CN102257876B - 具有至少三个加热区的灶台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多个感应器（10）和具有至少三个由感应器（10）运行的加热区（12）的灶台。为了可以提供价格有利的灶台，提出由单个的功率电子组件（14）给所述感应器（10）供应加热电流，所述功率电子组件（14）具有对于感应器（10）共同使用的整流器（16）以对由家用电网（34）的单个相（18）所提供的交流电压进行整流。

Description

具有至少三个加热区的灶台

技术领域

本发明的出发点是一种具有多个感应器和具有可由感应器运行的至少三个加热区的灶台。

背景技术

从EP0971562B1中已知一种具有感应器加热元件的感应灶台，这些感应器加热元件被设计用于运行感应灶台的至少三个或四个加热区。感应灶台包括两个功率电子组件，这些功率电子组件——如在灶台的领域中常见的那样——分别包括用于对由家用电网的相所提供的交流电压进行整流的整流器。灶台通常连接到具有三个独立相的三相电网，在具有三个或四个加热区的灶台的情况下，从这些相中分接出两个相。

尤其是在感应灶台的领域中，由于比较高的成本阻碍了在公众中取得突破。一个重要的成本因素是功率电子组件，按照现有技术将这些功率电子组件的尺寸确定为使得可以同时用加热区的满标称加热功率来运行加热区中的每一个。但是实际上很少或从来不同时在所有的加热区中需要这样高的加热功率。

发明内容

本发明所基于的任务因此尤其是在于减小一般灶台的制造成本。

本发明的出发点是一种具有多个感应器和可由感应器运行的至少三个加热区的灶台。

提出由单个的功率电子组件给感应器供应加热电流，所述功率电子组件具有对于感应器共同使用的整流器以对由家用电网的单个相所提供的交流电压进行整流。由此可以省去通常在具有三个或四个加热区的大的感应灶台中所使用的第二功率电子组件。从家用电网的一个相中可产生的功率最多足以运行两个加热区的技术上的偏见难以经受住实际考验。由于仅很少或从来不调用加热区的满加热功率，因此来自一个相的例如在220-230V时由具有16A的家用电网保险丝限制到3520-3680W上的最大功率消耗在绝大多数的情况下在很大程度上足以运行具有三个或四个加热区的灶台。因此，在所有三个或四个加热区同时使用的无论如何少有的情况下，通常从来不在所有使用的加热区中同时要求满功率。通过舍弃在实际中几乎不重要的用满加热功率来运行所有加热区的可能性，没有抵消由于舍弃一个功率电子组件可以达到的成本节省潜力。尤其是当灶台的所有感应器的感应器标称功率的总和大于功率电子组件的标称功率时，则可以节省功率电子组件中的成本。通过作为本发明另一重要方面的智能功率管理，仍然可以在绝大多数的情况下在加热区中的每一个中通常提供足够的加热功率。

功率电子组件可以包括多个印刷电路板，例如用于滤波器构件的单层印刷电路板和用于控制电子装置的四层或多层印刷电路板。

所有感应器的感应器标称功率的总和尤其是可以为功率电子组件的多于1.3倍的标称功率。

尤其是与感应灶台相关联地考虑本发明的优点。这种感应灶台的功率电子组件包括成本高昂的变流器，所述变流器的数量和性能可以通过感应灶台的标称功率的根据本发明的限制被降低。优选将变流器集成到功率电子组件中，或与整流器一起安装在共同的印刷电路板上。

可以通过用于将感应器与变流器之一相连接的开关装置来实现复杂的功率管理。开关装置优选在不同的开关位置上将感应器中的至少一个与不同的变流器相连接，和/或在至少一个开关位置上将感应器中的至少一个与多个变流器相连接。由此一方面可以通过变流器的灵活可使用性来降低变流器的所需数量，并且另一方面可以将两个变流器的功率聚集到感应器中的一个上，使得得出对于灶台的非常多种多样的控制可能性。

