランスしている状態から、時刻ｔ＝ｔ９で負荷変動が発生し、位相差信号γが急増し入力電力Ｗは下降する。この変化に応じて差動増幅器５の出力電位ａも上昇するが差動増幅器の入出力間の遅れから位相差信号γの急増を抑制する効果が出るまでに位相差信号γが設定値γＢに達する（ｔ＝ｔ１０）。
γ＝γＢとなると、比較器１１がこれを判定して単パルスの出力電位ｅを発生する。この急峻に立ち上がる出力電位ｅがそのままＶ／ｆコンバータ６の入力電位ｃとなり、インバータの出力周波数は直ちに最高周波数まで上昇し位相差信号γおよび入力電力Ｗが共に急減する。ソフトスタート回路１０では比較器１１からのパルス出力を受けて急速に電位を立ち上げる。
【００３１】
時刻ｔ＝ｔ１１で、比較器１１からのパルス出力が立ち下がると、Ｖ／ｆコンバータ６の入力電位ｃは、それまでのダイオードＤ４を経た比較器１１の出力電位ｅからダイオードＤ３を経たソフトスタート回路１０の出力電位ｄに切り替わり、以後、この電位ｄに沿ってインバータの出力周波数は下降し、入力電力Ｗは増大していく。この事例では、電位ｅが立ち下がるｔ＝ｔ１１のタイミングで位相差信号γは設定値γＡを越えていないので、図１１ステップＳ８で示すインバータの停止動作はない。
インバータの出力周波数の下降と共に位相差信号γが次第に増加し、ｔ＝ｔ１２で設定値γＡに達し、その直後、ｔ＝ｔ１３で差動増幅器５の出力電位ａの値がソフトスタート回路１０の出力電位ｄの値に等しくなると、以降、先の図４で説明したと同様、ほぼγ＝γＡを維持する定常運転に移行する。
【００３２】
以上のように、この発明の実施の形態２においては、負荷が急変して位相差が急減しインバータの運転が進み位相領域に進入する可能性が発生しても直ちに出力周波数を最高周波数に引き上げ進み位相領域への進入を未然に防止することが出来る。また、最高周波数に引き上げた後も位相差が下限設定値以下に留まる場合はインバータを自動的に停止させるようにしたので、このような異常な負荷急変時においてもスイッチング素子の故障が防止され運転の信頼性が向上する。
【００３３】
実施の形態３．
図１３は、この発明の実施の形態３における電磁誘導加熱調理器を示す回路構成図、図１４はその動作を説明するフローチャートである。実施の形態２と異なるのは、タイマ回路１６を追加した点のみである。即ち、この実施の形態３では、フリップフロップ回路１５が運転指令回路９にインバータ停止指令信号を出力すると同時にタイマ回路１６にも指令信号を送出してタイマ回路１６はそのカウント動作を開始する。所定時間（例えば、数秒程度に設定する）が経過してカウントアップすると、タイマ回路１６は運転指令回路９に指令信号を送出してインバータを最高周波数でソフトスタートさせる（図１４のステップＳ１０）。そして、そのときの位相差信号γと設定値γＡとの比較演算を行い、γＡを越えていない場合は（ステップＳ７でＮＯ）、徐々に出力周波数を下降して通常の運転に復帰する（ステップＳ９）。勿論、γＡを越えている場合は（ステップＳ７でＹＥＳ）、再びインバータを停止して（ステップＳ８）、ステップＳ１０以降の動作を繰り返す。
【００３４】
以上のように、この発明の実施の形態３においては、例えば、調理鍋が突然置き換わるなどして負荷が急変しインバータが停止した後も、適正な調理鍋が調理器上に戻された場合は、これを検知して自動的に本来の調理加熱動作に復帰するので、調理器としての利便性が更に向上する。
【００３５】
なお、上記各実施の形態での位相差検出回路２は、その出力を使用した後段の制御回路との関係で実際の遅れ位相差が小さくなるにつれてその出力電位が大きくなる位相差信号γを出力する特性のものとしたが、この発明の適用上、上記出力特性に限られるものではないことは勿論である。
また、上記各実施の形態では、いずれもソフトスタート回路１０を設けているが、この発明の適用例によっては必ずしも必要とせず、入力電力の調整は、もっぱら電力設定器７の操作に基づく構成としてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、コンデンサとで直列共振回路を形成する加熱コイル、この加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ、およびこのインバータの入力電力を検出しこの電力検出値が電力設定値となるよう上記インバータの出力周波数を制御する電力制御手段を備えた電磁誘導加熱調理器において、
上記インバータの出力電圧と上記加熱コイルに流れる電流との位相差を検出する位相差検出手段、および上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内で設定された位相差下限設定値以下となったとき上記電力制御手段の動作に優先し上記位相差を遅れ位相の範囲内に保持するよう上記インバータの出力周波数を制御する位相差制御手段を備えたので、上記位相差下限設定値を遅れ位相の範囲内において進相領域となる手前の適当な小さな値に設定してもインバータを確実に遅れ位相の範囲で運転できて信頼性を確保できるとともに、効率が向上しインバータの最大出力が増大してその利用率が高まる。
【００３７】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内であって上記位相差下限設定値より更に小さい値に設定された位相差最下限設定値以下となったとき上記インバータの出力周波数を一旦最高値にし、以降上記電力制御手段または位相差制御手段の動作で制御されるまで上記インバータの出力周波数を漸次下降させるようにしたので、負荷の急変時にもインバータは遅れ位相運転を保持する。
【００３８】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記位相差検出値が、上記位相差最下限設定値以下となった後所定時間上記位相差検出値が上記位相差下限設定値以下に留まる場合上記インバータを停止させるインバータ停止手段を備えたので、インバータの素子故障がより確実に防止される。
【００３９】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記インバータ停止手段により上記インバータを停止させた場合、上記停止後、所定の時間間隔で所定の短時間上記インバータを最高周波数で動作させ、上記位相差検出値が上記位相差下限設定値を越えたとき上記インバータを上記停止前の運転状態に復帰させるようにしたので、適正な調理鍋がセットされると自動的に加熱動作が復帰し、調理操作の利便性が向上する。
