(57)【要約】【課題】インバータ起動用の回路を簡素化しつつ起動できる誘導加熱装置を得る。【解決手段】逆変換装置３のスイッチング動作開始前に、制御装置１０から整流装置１を起動するとともに、充電用スイッチング素子１２をＯＮして逆変換装置３の入力側の直流端子間に接続された起動用コンデンサ１１の充電を完了し、その後、逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７および放電用スイッチング素子１３をＯＮして起動用コンデンサ１１の充電電荷を共振用コンデンサ９に供給することにより、誘導加熱装置の起動に必要な逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７を消弧するための電圧を予め確保する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源装置と、この直流電源装置に直流リアクトルを介して接続され直流から高周波の電力を発生する複数の逆変換用スイッチング素子からなる逆変換装置と、この逆変換装置の出力側の交流端子間に接続された加熱コイルと、この加熱コイルと並列に接続された共振用コンデンサとを有する誘導加熱装置において、
上記逆変換装置の入力側の直流端子間に接続された起動用コンデンサと、上記逆変換装置のスイッチング動作開始前にＯＮされて上記起動用コンデンサを充電する充電用スイッチング素子と、上記逆変換装置がＯＮされるとともにＯＮされて上記起動用コンデンサの充電電荷を放電して上記逆変換装置を介して上記共振用コンデンサに供給する放電用スイッチング素子とを備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
請求項１記載の誘導加熱装置において、上記逆変換装置のスイッチング動作中に、上記充電用スイッチング素子をＯＮさせることによる上記起動用コンデンサの充電と、上記放電用スイッチング素子をＯＮさせることによる上記起動用コンデンサの放電とを繰り返して、上記起動用コンデンサの充電電荷を上記逆変換装置に供給しながら運転するようにしたことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項３】
直流電源装置と、この直流電源装置に直流リアクトルを介して接続され直流から高周波の電力を発生する複数の逆変換用スイッチング素子からなる逆変換装置と、この逆変換装置の出力側の交流端子間に接続された加熱コイルと、この加熱コイルと並列に接続された共振用コンデンサとを有する誘導加熱装置において、
上記逆変換装置の入力側の直流端子間に接続された起動用コンデンサと、上記逆変換装置のスイッチング動作開始前にＯＮされて上記起動用コンデンサを充電する充電用スイッチング素子と、上記逆変換装置がＯＮされるとともにＯＮされて上記起動用コンデンサの充電電荷を放電して上記逆変換装置を介して上記共振用コンデンサに供給する放電用スイッチング素子と、上記逆変換装置の入力側の電流を検出する直流電流検出器と、上記逆変換装置のスイッチング動作中に、上記充電用スイッチング素子がＯＮされて上記起動用コンデンサを充電し、上記直流電流検出器で検出された電流値が上記逆変換装置の上記逆変換用スイッチング素子の保持電流値より大きい所定値以下になった時に、上記放電用スイッチング素子がＯＮされて上記起動用コンデンサの充電電荷を上記逆変換装置に供給する電流制御手段とを備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、誘導加熱装置に関し、特にその起動回路および運転回路の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の誘導加熱装置においては、複数個の主サイリスタからなるブリッジ（逆変換装置）の１対角線上に、加熱コイルからなる負荷と共振用コンデンサとを並列に接続してなるインバータをインバータ起動信号により起動させるために、起動用リアクトルと起動用スイッチング素子と起動用コンデンサとからなる起動用直列回路を負荷と並列に接続する手段と、起動用コンデンサを充電する充電用整流器と、充電用整流器の交流側に設けられ補助交流電源を選択的に接続するスイッチ回路とからなるインバータ起動回路を備え、インバータ起動信号により起動用スイッチング素子を点弧せしめて起動用コンデンサの充電電荷を負荷と並列に接続した共振用コンデンサに移動させることにより、主サイリスタの転流に必要な電磁エネルギーを負荷回路に供給してインバータを起動している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特公昭５５−４２５９２号公報（第５図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の誘導加熱装置においては、共振用コンデンサを逆変換装置のスイッチング動作の開始前に予め充電しておくために、インバータ起動回路を使って装置を起動する必要があり、インバータ起動回路の部品点数が多く複雑な回路構成になるという問題点があった。
