CN101326857A - 用来操作感应加热设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用来操作感应加热设备的方法。所述感应加热设备包括感应线圈和用来为感应线圈产生控制电压的变流器。所述变流器包括一个整流器用来整流网络交流电压(UN)，一个中间电路电容器耦合在整流器的输出端之间用来缓冲被整流的电压，和耦合在整流器的输出端之间的至少一个可控的开关元件。按照本发明，在控制感应线圈来产生可调节的加热功率前，在网络交流电压的过零点前的预定放电范围(INT)内，通过控制至少一个开关元件来将中间电路电容器放电至阈值。

Description

用来操作感应加热设备的方法
技术领域和现有技术
本发明涉及根据权利要求1前序部分的用来操作感应加热设备的方法。
在感应加热设备中，感应线圈被施加交流电压或交流电流，由此涡电流在与感应线圈磁性耦合的需要加热的烹饪用具中被感应。涡电流导致烹饪用具的加热。
控制感应线圈的各种电路设置和控制方法为人所熟知。所有的电路或方法的变体都具有共同点，即为感应线圈从低频的网络输入电压产生高频的控制电压。这样的电路被称为变流器(Umrichter)。
为了变流或变频，通常网络输入电压首先通过整流器被整流为供给直流电压或中间电路电压，随后通过一个或多个开关元件，通常是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，被处理来产生高频的控制电压。在整流器的输出处，也就是在中间电路电压和参考电势之间，一般设置有所谓的中间电路电容器(Zwischenkreiskondensator)来缓冲中间电路电压。
第一种变流器变体在全桥电路中形成变流器，其中在两个所谓的半桥之间串联耦合(einschleifen)有感应线圈和电容器。所述半桥相应地耦合在中间电路电压和参考电势之间。感应线圈和电容器形成串联谐振电路。
另一种变流器变体由两个IGBT形成半桥电路，其中串联耦合在中间电路电压和参考电势之间的感应线圈和电容器形成串联谐振电路。感应线圈在一端被连接到两个电容器的连接点，在另一端连接到两个形成半桥的IGBT的连接点。
具有全桥的变体及具有半桥的变体由于需要大量必需的组件，特别是IGBT，相对来说比较昂贵。
因此，一种从成本角度优化的变体仅仅使用一个开关元件或一个IGBT，其中感应线圈和电容器形成并联谐振电路。在整流器的输出端之间并联于中间电路电容器，由感应线圈和电容器形成的并联谐振电路与IGBT串联耦合。
所有所谓的变流器变体都具有相同点，即在第一网络半波期间，以峰值网络交流电压充电中间电路电容器至空载电压，例如在230V的网络交流电压时至325V，只要能够以网络电压(Netzspannung)来供给。
如果没有产生用来生成感应线圈功率的控制电压，也就是开关元件或IGBT被抑制，在中间电路电容器处的电压大致保持不变。在变流器的开始，也就是如果用来产生可调加热功率(Heizleistung)的感应线圈被控制，或加载交流电压，则高电流在IGBT接通时首先从中间电路电容器流出至谐振电路，且流经IGBT。这在通过感应加热设备来加热的烹饪用具中造成听得见的噪音，例如在锅底中。此外，加载高接通电流的组件的使用寿命会降低。
任务和解决方案
因此，所述发明的任务在于，提供用来操作带有变流器的感应加热设备的方法，使得以低干扰辐射来可靠地、组件保护地及低噪音地操作感应加热设备成为可能。
所述发明通过具有权利要求1特征的方法来解决这个任务。对所述发明有利和优选的扩展则是从属权利所要求的，将在下面进一步说明。权利要求的用词明确地作为描述内容的一部分。
按照所述发明，在控制感应线圈来产生可调节的加热功率前，在网络交流电压的过零点前的在一段时间范围内，中间电路电容器通过控制开关元件来放电至阈值，其中在放电时，必要的话已经在可用的烹饪用具中提供微量的加热功率供给。中间电路电容器的放电导致在加热过程开始时，也就是在感应线圈加热功率应该在烹饪用具提供时，中间电路电容器实质上被放电。如果在这个时候开关元件导通或变的可传导，则不产生或仅仅产生通过开关元件和由感应线圈和电容器组成的谐振电路的小电流脉冲。所以不产生接通噪音，功率组件的脉冲电流负载被降低，由此使用寿命提高。在中间电路电容器放电后，真实的加热过程可以以常规的方式发生，例如开关元件可以由带有工作频率和相应占空比的方波信号来控制。因此，变流器由在过零点范围内的小电流或电压来启动。随着半波在过零点后的提高，变流器可以由工作频率和占空比来调整到其与相应工作点相关的调节加热功率。
在其它实现中，变流器是单晶体管变流器。在这里，至少一个开关元件优选为形成单晶体管变流器的开关元件。备选的，变流器在全桥电路或半桥电路中被实现，其中至少一个开关元件是桥的一部分。