【００４０】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、コンデンサとで直列共振回路を形成する加熱コイル、この加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ、このインバータの入力電力を演算する電力演算回路、上記インバータの出力電圧と上記加熱コイルに流れる電流との位相差を検出する位相差検出回路、上記電力演算値と手動設定による電力設定値とを入力し前者入力値が後者入力値越えると出力電位の極性が正となるように設定された電力制御用差動増幅器、上記位相差検出値と遅れ位相の範囲内で設定された位相差下限設定値とを入力し前者入力値が後者入力値未満になると出力電位の極性が正となるように設定された位相差制御用差動増幅器、および抵抗接地された入力端にそれぞれダイオードを介して上記両差動増幅器の出力端が接続され上記入力端の電位が零（接地）電位のとき上記インバータを最低周波数で制御するための周波数指令信号を出力するよう入力電位を周波数指令信号に変換するＶ／ｆコンバータを備えたので、上記位相差下限設定値を遅れ位相の範囲内において進相領域となる手前の適当な小さな値に設定してもインバータを確実に遅れ位相の範囲で運転できて信頼性を確保できるとともに、効率が向上しインバータの最大出力が増大してその利用率が高まる。
【００４１】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記インバータの運転開始時における電力設定を自動的に行うため該運転開始時に最大で以降所定の勾配で零に漸減する電位を出力するソフトスタート回路を備え、このソフトスタート回路の出力端をダイオードを介して上記Ｖ／ｆコンバータに接続し、上記Ｖ／ｆコンバータは、その入力端の電位が上記最大電位のとき上記インバータを最高周波数で制御するための周波数指令信号を出力するので、調理者がいきなり高い電力値を設定しても電力がスムーズに上昇する円滑な動作開始特性が得られる。
【００４２】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内であって上記位相差下限設定値より更に小さい値に設定された位相差最下限設定値以下となったとき上記最大電位を出力し以降所定の勾配で零に漸減する電位を出力する位相差回復回路を備え、この位相差回復回路の出力端をダイオードを介して上記Ｖ／ｆコンバータに接続したので、負荷の急変時にもインバータは遅れ位相運転を保持する。
【００４３】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器の位相差回復回路は、上記位相差検出値が上記位相差最下限設定値以下となったとき上記最大電位の単パルスを出力するとともに、上記単パルスの出力で上記ソフトスタート回路を起動させる比較器で構成したので、ソフトスタート回路を利用した円滑な位相差回復動作が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における電磁誘導加熱調理器を示す回路構成図である。
【図２】図１の内、インバータの出力周波数制御機構を示す図である。
【図３】図１のソフトスタート回路１０の内部構成を示す図である。
【図４】実施の形態１の制御動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図５】図４とは異なる状況下での制御動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図６】図４、図５とは異なる状況下での制御動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図７】この発明の実施の形態２における負荷変動の具体的事例を説明する図である。
【図８】調理鍋の材質として、ステンレスとアルミの場合における、周波数と位相差との関係を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態２における電磁誘導加熱調理器を示す回路構成図である。
【図１０】図１０の内、インバータの出力周波数制御機構を示す図である。
【図１１】実施の形態２の制御動作を説明するフローチャートである。
【図１２】実施の形態２の制御動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図１３】この発明の実施の形態３における電磁誘導加熱調理器を示す回路構成図である。
【図１４】実施の形態３の制御動作を説明するフローチャートである。
【図１５】電磁誘導加熱調理器の主回路構成を示す図である。
【図１６】遅れ位相の場合の、インバータの電圧、電流波形を示す図である。
【図１７】進み位相の場合の、インバータの電圧、電流波形を示す図である。
【図１８】インバータの上下アームに流れる電流波形を示す図である。
【図１９】インバータのスイッチング素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 電力演算回路、２ 位相差検出回路、３ 駆動回路、
４ 電力制御用差動増幅器、５ 位相差制御用差動増幅器、
６ Ｖ／ｆコンバータ、７ 電力設定器、８，１２，１４ 位相差設定器、
９ 運転指令回路、１０ ソフトスタート回路、１１，１３ 比較器、
１５ フリップフロップ回路、１６ タイマ回路、
ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）、Ｌ 加熱コイル、
Ｃ２，Ｃ３ 共振コンデンサ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータを使用して加熱コイルに高周波電流を供給し電磁誘導で調理鍋を加熱する電磁誘導加熱調理器に係り、特に、上記インバータが進み位相で運転されることを防止する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
電磁誘導加熱調理器は、火種を使用せず安全であること、また燃費が安いこと等から外食産業分野や家庭への普及が進んでいる。