さらに、誘導加熱装置の起動後、負荷への供給電力が小さい軽負荷状態で運転を継続するような場合においては、逆変換装置の各サイリスタに流れる電流も少なくなるため、例えば逆変換装置の各サイリスタに流れる電流がサイリスタの正常動作に必要な保持電流値以下になって本来のタイミングとは異なる時点で各サイリスタが消弧してしまい、運転が不安定になる場合があるという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、インバータ起動用の回路を簡素化しつつ起動できる誘導加熱装置を得ることを目的とする。また、軽負荷状態でも安定した運転ができる誘導加熱装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、直流電源装置と、この直流電源装置に直流リアクトルを介して接続され直流から高周波の電力を発生する複数の逆変換用スイッチング素子からなる逆変換装置と、この逆変換装置の出力側の交流端子間に接続された加熱コイルと、この加熱コイルと並列に接続された共振用コンデンサとを有する誘導加熱装置において、逆変換装置の入力側の直流端子間に接続された起動用コンデンサと、逆変換装置のスイッチング動作開始前にＯＮされて起動用コンデンサを充電する充電用スイッチング素子と、逆変換装置がＯＮされるとともにＯＮされて起動用コンデンサの充電電荷を放電して逆変換装置を介して共振用コンデンサに供給する放電用スイッチング素子とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。図１はこの発明の実施の形態１の誘導加熱装置の回路構成図である。
図１において、整流装置からなる直流電源装置１から直流リアクトル２を通じて供給された直流電源が逆変換装置３を構成するサイリスタからなる各逆変換用スイッチング素子４〜７のスイッチング動作によって高周波電源に変換され、逆変換装置３の負荷である加熱コイル８と共振用コンデンサ９とに供給される。そして、加熱コイル８内にある図示しない被加熱材が所定の温度に誘導加熱される。
【０００８】
逆変換装置３のスイッチング動作は、制御装置１０からの指令により各逆変換用スイッチング素子４、７と各逆変換用スイッチング素子５、６とが各々組になって順番にＯＮ、ＯＦＦを繰り返すことにより行われる。各逆変換用スイッチング素子４〜７をＯＮするための点弧は図示しない点弧回路によって行われるが、ＯＦＦするための消弧は、共振用コンデンサ９に充電されている電荷が各逆変換用スイッチング素子４〜７に逆電圧として印加されることにより可能となる。従って、誘導加熱装置を起動するためには共振用コンデンサ９が逆変換装置３のスイッチング動作開始前に予め充電されている必要がある。
【０００９】
また、逆変換装置３の入力側の直流端子間には起動用コンデンサ１１が接続されており、制御装置１０から充電用スイッチング素子１２への指令により、起動用コンデンサ１１が逆変換装置３のスイッチング動作開始前に充電される。そして、制御装置１０から放電用スイッチング素子１３への指令より、起動用コンデンサ１１の充電電荷が放電されて逆変換装置３を介して共振用コンデンサ９に供給される。なお、この実施の形態１では、逆変換装置３の逆変換用スイッチング素子４〜７、充電用スイッチング素子１２および放電用スイッチング素子１３はそれぞれサイリスタで構成している。
【００１０】
次に、動作について説明する。図２は起動時の起動用コンデンサの充放電の関係を示す説明図、図３は誘導加熱装置の負荷の出力電圧波形を示す図である。図１から図３において、まず誘導加熱装置を起動する際の動作を説明する。逆変換装置３のスイッチング動作開始前に、制御装置１０から直流電源装置１を起動するとともに、充電用スイッチング素子１２にＯＮ指令が出されると、直流リアクトル２を通じて起動用コンデンサ１１の充電が開始する。ここで、起動用コンデンサ１１が充電を完了する時間は回路の時定数によって予め把握できる。制御装置１０においては、その充電完了時間をもって充電用スイッチング素子１２の両端に図示しない逆電圧を印加して充電用スイッチング素子１２をＯＦＦする。
次に、逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４、７および放電用スイッチング素子１３をＯＮして、起動用コンデンサ１１の充電電荷を共振用コンデンサ９に供給する。これにより、逆変換装置３のスイッチング動作の開始前に共振用コンデンサ９が予め充電されるので、逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７を消弧するための電圧を確保することができる。
【００１１】
この後、共振用コンデンサ９と加熱コイル８の間には共振電圧が発生するので、逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７を交互にＯＮ、ＯＦＦしてスイッチング動作させて運転を開始する。すなわち、制御装置１０の指令により、直流電源装置１から直流リアクトル２を通じて供給された直流電源が逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７のスイッチング動作によって高周波電源に変換され、逆変換装置３の負荷である加熱コイル８と予め充電された共振用コンデンサ９とに供給されて加熱コイル８内の被加熱材が所定の温度に誘導加熱される。この逆変換装置３のスイッチング動作は、各逆変換用スイッチング素子４、７と各逆変換用スイッチング素子５、６とが各々組になって順番にＯＮ、ＯＦＦを繰り返すことにより行われる。