在还有的实现中，在网络交流电压的过零点前的时间范围从1ms开始至5ms，优选2.5ms。这使中间电路电容器的可靠放电成为可能，同样可以使开关元件中通过放电过程产生损耗功率变小。
在还有的实现中，阈值在从0V至20V的范围内。中间电路电容器优选地放电至0V。这使变流器的实际无脉冲电流启动成为可能。
在又一实现中，至少一个开关元件是晶体管，特别是IGBT。为了放电中间电路电容器，晶体管优选在放电期间被控制，调节到线性工作状态。因此，如果在这种工作类型或者这种工作状态下的晶体管没有充分导通，则中间电路电容器缓慢沿网络半波放电。通过并联谐振电路和晶体管产生的电流保持相对较小，由此噪音的发出被避免或显著降低。
在还有的实现中，为了放电中间电路电容器，开关元件由带有脉冲宽度调制的方波电压信号来控制。方波电压信号优选为具有从20kHz至50kHz范围内的频率，特别是39kHz，和/或从1/300至1/500范围内的通/断比例(An/Aus-Verhaeltnis)，特别是1/378。用这种方法，可以引起被控制的中间电路电容器的放电，而不需流过太大的放电电流。频率和/或通/断比例首先匹配于使用的IGBT类型、其驱动电压、用来产生驱动电压的所使用的驱动电路、和/或中间电路电容器的电容值。
在还有另一实现中，可调节的加热功率由半波模式(Halbwellenmuster)来产生，其中中间电路电容器在半波激活前被放电。在由半波模式产生加热功率时，网络交流电压的单个半波被减弱或去激活，也就是不被用来产生加热功率。在所谓的1/3-网络半波操作中，为了供给功率到谐振电路或感应线圈中，例如三个互相跟随的半波中的仅仅一个被使用或激活。在剩下的两个半波期间，开关元件保持被打开，也就是没有功率被供给到谐振电路中。在2/3-网络半波操作中，为了供给功率到谐振电路或感应线圈中，三个互相跟随的半波中的两个被使用或激活。在激活的半波期间，功率调节以常规的方式发生。网络半波操作使在大功率调节范围内的功率等级的优良精度成为可能。这样的功率调节特别对单晶体管变流器非常有利。如果在单晶体管变流器的常规操作方法中，为了调节功率而使用半波操作，在一个非激活半波期间，也就是在一个半波期间，没有功率被供给到谐振电路中，空载电压在中间电路电容器处被调节，例如在230V网络电压时为325V。
如果在从非激活到激活半波的过渡期间，开关元件最初被导通，则高电流短暂地流过谐振电路和开关元件，由此，就像已经实施的会导致噪音。在1/3-和2/3-网络半波操作中，用这种方法，每30ms产生一次噪音。这不是使用者要求的。因此，在常规的单晶体管变流器中，一般没有半波控制为了调节功率而被使用。在中间电路电容器在激活半波前按照所述发明放电的使用中，也就是从被去激活半波到被激活半波的过渡期间，没有高接通电流产生，也就是在单晶体管变流器中，也可以为了功率调节而使用半波控制。三个半波中的一个或两个被优选激活，也就是设定为1/3或2/3网络半波操作。
除了来自于权利要求，这些和其他特征也来自于说明书和附图，其中单个特征相应地以单独或多个的子组合形式在本发明的实施方式和其它领域实现，并且为此优选地表现为在此请求保护的可保护的实施方式。将申请分为多个部分及中间的标题并不在整体上限制下面的描述。
附图简述
所述发明的实现形式在附图中被概要地描绘，在下面被进一步说明。在这里显示：
图1单晶体管变流器的电路图，其由按照发明的操作方法来驱动，
图2图1的单晶体管变流器的信号时间流程图，
图3在半桥电路中的变流器的电路图，其由按照发明的操作方法来驱动，和
图4在全桥电路中的变流器的电路图，其由按照发明的操作方法来驱动。
具体实施方式
图1显示了单晶体管变流器EU形式的感应加热设备的电路图。感应加热设备也可以包括其它未显示出来的相同构造的单晶体管变流器EU和附加常规部件，例如用来调节功率的控制元件等。
单晶体管变流器EU包括由230V和50Hz的输入网络交流电压UN中产生中间电路直流电压UG的桥整流器GL、耦合整流器GL的输出端N1和N2之间的用来稳定或缓冲中间电路直流电压UG的缓冲器或中间电路电容器C1、并联且形成并联谐振电路感应线圈L1和电容器C2、与谐振电路串联耦合在整流器GL的输出端N1和N2之间IGB-晶体管T1形式的可控开关元件、并联连接至IGB-晶体管T1的集电极-发射极-区间的空载二极管D1、和例如以微处理器或数字信号处理器的形式出现的控制单元SE。
为了操作单晶体管变流器EU，控制元件SE实现按照发明的在下文中相对于图2描述的操作方法，还可以包括或被耦合至其它的未显示的执行器和/或传感器，例如用来监控网络电压变化。