図１５は、よく知られたこの種電磁誘導加熱調理器の主回路構成図である。図において、ＤＲ１は商用周波数の交流電源（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を直流に整流する整流器、Ｃ１は平滑コンデンサ、ＳＷ１、ＳＷ２はハーフブリッジ形のインバータを構成するスイッチング素子で、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴが使用される。Ｌは共振コンデンサＣ２、Ｃ３とでシングルエンドプッシュプル方式の直列共振回路を形成する加熱コイルで、この加熱コイルＬの上に調理鍋を置いて電磁誘導により加熱を行う訳である。
【０００３】
ところで、この種のインバータにあっては、その出力電流が出力電圧に対して進み位相の領域で動作すると、貫通電流が流れたりサージ電圧が発生してスイッチング素子が故障する可能性が高い。以下この不具合の現象を簡単に説明する。
図１６はインバータの出力電流が出力電圧に対して位相差γだけ遅れている場合の波形、図１７は逆にインバータの出力電流が出力電圧に対して位相差γだけ進んでいる場合の波形を示す。両図から、上アーム（ＳＷ１）、下アーム（ＳＷ２）に流れる電流波形は、遅れ位相および進み位相においてそれぞれ図１８の（ａ）および（ｂ）に示すようになる。図の零基線より下の部分の電流は、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴに内蔵されている逆並列ダイオード（図１９参照）を流れることになる。
【０００４】
従って、電流の極性がマイナスからプラスに変わるとき、遅れ位相の場合は、内蔵ダイオードの電流から同じＭＯＳＦＥＴの順方向電流に移るので特に問題は生じない。これに対し、進み位相の場合は、内蔵ダイオードの電流から他方のＭＯＳＦＥＴの順方向電流に移るので、ダイオードの逆回復時間が存在しその逆漏れ電流により上下アームを貫通する電流が流れ短絡状態となる。
また、逆漏れ電流のピーク値から０に戻るときの電流変化率ｄｉ／ｄｔが大きいことからサージ電圧が発生する。
【０００５】
このため、従来の電磁誘導加熱調理器においては、位相差γを検出し、予め設定した位相差の下限値γ０と比較し、γ＝γ０になった時点でインバータの出力周波数を低下させる動作を停止させるようにしていた。しかし、この方法では、負荷の変化（鍋の位置・材質・大きさ等の変化）による共振周波数の変化に追従できず、過渡的に進み位相で動作してしまう可能性がある。従って、進み位相での動作を確実に防止するためには、位相差の下限値γ０の値を十分大きい値に設定せざるを得ず、結果として、運転力率の低下により効率が悪く、最大出力が大幅に制限されるという問題点があった。
【０００６】
この発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、制御動作により積極的に遅れ位相の領域での運転を実現することで、効率の良い、また最大出力を増大できる電磁誘導加熱調理器を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、コンデンサとで直列共振回路を形成する加熱コイル、この加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ、およびこのインバータの入力電力を検出しこの電力検出値が電力設定値となるよう上記インバータの出力周波数を制御する電力制御手段を備えた電磁誘導加熱調理器において、
上記インバータの出力電圧と上記加熱コイルに流れる電流との位相差を検出する位相差検出手段、および上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内で設定された位相差下限設定値以下となったとき上記電力制御手段の動作に優先し上記位相差を遅れ位相の範囲内に保持するよう上記インバータの出力周波数を制御する位相差制御手段を備えたものである。
【０００８】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内であって上記位相差下限設定値より更に小さい値に設定された位相差最下限設定値以下となったとき上記インバータの出力周波数を一旦最高値にし、以降上記電力制御手段または位相差制御手段の動作で制御されるまで上記インバータの出力周波数を漸次下降させるようにしたものである。
【０００９】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記位相差検出値が、上記位相差最下限設定値以下となった後所定時間上記位相差検出値が上記位相差下限設定値以下に留まる場合上記インバータを停止させるインバータ停止手段を備えたものである。
【００１０】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記インバータ停止手段により上記インバータを停止させた場合、上記停止後、所定の時間間隔で所定の短時間上記インバータを最高周波数で動作させ、上記位相差検出値が上記位相差下限設定値を越えたとき上記インバータを上記停止前の運転状態に復帰させるようにしたものである。
【００１１】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、コンデンサとで直列共振回路を形成する加熱コイル、この加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ、このインバータの入力電力を演算する電力演算回路、上記インバータの出力電圧と上記加熱コイルに流れる電流との位相差を検出する位相差検出回路、上記電力演算値と手動設定による電力設定値とを入力し前者入力値が後者入力値越えると出力電位の極性が正となるように設定された電力制御用差動増幅器、上記位相差検出値と遅れ位相の範囲内で設定された位相差下限設定値とを入力し前者入力値が後者入力値未満になると出力電位の極性が正となるように設定された位相差制御用差動増幅器、および抵抗接地された入力端にそれぞれダイオードを介して上記両差動増幅器の出力端が接続され上記入力端の電位が零（接地）電位のとき上記インバータを最低周波数で制御するための周波数指令信号を出力するよう入力電位を周波数指令信号に変換するＶ／ｆコンバータを備えたものである。
【００１２】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記インバータの運転開始時における電力設定を自動的に行うため該運転開始時に最大で以降所定の勾配で零に漸減する電位を出力するソフトスタート回路を備え、このソフトスタート回路の出力端をダイオードを介して上記Ｖ／ｆコンバータに接続し、上記Ｖ／ｆコンバータは、その入力端の電位が上記最大電位のとき上記インバータを最高周波数で制御するための周波数指令信号を出力するものである。