この場合の逆変換装置３の出力電圧、すなわち共振用コンデンサ９と加熱コイル８の両端の共振電圧の波形は図３に示す正弦波となり、この周期すなわち出力周波数に合わせて逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７はＯＮ、ＯＦＦのスイッチング動作を繰り返す。
【００１２】
そして、誘導加熱装置の起動後、逆変換装置３のスイッチング動作中に、充電用スイッチング素子１２と放電用スイッチング素子１３とを交互にＯＮ、ＯＦＦして、起動用コンデンサ１１の充電と共振用コンデンサ９への放電を交互に繰り返すことにより、起動用コンデンサ１１の充電電荷を放電電流として逆変換装置３に供給しながら運転する。このようにすれば、各逆変換用スイッチング素子４〜７に流れる電流を増大できるので、例えば負荷への供給電力が小さいために各逆変換用スイッチング素子４〜７に流れる電流が少なくなる軽負荷状態においても安定した運転が可能になる。
【００１３】
このように、充電用スイッチング素子１２により逆変換装置３の入力側の直流端子間に接続された起動用コンデンサ１１を充電し、逆変換装置３のスイッチング動作開始前に、放電用スイッチング素子１３により起動用コンデンサ１１の充電電荷を共振用コンデンサ９に供給して、逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７を消弧するための電圧を予め確保することにより、起動用の回路を簡素化して誘導加熱装置を起動することができる。
【００１４】
また、逆変換装置３のスイッチング動作中に、充電用スイッチング素子１２による起動用コンデンサ１１の充電と、放電用スイッチング素子１３による起動用コンデンサ１１の放電とを繰り返して、起動用コンデンサ１１の充電電荷を逆変換装置３に供給しながら運転することにより、負荷が変動しても安定して誘導加熱装置を運転することができる。
【００１５】
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２について説明する。図４は、この発明の実施の形態２の誘導加熱装置の回路構成図である。１〜１３は実施の形態１のものと同様のものである。図４において、逆変換装置３の入力側の電流を直流電流検出器１４により検出する。そして、電流制御手段１５により、直流電流検出器１４で検出された電流値が逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７の保持電流値より大きい所定値以下になった時に、放電用スイッチング素子１３がＯＮされて起動用コンデンサ１１の充電電荷を逆変換装置３に供給する。
【００１６】
次に、動作について説明する。図５は直流電流と逆変換用スイッチング素子に流れる電流との関係を示す説明図、図６は誘導加熱装置の直流電流を示す図で、（ａ）は定格負荷の場合、（ｂ）は軽負荷の場合を示す図、図７は逆変換装置の逆変換用スイッチング素子１個に流れる電流を示す図である。図４から図７において、誘導加熱装置を起動するときの動作は実施の形態１と同様である。すなわち、制御装置１０から直流電源装置１を起動するとともに、充電用スイッチング素子１２にＯＮ指令が出されると、直流リアクトル２を通じて起動用コンデンサ１１の充電が開始し、充電完了時間をもって充電用スイッチング素子１２をＯＦＦする。次に、逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４、７および放電用スイッチング素子１３をＯＮして、起動用コンデンサ１１の充電電荷を共振用コンデンサ９に供給する。これにより、逆変換装置３のスイッチング動作の開始前に共振用コンデンサ９を予め充電して、逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７を消弧するための電圧を確保する。この後、逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７を交互にＯＮ、ＯＦＦしてスイッチング動作させて運転を開始し、所定の高周波電源を逆変換装置３の負荷である加熱コイル８と共振用コンデンサ９とに供給することにより、加熱コイル８内の被加熱材が所定の温度に誘導加熱される。
【００１７】
次に、加熱コイル８の中に被加熱材が無い状態（無負荷）で装置を起動したり、運転の途中で加熱コイル８の中の被加熱材が少なくなった場合のように、負荷に対する供給電力が小さい軽負荷状態の場合の動作を説明する。
誘導加熱装置における直流リアクトル２には直流電流を平滑にする機能がある。この直流電流の波形は、図６に示すように、３相ブリッジ整流方式である直流電源装置１の整流波形の周期、すなわち受電側の商用周波数の６倍の周波数をもつ周期で脈動する。この脈動波形の実効値は、装置の負荷である加熱コイル８と共振用コンデンサ９に供給される供給電力とに関係し、供給電力が大きいほど直流電流値は大きくなる。
【００１８】