图2显示了图1的单晶体管变流器EU的信号的未按照原尺寸的时间流程图。根据50Hz的输入网络交流电压UN的网络频率(Netzfrequenz)，在输入网络交流电压UN的相邻网络半波H1至H3之间每10ms出现一次过零点。单晶体管变流器EU在2/3-网络半波操作中被控制，也就是仅在三个网络半波的两个期间功率被供给到并联谐振电路或感应线圈L1中。在图2中，半波H2和H3是激活半波，在此期间功率被供给，网络半波H1是非激活半波，在此期间没有功率供给发生。在非激活半波H1期间，IGB-晶体管T1禁止，直至过渡范围或预定放电范围INT，在此期间中间电路电容器C1被放电。
UC是IGB-晶体管T1的集电极处的电压，其相对于整流器GL的端口N1处的参考电势。在非激活半波期间，在被禁止的IGB-晶体管T1上，空载电压在集电极处为网络交流电压UN的峰值，也就是在显示的实施例中为大约325V。
在激活半波H2和H3期间，功率被供给到感应线圈L1中。这可以以常规的方式引起，例如由带有频率和占空比的方波电压信号来控制IGB-晶体管T1，其取决于在半波期间被调节的供给功率。
为了消除从半波H1至半波H2过渡的接通电流脉冲，在放电时间范围或时间间隔INT期间，大约在半波H1和H2之间的过零点ND之前2.5ms的时间点T0和过零点ND之间，中间电路电容器C1开始通过控制IGB-晶体管来连续放电直至大约0V。另外，IGB-晶体管T1由带有大约39kHz的频率和大约1/378的通/断比例的未显示方波电压信号来控制。控制脉冲很短，以致于不足以去除IGB-晶体管-门的电荷。因此，IGB-晶体管T1没有充分导通，而是以线性操作方式。IGB-晶体管T1的集电极处的电压UC，其在这种情况下相关于中间电路电容器C1处的电压UG，就如显示的，通过缓慢沿网络半波作为包络曲线下降至大约0V。在图2显示的部分扩展中显示带有更大时间分辨率的信号UC。由此，大约39kHz的IGBT导通频率在放电过程中是可见的。
因为IGBT T1被不充分传导或导通，只出现通过感应线圈L1的小电流。因此，由线圈电流引起的噪音被阻止或显著降低。
在半波H2和H3期间，带有未显示的方波电压信号的IGB-晶体管T1以常规的方式被控制。在图2中显示了产生电压UC的包络曲线和带有更大时间分辨率的信号UC的放大图。电压UC由于并联谐振电路中的振荡而上升至明显高于空载电压。包络曲线显示正弦过程的曲线，其跟随被整流的输入网络交流电压UN。被显示的电压UC曲线在半波H3期间反复。IGBT T1的控制信号的频率在这种操作情况下在大约22kHz处。
在未显示的跟随半波H3的半波期间，IGB-晶体管T1被去激活，由此电压UC再次上升至大约325V的空载值。在过渡到后续的激活的半波期间，放电过程重复，就像为半波H1显示的。被描述的过程周期地重复。
所以，变流器电路可以由小电压和电流来启动，随着网络半波的提高调整至其本来的来自合适的频率和占空比的工作点。
为了在线性工作的放电期间控制IGB-晶体管，取决于被使用的IGB-晶体管，放电频率和占空比可以匹配于用来控制使用的控制电压、中间电路电容器的容量和谐振电路的尺寸。
如所示的，通过按照本发明的中间电路电容器的放电，由单晶体管变流器EU的半波模式来控制功率而不引起噪音干扰是可能的。如果在这种情况下，功率应该在一个半波内被供给，中间电路电容器在之前的非激活半波的最后被放电。这使大功率调节范围成为可能，而接通电流最高点不需要过度加负载于IGB-晶体管T1。总之，因此，组件的使用寿命提高。
图3显示了半桥电路中的变流器HU的电路图，其由按照发明的操作方法来控制。与图1中功能相同的组件具有相等的附图标记。鉴于此，其功能性描述参考图1。
半桥由IGBT T2和T3组成，串联耦合在整流器GL的输出端N1和N2之间。空载二极管D2或D3并联连接至IGBT T2或T3的相应集电极-发射极-区间。电容器C3和C4同样串联耦合在输出端N1和N2之间。在IGBT T2和T3的连接节点N3和电容器C3和C4的连接节点N4之间，耦合有感应线圈L1。L1与电容器C3和C4一起形成串联谐振电路。
IGBT T2和T3由控制元件SE来控制。功率调节可以用常规的方式发生，例如通过调整由控制元件SE产生的IGBT的控制信号的频率。
在接通变流器HU之后和产生加热功率之前，中间电路电容器C1和电容器C3和C4通过控制IGBT T2和T3被放电。这发生类似于图2描述的方法，由带有合适的频率和合适的通/断比例的方波电压信号来控制IGBT T2和T3。在这里，控制脉冲还是很短，以致于不足以去除各个IGB-晶体管-门处的电荷。因此，IGB-晶体管T2和T3没有充分导通，而是处于线性操作方式。
用这种方法，半桥电路的变流器处的干扰噪声也可以在接通过程或在去激活加热功率之后及随后再激活时被有效地阻止。
图4显示了在全桥电路中的变流器VU的电路图，其由按照发明的操作方法来控制。与图1中功能相同的组件具有相等的附图标记。鉴于此，其功能性描述参考图1。