【００１３】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内であって上記位相差下限設定値より更に小さい値に設定された位相差最下限設定値以下となったとき上記最大電位を出力し以降所定の勾配で零に漸減する電位を出力する位相差回復回路を備え、この位相差回復回路の出力端をダイオードを介して上記Ｖ／ｆコンバータに接続したものである。
【００１４】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器の位相差回復回路は、上記位相差検出値が上記位相差最下限設定値以下となったとき上記最大電位の単パルスを出力するとともに、上記単パルスの出力で上記ソフトスタート回路を起動させる比較器で構成したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電磁誘導加熱調理器の全体を示す回路構成図、図２はその内、本願発明の主要部となるインバータの出力周波数制御機構を示す図である。主回路構成については先に説明したものと同様であるので、以下、制御回路の構成を中心に説明する。図において、１は平滑コンデンサＣ１の電圧（インバータの入力電圧）を検出する電圧検出器ＰＴ１からの信号とインバータの入力端の電流を検出する電流検出器ＣＴ１からの信号とを入力してインバータの入力電力Ｗを演算する電力演算回路、２は後述する駆動回路３からの信号と加熱コイルＬに流れる電流を検出する電流検出器ＣＴ２からの信号とを入力してインバータの出力電圧と電流との位相差γを検出する位相差検出回路、３はスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２をオンオフする駆動信号を生成する駆動回路で、この駆動信号はインバータの出力電圧の位相を示すことから既述した位相差検出回路２にも送出され電圧位相の検出に利用される。
なお、後段でも触れるが、図１の位相差検出回路２においては、その出力位相差γは、遅れ位相差が小さくなるにつれてその電位が大きくなる信号としている。
【００１６】
４は電力制御用の差動増幅器で、その非反転入力端に電力演算回路１からの入力電力信号Ｗが、その反転入力端に電力設定器７からの電力設定値ＷＡがそれぞれ入力される。従って、差動増幅器４は、入力電力Ｗが電力設定値ＷＡより小さいときは両者の偏差分を増幅した負の電位を出力し、入力電力Ｗが電力設定値ＷＡより大きくなると両者の偏差分を増幅した正の電位を出力する。
なお、電力設定器７は、調理者が調理内容に応じて適宜調整するボリュームに連動している。
５は位相差制御用の差動増幅器で、その非反転入力端に位相差検出回路２からの位相差信号γが、その反転入力端に位相差設定器８からの位相差下限設定値γＡがそれぞれ入力される。従って、差動増幅器５は、位相差信号γが下限設定値γＡより小さい（実際は、位相差検出値が設定値より大きい場合に相当する）ときは両者の偏差分を増幅した負の電位を出力し、位相差信号γが下限設定値γＡより大きく（実際は、位相差検出値が設定値より小さい場合に相当する）なると両者の偏差分を増幅した正の電位を出力する。
【００１７】
６はダイオードＤ１を介して差動増幅器４と、またダイオードＤ２を介して差動増幅器５とそれぞれ接続されたＶ／ｆコンバータで、その入力端の電位に応じて変化する周波数指令信号を駆動回路３に送出してインバータの出力周波数を決定する。
なお、図２に示すように、Ｖ／ｆコンバータ６の入力端は抵抗Ｒ１を介して接地されている。従って、差動増幅器５の出力電位ａ、差動増幅器４の出力電位ｂおよび後述するソフトスタート回路１０の出力電位ｄのいずれかが正の値とならない限りＶ／ｆコンバータ６の入力端の電位ｃは零電位に保たれ、Ｖ／ｆコンバータ６はその入力電位が零のときインバータを最低周波数で制御するための周波数信号を出力する。ここで、インバータの最低周波数は、載置される調理鍋を含む加熱コイルＬと共振コンデンサＣ２、Ｃ３とからなる直列共振回路の共振周波数より若干高い値に設定される。
【００１８】
Ｖ／ｆコンバータ６の入力端には、差動増幅器４、５に加えてソフトスタート回路１０がダイオードＤ３を介して接続されている。調理者が調理器の電源をＯＮにし、電力設定器７でいきなり高い電力値を設定すると、適正な調理鍋が適正な位置にセットされていないような場合、過大な電流が流れて装置が停止する可能性がある。ソフトスタート回路１０はこのような状況を想定して設けられるもので、運転開始時、たとえ、急に高い電力値が設定されても、ソフトスタート回路１０の動作により小電力から緩やかに電力を増大させる。
図３はこのソフトスタート回路１０の内部構成を示す。運転指令回路９から単パルスのＯＮ信号が入力されると、スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）ＳＷ３がオンし、コンデンサＣ４が電源Ｅにより充電される。抵抗Ｒ２を小としてコンデンサＣ４の電圧を急速に立ち上げる。運転指令回路９からの単パルスが立ち下がるとＳＷ３はオフし、コンデンサＣ４の電圧は、Ｃ４と抵抗Ｒ３とで決まる時定数で徐々に下がっていく。
【００１９】
次に、典型的な状況下での動作例をタイミングチャートを参照して説明する。先ず、図４は、運転開始後、ソフトスタートで電力が次第に増大していくが、電力Ｗがその設定値ＷＡに達するまでに位相差γがその下限設定値γＡに達し、以後、インバータの出力周波数がこの位相差に基づき制御される様子を示す。
時間ｔ＝ｔ０で運転指令回路９からＯＮの指令が出されソフトスタート回路１０に単パルスが入力されると、ソフトスタート回路１０の出力電位ｄが急峻に立ち上がり、Ｖ／ｆコンバータ６の入力電位ｃは上記電位ｄと等しくなって立ち上がる。上記単パルスが立ち下がるタイミング（ｔ＝ｔ１）でソフトスタート回路１０の出力電位ｄが最高値となり、このタイミングでインバータの運転がＯＮされ最高周波数での出力を開始する。そして、出力電位ｄの垂下特性に応じて出力周波数が低減していく。
なお、上記タイミングまでの両差動増幅器４、５の出力電位ｂ、ａは、入力電力Ｗおよび位相差γが共にそれぞれの設定値に対して十分低いため、負極性で飽和しており、インバータがＯＮした後、速やかに立ち上がる。