例えば定格負荷の場合には、直流電流の波形は図６（ａ）に示すように脈動率は小さい。しかし、加熱コイル８の中に被加熱材が無い状態（無負荷）で装置を起動したり、運転の途中で加熱コイル８の中の被加熱材が少なくなった場合のように、負荷に対する供給電力が小さい軽負荷状態の場合には、図６（ｂ）に示すように直流電流も小さくなり、ある時点においては直流電流値が零になるか又は零に近づくことがある。この直流電流は、図７に示すように、逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７に出力周波数の半周期ごとに流れる電流に相当するため、直流電流の脈動が各逆変換用スイッチング素子４〜７の電流にもあらわれる。
このように、軽負荷状態においては、逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７に流れる直流電流値が小さいため、図５の直流電流波形に示すように、脈動により電流値が零に近づく時があり、そのまま運転を継続していると各逆変換用スイッチング素子４〜７が正常に動作せず不安定になる場合がある。
【００１９】
そこで、この実施の形態２では、電流制御手段１５により、各逆変換用スイッチング素子４〜７が正常動作可能な保持電流値（一般的には定格の１０％程度）より大きい所定値（図４のＩｄｏ）を予め設定しておく。次に、逆変換装置３のスイッチング動作中に、電流制御手段１５からの指令により、直流電流検出器１４で検出した直流電流値が所定値Ｉｄｏ以上の場合には、充電用スイッチング素子１２をＯＮして起動用コンデンサ１１の充電を開始し、充電完了時点で充電用スイッチング素子１２をＯＦＦにしておく。そして、直流電流検出器１４で検出した直流電流値が所定値Ｉｄｏ以下の場合には、直ちに放電用スイッチング素子１３をＯＮして逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７に充電電荷を放電する。逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７は交互にＯＮ、ＯＦＦしているが、ＯＮしている逆変換用スイッチング素子に起動用コンデンサ１１の充電電荷が放電電流として供給されて逆変換用スイッチング素子の保持電流値以下になるのを防止する。
【００２０】
このようにすれば、逆変換装置３の各逆変換用スイッチング素子４〜７の通電電流を常に逆変換用スイッチング素子の保持電流値以上に維持することができるので、軽負荷状態においても常に安定した運転ができる。
【００２１】
上記の実施の形態１および実施の形態２では、充電用スイッチング素子１２および放電用スイッチング素子１３としてサイリスタを用いたが、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタを使用しても上記と同様の効果を奏する。さらに、ＧＴＯサイリスタはゲート信号のみでＯＮ、ＯＦＦが可能であり、通常のサイリスタのように消弧のために逆電圧を印加する必要がないので回路がより簡素化されるという効果がある。
また、充電用スイッチング素子１２および放電用スイッチング素子１３としてトランジスタを使用しても上記と同様の効果を奏する。さらに、トランジスタはベース信号のみでＯＮ、ＯＦＦが可能であり、サイリスタのように消弧のために逆電圧を印加する必要がないので回路がより簡素化されるという効果がある。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、直流電源装置と、この直流電源装置に直流リアクトルを介して接続され直流から高周波の電力を発生する複数の逆変換用スイッチング素子からなる逆変換装置と、この逆変換装置の出力側の交流端子間に接続された加熱コイルと、この加熱コイルと並列に接続された共振用コンデンサとを有する誘導加熱装置において、逆変換装置の入力側の直流端子間に接続された起動用コンデンサと、逆変換装置のスイッチング動作開始前にＯＮされて起動用コンデンサを充電する充電用スイッチング素子と、逆変換装置がＯＮされるとともにＯＮされて起動用コンデンサの充電電荷を放電して逆変換装置を介して共振用コンデンサに供給する放電用スイッチング素子とを備えたので、起動用の回路を簡素化しつつ誘導加熱装置を起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の誘導加熱装置の回路構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１の起動時の起動用コンデンサの充放電の関係を示す説明図である。
【図３】誘導加熱装置の負荷の出力電圧波形を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２の誘導加熱装置の回路構成図である。
【図５】この発明の実施の形態２の直流電流と逆変換スイッチング素子に流れる電流との関係を示す説明図である。
【図６】誘導加熱装置の直流電流を示す図で、（ａ）は定格負荷の場合、（ｂ）は軽負荷の場合を示す。
【図７】逆変換装置の逆変換用スイッチング素子１個に流れる電流を示す図である。
【符号の説明】１　直流電源装置、２　直流リアクトル、３　逆変換装置、４〜７　逆変換用スイッチング素子、８　加熱コイル、９　共振用コンデンサ、１１　起動用コンデンサ、１２　充電用スイッチング素子、１３　放電用スイッチング素子、１４　直流電流検出器、１５電流制御手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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