第一半桥由IGBT T4和T5组成，第二半桥由IGBT T6和T7组成，相应地串联耦合在整流器GL的输出端N1和N2之间。空载二极管D4至D7并联连接至IGBT T4至T7的相应集电极-发射极-区间。在IGBT T4和T5的连接节点N5和IGBT T6和T7的连接节点N6之间，串联耦合有感应线圈L1和电容器C5。感应线圈L1与电容器C5形成串联谐振电路。
IGBT T4至T7由控制元件SE来控制。功率调节可以以常规的方式发生，例如通过调整由控制元件SE产生的IGBT控制信号的频率。
在接通变流器VU之后和产生加热功率之前，中间电路电容器C1通过控制IGBT T4至T7而被放电。这种情况类似于图2描述的方法，由带有合适的频率和合适的通/断比例的方波电压信号来控制IGBTT4至T7。在这里，控制脉冲还是很短，以致于不足以去除各个IGB-晶体管-门处的电荷。因此，IGB-晶体管T4和T7没有充分导通，而是以线性操作方式。
为了使中间电路电容器C1放电，所有IGB T4至T7或只有特定的IGB被如此控制，使得形成用来放电中间电路电容器C1的电流通路。例如只有T4和T5，只有T6和T7，只有T4和T7，或只有T6和T5被控制来放电。
用这种方法，全桥电路的变流器处的干扰噪声也可以在接通过程或在去激活加热功率之后及随后再次激活时被有效地阻止。
在被显示的实施例中，网络电压为230V，网络频率为50Hz。不言而喻，被显示的控制方法也适用于其它网络电压和网络频率。

Claims (12)

1.一种用来操作感应加热设备的方法，所述感应加热设备具有
-感应线圈(L1)，和
-用来为所述感应线圈(L1)产生控制电压的变流器(ET，HU，VU)，具有
-整流器(GL)，用来整流网络交流电压(UN)，
-中间电路电容器(C1)，耦合于所述整流器(GL)的输出端(N1，N2)之间，且缓冲整流的电压(UG)，及
-至少一个可控的开关元件(T1至T7)，耦合于所述整流器(GL)的输出端(N1，N2)之间，
其特征在于，
-在控制所述感应线圈(L1)来产生可调节的加热功率前，在网络交流电压(UN)的过零点前的预定放电时间范围(INT)内，通过控制至少一个开关元件(T1至T7)而使中间电路电容器(C1)放电至阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变流器是单晶体管变流器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变流器是全桥电路(VU)或半桥电路(HU)中的变流器，其中所述至少一个开关元件(T1至T7)是桥的一部分。
4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，放电时间范围(INT)开始于网络交流电压(UN)的过零点前的1ms至5ms。
5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述阈值在从0V至20V的范围内。
6.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个开关元件是晶体管，尤其是IGB-晶体管(T1至T7)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用来放电所述中间电路电容器(C1)的所述IGB-晶体管(T1至T7)在放电期间是这样被控制的，使得所述晶体管(T1至T7)调节为线性工作状态。
8.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，用来放电所述中间电路电容器(C1)的所述至少一个开关元件(T1至T7)由脉冲宽度调制的方波电压信号来控制。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方波电压信号具有20kHz至50kHz范围内的频率。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述方波电压信号具有1/300至1/500范围内的通/断比例。
11.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述可调节的加热功率由半波模式来产生，其中所述中间电路电容器(C1)在激活半波前被放电。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，三个半波中的一个被激活或三个半波中的两个被激活。
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