【００２０】
インバータの周波数が下降するにつれて位相差γおよび入力電力Ｗが共に上昇する。この図４のケースでは、位相差信号γの上昇割合がより早く、ｔ＝ｔ２でγ＝γＡとなって差動増幅器５の出力電位ａが零になる。更に、ｔ＝ｔ３に至ると、差動増幅器５の出力電位ａの値と下降しつつあるソフトスタート回路１０の出力電位ｄの値が等しくなり、以降、差動増幅器５の出力電位ａがＶ／ｆコンバータ６の入力電位ｃとなる。
そして、位相差信号γが設定値γＡを越えると、インバータはその出力周波数を増大させて位相差信号γを下降させるように作用する。位相差信号γが下降すると差動増幅器５の出力電位ａが減少してインバータの出力周波数が下降し位相差信号γが上昇する。従って、ｔ＝ｔ３以降は、一定の変化幅の範囲内で位相差γおよび入力電力Ｗが共にほぼ一定値を保つことになる。
なお、図では、ｔ＝ｔ３以降の脈動の様子を強調して図示しており、現実にはもっと小さい脈動であり、また、差動増幅器４、５は、数十倍の増幅度を有しており、特に、位相差γはほぼその設定値γＡの値に正確に保たれることになる。
【００２１】
図５も同じく位相差に基づき制御されるケースであるが、位相差信号γの上昇割合が更に大きい場合である。即ち、インバータの出力周波数の低減に伴い、位相差信号γが急速に上昇し、図４の場合よりも早いタイミングのｔ＝ｔ４で、従って、Ｖ／ｆコンバータ６の入力電位ｃがより高い時点でγ＝γＡとなり、その後、ｔ＝ｔ５で差動増幅器５の出力電位ａがソフトスタート回路１０の出力電位ｄと等しくなっている。
この結果、図４の場合に比べ、位相差γがその設定値γＡに保たれる点は同じであるが、インバータの出力周波数はより高く、従って、入力電力Ｗはより低い値に留まっている。
【００２２】
次に図６は、入力電力Ｗが設定値ＷＡに保たれている状態から、調理者が急に電力設定ツマミを最大設定値まで操作したところ、電力の上昇過程で位相差信号γがその設定値γＡに達し、以降そのときの電力値に制限される場合の動作を示す。
図において、設定変化が開始される時刻ｔ＝ｔ６までは、差動増幅器４の出力電位ｂが正の値を維持しており入力電力Ｗはそのときの設定値ＷＡに保たれている。また、位相差信号γはその設定値γＡより十分低く、差動増幅器５の出力電位ａは負の値となっている。
ｔ＝ｔ６から電力設定値が上昇すると、差動増幅器４の出力電位ｂが下降を始めるとともに、インバータの出力周波数が低下して入力電力が増大する。これに伴って、位相差信号γが上昇（前述のとおり、実際の位相差は減少）を始め差動増幅器５の出力電位ａも上昇し、γ＝γＡとなる時刻ｔ＝ｔ７で零線を越え、更に、ｔ＝ｔ８に至ると、差動増幅器５の出力電位ａの値と下降しつつある差動増幅器４の出力電位ｂの値が等しくなり、以降、差動増幅器５の出力電位ａがＶ／ｆコンバータ６の入力電位ｃとなる。
この結果、入力電力Ｗは設定変更後の値にまでは達せず、γ＝γＡとなった時点で決まる電力に留まり、勿論、位相差もほぼ設定値γＡに保たれる。
【００２３】
以上説明したように、この発明の実施の形態１では、制御電力の如何に拘わらず、位相差信号γが設定値γＡに達すると、電力制御に優先して位相差信号γを設定値γＡに維持する位相差制御に自動的に切り替わる。従って、設定値γＡを遅れ位相の範囲内において進相領域となる手前の適当な小さな値に設定することでインバータの進相領域での運転を確実に防止することが出来、効率が向上し、インバータも最大出力が増大してその利用率が高まる。
【００２４】
実施の形態２．
調理器の操作中、加熱コイルの負荷が急変する場合がある。例えば、調理鍋がステンレス（ステン鍋）からアルミ（アルミ鍋）に置き換えられたような場合、その置き換えが極めて急激に行われると、位相差γが設定値γＡを越え、一時的にしろインバータの動作が進相領域に進入する可能性がありスイッチング素子の故障発生が懸念される。
実施の形態２は、この急激な負荷変動時にもインバータの進相運転を防止することができる対策を施したものである。
【００２５】
先ず、この急激な負荷変動が生じる現象を図７、図８により説明する。図７は調理器のプレート上の調理鍋が置き換えられる様子を示している。即ち、ステン鍋で加熱動作中に、図中、矢印に沿ってアルミ鍋に順次置き換えられる。
図８はステンレスとアルミにつき、インバータの出力周波数（ｋＨｚ）と位相差（゜）との関係を示す特性図である。今、出力周波数３０ｋＨｚでステン鍋を加熱している場合を想定し、この状態から図７に示すように順次アルミ鍋に置き換えたとすると、加熱コイルから見た鍋の材質は図８のステンレスからアルミに連続的に変化し位相差γが急減する。図９はこのような位相差の急減に対処したものである。
【００２６】
以下、図９につき、実施の形態１の図１と異なる部分を中心に説明する。１１は位相差検出回路２からの位相差信号γと位相差設定器１２からの位相差最下限設定値γＢとの比較結果に応じて出力する比較器である。ここで、設定値γＢは、遅れ位相の範囲内であって設定値γＡより更に小さい値に設定される。もっとも、前述したとおり、位相差検出回路２の検出出力である位相差信号γは、実際の位相差が小さいほど大きくなる信号であるので、後述する回路動作上では、γＢ＞γＡの関係に設定されている。そして、比較器１１は、位相差信号γが設定値γＢに達すると、所定幅（例えば、１秒程度）の単パルス出力電位を、ダイオードＤ４を介してＶ／ｆコンバータ６に、かつ、ソフトスタート回路１０に、更に、後述するフリップフロップ回路１５に送出する。
１３は位相差検出回路２からの位相差信号γと位相差設定器１４からの位相差下限設定値γＡとを比較する比較器で、γ≧γＡのときはＨレベルの信号を、γ＜γＡのときはＬレベルの信号をフリップフロップ回路１５に送出する。
フリップフロップ回路１５は、比較器１１からの単パルス信号の立ち下がりエッジを検出しそのときの比較器１３からの出力信号がＨレベルのままであれば運転指令回路９にインバータ停止の信号を送出する。
図１０は、図９の回路から出力周波数制御に係る部分を抽出して図示したものである。
【００２７】
次に動作として、図９および図１０に示す出力周波数制御機構における負荷変動時の全体的な動作について図１１のフローチャートを参照して説明する。
負荷変動が生じ（ステップＳ１）、位相差信号γがその設定値γＡを越えようとすると差動増幅器５の出力電位ａが正に反転してγ＝γＡを保つようインバータの出力周波数を制御する（ステップＳ２）。比較器１１で位相差の比較演算を行い、位相差信号γがその状態を保持して位相差設定値γＢを越えない場合は（ステップＳ３でＮＯ）そのまま運転を継続するが（ステップＳ４）、γがγＢを越えると（ステップＳ３でＹＥＳ）、比較器１１は単パルスを出力し、ダイオードＤ４がＯＮしてＶ／ｆコンバータ６の入力電位ｃが上記単パルスのレベルとなりインバータは出力周波数を最高周波数に引き上げる（ステップＳ５）。比較器１１からの単パルスはソフトスタート回路１０にも送出されソフトスタート回路１０は上記単パルスの立ち上がりでコンデンサＣ４の充電を開始する（図３参照）。
【００２８】
別途、比較器１３は位相差信号γと設定値γＡとの大小を比較演算しており、所定の時間が経過、即ち、比較器１１からの単パルスが立ち下がると、フリップフロップ回路１５がこのタイミングを検知し、その時点の位相差信号γと設定値γＡとの比較出力を比較器１３から入力する（ステップＳ６）。γがγＡを越えていると（ステップＳ７でＹＥＳ）、フリップフロップ回路１５から運転指令回路９に停止指令信号を送出してインバータを停止する（ステップＳ８）。進み位相領域に進入する可能性が有り、スイッチング素子の故障を未然に防止するためである。γがγＡを越えていなければ（ステップＳ７でＮＯ）、ソフトスタート回路１０の出力電位ｄの垂下特性に従いインバータの出力周波数は徐々に下降していき（ステップＳ９）元の動作に戻る。
【００２９】
なお、図９、図１０では、比較器１１の出力をダイオードＤ４を介してＶ／ｆコンバータ６に送出する構成としているが、これは、ソフトスタート回路１０におけるコンデンサＣ４（図３参照）の充電に要する時間遅れに拘わらずインバータの出力周波数を直ちに最高値に引き上げるためである。従って、ソフトスタート回路１０における電圧発生機構を電圧の瞬時立ち上げが可能なものにできれば、比較器１１の出力はソフトスタート回路１０に送出すれば足り、別途Ｖ／ｆコンバータ６へ送る必要はない。
また、ソフトスタート回路１０を利用せず、比較器１１でγがγＢを越えたことを判別すると、その判別出力に基づき瞬時に最大値に立ち上がり以後所定の勾配で漸減する電位を発生する位相差回復回路を別途備え、この位相差回復回路の出力をダイオードを介してＶ／ｆコンバータ６に送出する構成としてもよい。スタート時の電力上昇特性と関係なく、負荷急変が発生した後の運転回復時に最適な電力上昇特性を設定できる利点がある。
【００３０】
次に、負荷の急変により図１１のステップＳ３でＹＥＳとなる、即ち、位相差信号γが設定値γＢを越える場合を想定した一連の動作を図１２のタイミングチャートを参照して説明する。
入力電力Ｗがその設定値ＷＡにバランスしている状態から、時刻ｔ＝ｔ９で負荷変動が発生し、位相差信号γが急増し入力電力Ｗは下降する。この変化に応じて差動増幅器５の出力電位ａも上昇するが差動増幅器の入出力間の遅れから位相差信号γの急増を抑制する効果が出るまでに位相差信号γが設定値γＢに達する（ｔ＝ｔ１０）。
γ＝γＢとなると、比較器１１がこれを判定して単パルスの出力電位ｅを発生する。この急峻に立ち上がる出力電位ｅがそのままＶ／ｆコンバータ６の入力電位ｃとなり、インバータの出力周波数は直ちに最高周波数まで上昇し位相差信号γおよび入力電力Ｗが共に急減する。ソフトスタート回路１０では比較器１１からのパルス出力を受けて急速に電位を立ち上げる。
【００３１】
時刻ｔ＝ｔ１１で、比較器１１からのパルス出力が立ち下がると、Ｖ／ｆコンバータ６の入力電位ｃは、それまでのダイオードＤ４を経た比較器１１の出力電位ｅからダイオードＤ３を経たソフトスタート回路１０の出力電位ｄに切り替わり、以後、この電位ｄに沿ってインバータの出力周波数は下降し、入力電力Ｗは増大していく。この事例では、電位ｅが立ち下がるｔ＝ｔ１１のタイミングで位相差信号γは設定値γＡを越えていないので、図１１ステップＳ８で示すインバータの停止動作はない。
インバータの出力周波数の下降と共に位相差信号γが次第に増加し、ｔ＝ｔ１２で設定値γＡに達し、その直後、ｔ＝ｔ１３で差動増幅器５の出力電位ａの値がソフトスタート回路１０の出力電位ｄの値に等しくなると、以降、先の図４で説明したと同様、ほぼγ＝γＡを維持する定常運転に移行する。
【００３２】
以上のように、この発明の実施の形態２においては、負荷が急変して位相差が急減しインバータの運転が進み位相領域に進入する可能性が発生しても直ちに出力周波数を最高周波数に引き上げ進み位相領域への進入を未然に防止することが出来る。また、最高周波数に引き上げた後も位相差が下限設定値以下に留まる場合はインバータを自動的に停止させるようにしたので、このような異常な負荷急変時においてもスイッチング素子の故障が防止され運転の信頼性が向上する。
【００３３】
実施の形態３．
図１３は、この発明の実施の形態３における電磁誘導加熱調理器を示す回路構成図、図１４はその動作を説明するフローチャートである。実施の形態２と異なるのは、タイマ回路１６を追加した点のみである。即ち、この実施の形態３では、フリップフロップ回路１５が運転指令回路９にインバータ停止指令信号を出力すると同時にタイマ回路１６にも指令信号を送出してタイマ回路１６はそのカウント動作を開始する。所定時間（例えば、数秒程度に設定する）が経過してカウントアップすると、タイマ回路１６は運転指令回路９に指令信号を送出してインバータを最高周波数でソフトスタートさせる（図１４のステップＳ１０）。そして、そのときの位相差信号γと設定値γＡとの比較演算を行い、γＡを越えていない場合は（ステップＳ７でＮＯ）、徐々に出力周波数を下降して通常の運転に復帰する（ステップＳ９）。勿論、γＡを越えている場合は（ステップＳ７でＹＥＳ）、再びインバータを停止して（ステップＳ８）、ステップＳ１０以降の動作を繰り返す。
【００３４】
以上のように、この発明の実施の形態３においては、例えば、調理鍋が突然置き換わるなどして負荷が急変しインバータが停止した後も、適正な調理鍋が調理器上に戻された場合は、これを検知して自動的に本来の調理加熱動作に復帰するので、調理器としての利便性が更に向上する。
【００３５】
なお、上記各実施の形態での位相差検出回路２は、その出力を使用した後段の制御回路との関係で実際の遅れ位相差が小さくなるにつれてその出力電位が大きくなる位相差信号γを出力する特性のものとしたが、この発明の適用上、上記出力特性に限られるものではないことは勿論である。
また、上記各実施の形態では、いずれもソフトスタート回路１０を設けているが、この発明の適用例によっては必ずしも必要とせず、入力電力の調整は、もっぱら電力設定器７の操作に基づく構成としてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、コンデンサとで直列共振回路を形成する加熱コイル、この加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ、およびこのインバータの入力電力を検出しこの電力検出値が電力設定値となるよう上記インバータの出力周波数を制御する電力制御手段を備えた電磁誘導加熱調理器において、
上記インバータの出力電圧と上記加熱コイルに流れる電流との位相差を検出する位相差検出手段、および上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内で設定された位相差下限設定値以下となったとき上記電力制御手段の動作に優先し上記位相差を遅れ位相の範囲内に保持するよう上記インバータの出力周波数を制御する位相差制御手段を備えたので、上記位相差下限設定値を遅れ位相の範囲内において進相領域となる手前の適当な小さな値に設定してもインバータを確実に遅れ位相の範囲で運転できて信頼性を確保できるとともに、効率が向上しインバータの最大出力が増大してその利用率が高まる。
【００３７】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内であって上記位相差下限設定値より更に小さい値に設定された位相差最下限設定値以下となったとき上記インバータの出力周波数を一旦最高値にし、以降上記電力制御手段または位相差制御手段の動作で制御されるまで上記インバータの出力周波数を漸次下降させるようにしたので、負荷の急変時にもインバータは遅れ位相運転を保持する。
【００３８】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記位相差検出値が、上記位相差最下限設定値以下となった後所定時間上記位相差検出値が上記位相差下限設定値以下に留まる場合上記インバータを停止させるインバータ停止手段を備えたので、インバータの素子故障がより確実に防止される。
【００３９】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記インバータ停止手段により上記インバータを停止させた場合、上記停止後、所定の時間間隔で所定の短時間上記インバータを最高周波数で動作させ、上記位相差検出値が上記位相差下限設定値を越えたとき上記インバータを上記停止前の運転状態に復帰させるようにしたので、適正な調理鍋がセットされると自動的に加熱動作が復帰し、調理操作の利便性が向上する。
【００４０】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、コンデンサとで直列共振回路を形成する加熱コイル、この加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ、このインバータの入力電力を演算する電力演算回路、上記インバータの出力電圧と上記加熱コイルに流れる電流との位相差を検出する位相差検出回路、上記電力演算値と手動設定による電力設定値とを入力し前者入力値が後者入力値越えると出力電位の極性が正となるように設定された電力制御用差動増幅器、上記位相差検出値と遅れ位相の範囲内で設定された位相差下限設定値とを入力し前者入力値が後者入力値未満になると出力電位の極性が正となるように設定された位相差制御用差動増幅器、および抵抗接地された入力端にそれぞれダイオードを介して上記両差動増幅器の出力端が接続され上記入力端の電位が零（接地）電位のとき上記インバータを最低周波数で制御するための周波数指令信号を出力するよう入力電位を周波数指令信号に変換するＶ／ｆコンバータを備えたので、上記位相差下限設定値を遅れ位相の範囲内において進相領域となる手前の適当な小さな値に設定してもインバータを確実に遅れ位相の範囲で運転できて信頼性を確保できるとともに、効率が向上しインバータの最大出力が増大してその利用率が高まる。
【００４１】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記インバータの運転開始時における電力設定を自動的に行うため該運転開始時に最大で以降所定の勾配で零に漸減する電位を出力するソフトスタート回路を備え、このソフトスタート回路の出力端をダイオードを介して上記Ｖ／ｆコンバータに接続し、上記Ｖ／ｆコンバータは、その入力端の電位が上記最大電位のとき上記インバータを最高周波数で制御するための周波数指令信号を出力するので、調理者がいきなり高い電力値を設定しても電力がスムーズに上昇する円滑な動作開始特性が得られる。
【００４２】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器は、上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内であって上記位相差下限設定値より更に小さい値に設定された位相差最下限設定値以下となったとき上記最大電位を出力し以降所定の勾配で零に漸減する電位を出力する位相差回復回路を備え、この位相差回復回路の出力端をダイオードを介して上記Ｖ／ｆコンバータに接続したので、負荷の急変時にもインバータは遅れ位相運転を保持する。
【００４３】
また、この発明に係る電磁誘導加熱調理器の位相差回復回路は、上記位相差検出値が上記位相差最下限設定値以下となったとき上記最大電位の単パルスを出力するとともに、上記単パルスの出力で上記ソフトスタート回路を起動させる比較器で構成したので、ソフトスタート回路を利用した円滑な位相差回復動作が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における電磁誘導加熱調理器を示す回路構成図である。
【図２】図１の内、インバータの出力周波数制御機構を示す図である。
【図３】図１のソフトスタート回路１０の内部構成を示す図である。
【図４】実施の形態１の制御動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図５】図４とは異なる状況下での制御動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図６】図４、図５とは異なる状況下での制御動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図７】この発明の実施の形態２における負荷変動の具体的事例を説明する図である。
【図８】調理鍋の材質として、ステンレスとアルミの場合における、周波数と位相差との関係を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態２における電磁誘導加熱調理器を示す回路構成図である。
【図１０】図１０の内、インバータの出力周波数制御機構を示す図である。
【図１１】実施の形態２の制御動作を説明するフローチャートである。
【図１２】実施の形態２の制御動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図１３】この発明の実施の形態３における電磁誘導加熱調理器を示す回路構成図である。
【図１４】実施の形態３の制御動作を説明するフローチャートである。
【図１５】電磁誘導加熱調理器の主回路構成を示す図である。
【図１６】遅れ位相の場合の、インバータの電圧、電流波形を示す図である。
【図１７】進み位相の場合の、インバータの電圧、電流波形を示す図である。
【図１８】インバータの上下アームに流れる電流波形を示す図である。
【図１９】インバータのスイッチング素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 電力演算回路、２ 位相差検出回路、３ 駆動回路、
４ 電力制御用差動増幅器、５ 位相差制御用差動増幅器、
６ Ｖ／ｆコンバータ、７ 電力設定器、８，１２，１４ 位相差設定器、
９ 運転指令回路、１０ ソフトスタート回路、１１，１３ 比較器、
１５ フリップフロップ回路、１６ タイマ回路、
ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）、Ｌ 加熱コイル、
Ｃ２，Ｃ３ 共振コンデンサ。
Claims (8)
- コンデンサとで直列共振回路を形成する加熱コイル、この加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ、およびこのインバータの入力電力を検出しこの電力検出値が電力設定値となるよう上記インバータの出力周波数を制御する電力制御手段を備えた電磁誘導加熱調理器において、
上記インバータの出力電圧と上記加熱コイルに流れる電流との位相差を検出する位相差検出手段、および上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内で設定された位相差下限設定値以下となったとき上記電力制御手段の動作に優先し上記位相差を遅れ位相の範囲内に保持するよう上記インバータの出力周波数を制御する位相差制御手段を備えたことを特徴とする電磁誘導加熱調理器。 - 上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内であって上記位相差下限設定値より更に小さい値に設定された位相差最下限設定値以下となったとき上記インバータの出力周波数を一旦最高値にし、以降上記電力制御手段または位相差制御手段の動作で制御されるまで上記インバータの出力周波数を漸次下降させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の電磁誘導加熱調理器。
- 上記位相差検出値が、上記位相差最下限設定値以下となった後所定時間上記位相差検出値が上記位相差下限設定値以下に留まる場合上記インバータを停止させるインバータ停止手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の電磁誘導加熱調理器。
- 上記インバータ停止手段により上記インバータを停止させた場合、上記停止後、所定の時間間隔で所定の短時間上記インバータを最高周波数で動作させ、上記位相差検出値が上記位相差下限設定値を越えたとき上記インバータを上記停止前の運転状態に復帰させるようにしたことを特徴とする請求項３記載の電磁誘導加熱調理器。
- コンデンサとで直列共振回路を形成する加熱コイル、この加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ、このインバータの入力電力を演算する電力演算回路、上記インバータの出力電圧と上記加熱コイルに流れる電流との位相差を検出する位相差検出回路、上記電力演算値と手動設定による電力設定値とを入力し前者入力値が後者入力値越えると出力電位の極性が正となるように設定された電力制御用差動増幅器、上記位相差検出値と遅れ位相の範囲内で設定された位相差下限設定値とを入力し前者入力値が後者入力値未満になると出力電位の極性が正となるように設定された位相差制御用差動増幅器、および抵抗接地された入力端にそれぞれダイオードを介して上記両差動増幅器の出力端が接続され上記入力端の電位が零（接地）電位のとき上記インバータを最低周波数で制御するための周波数指令信号を出力するよう入力電位を周波数指令信号に変換するＶ／ｆコンバータを備えた電磁誘導加熱調理器。
- 上記インバータの運転開始時における電力設定を自動的に行うため該運転開始時に最大で以降所定の勾配で零に漸減する電位を出力するソフトスタート回路を備え、このソフトスタート回路の出力端をダイオードを介して上記Ｖ／ｆコンバータに接続し、上記Ｖ／ｆコンバータは、その入力端の電位が上記最大電位のとき上記インバータを最高周波数で制御するための周波数指令信号を出力するものとしたことを特徴とする請求項５記載の電磁誘導加熱調理器。
- 上記位相差検出値が、遅れ位相の範囲内であって上記位相差下限設定値より更に小さい値に設定された位相差最下限設定値以下となったとき上記最大電位を出力し以降所定の勾配で零に漸減する電位を出力する位相差回復回路を備え、この位相差回復回路の出力端をダイオードを介して上記Ｖ／ｆコンバータに接続したことを特徴とする請求項６記載の電磁誘導加熱調理器。
- 上記位相差回復回路は、上記位相差検出値が上記位相差最下限設定値以下となったとき上記最大電位の単パルスを出力するとともに、上記単パルスの出力で上記ソフトスタート回路を起動させる比較器で構成したことを特徴とする請求項７記載の電磁誘導加熱調理器。
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