尤其是当开关装置在至少一个开关位置上将单个的感应器同时与所有变流器相连接时，可将所有变流器的加热功率或加热电流集中到该感应器上。

在本发明的一个改进方案中提出，开关装置包括至少一个布置在感应器和变流器之间的半导体开关，尤其是三端双向可控硅开关（Triac-Schalter）。三端双向可控硅开关的输出端可以与两个或多个可并联的感应器和/或两个或多个可并联的变流器相连接。由此可以用简单和成本有利的方式实现具有大量可能开关位置的开关装置。

本发明尤其是可以在具有边长约60-80cm的基本上正方形盖板的灶台中使用。

在本发明的一个特别有利的扩展方案中，作为功率电子组件可以使用如下的常规电子组件：该电子组件被设计用于与三相交流家用电网的一个相连接并且具有最高5400W标称功率或在220W或230W时最大电流为25安培。该值实现了足够的加热功率，并且在大多数国家中仍然不使得家用电网过载。另一可以设想的值也许是4600A的最大功率。

本发明灶台是一系列具有至少两种不同灶台模型的特别有利的部分，这两种不同灶台模型用于市场的不同价格区段。在此，尤其是通过所使用的功率电子组件的数量和通过将由功率电子组件所产生的加热电流分配到不同感应器上来区分两种灶台类型。虽然通过操作开关单元的控制单元中的合适软件可以实现该分配，但是较昂贵灶台的硬件通过至少另一功率电子组件与本发明灶台的硬件相区别。

只具有一个功率电子组件的本发明灶台因此有利地具有空余的结构空间来安装可连接到家用电网的另外的相上的另外的功率电子组件。在该空余的结构空间中可以设置另外的装置以用于固定附加的功率电子组件，例如螺丝孔、鱼尾板（Laschen）或类似物。

由此可以用简单的方式装备灶台，并且可以在不改变灶台壳体或固定功率电子组件的安装框架的情况下来实现不同的灶台类型。

在本发明的一个特别有利的扩展方案中，灶台包括分别具有多个感应器的多个预安装模块。通过模块化的结构形式，可以进一步提高在灶台的结构配置中的灵活性，并且可将不同的模块和功率电子组件使用在大量可能的灶台类型中。

本发明特别有利地可以在具有用于加热不同炊具元件的至少三个或四个加热区的灶台中使用。在此关联中，应将在所谓的矩阵灶台中的可灵活定义的加热区也称为加热区，在这些矩阵灶台中，控制单元与所探测到的炊具元件的位置和大小有关地将不同感应器综合成加热区。灶台优选包括多于三个可同时运行的和可灵活定义的加热区。在此情况下，可将控制单元设计用于同时运行三个或更多个这种加热区，更确切地说尤其是被设计为使得用户可以互相独立地选择不同加热区的额定加热功率。

对于如下不太可能的情况，即用户尝试通过用户界面来选择在总和上超过功率电子组件的标称功率的加热功率，可以采取不同的措施。要么可以以标称功率与由用户所选择的额定加热功率的比例来降低各个加热区的加热功率，要么将最后激活的或者其额定加热功率或功率等级被最后提高的加热区的加热功率被限制到可供使用的剩余加热功率上。剩余加热功率是当前由其余加热区所消耗的加热功率到功率电子组件的标称功率之间的差值。此外还可以通知用户，所要求的额定加热功率的总和超过了可供使用的加热功率。这例如可以通过发光元件或通过显示器上的显示来实现。替代地或补充于此地也可以设想声学信号。尤其是提出灶台包括用于显示功率电子组件的当前所要求标称功率的一部分的显示元件。用户因此可以识别何时达到了功率极限，并且可以估算对另外的会过高要求灶台功效的炊具元件——例如罐状锅或平底锅——的加热是否会通过加热功率的必要的重新分配而导致其余加热区的加热功率的降低。

例如可将标称功率的一部分给出为百分比值。这例如可以在显示器上或通过在线性标度上的发光元件来实现。

附图说明

从以下的附图说明中得出另外的优点。在附图中示出本发明的实施例。附图、说明书和权利要求书以组合方式包含众多的特征。专业人员将适宜地而且单个地观察这些特征并且综合成有意义的另外的组合。

图1示出具有四个加热区、开关装置和功率电子组件的感应灶台，

图2示出具有四个加热区、多个变流器和开关装置的本发明灶台的方框图，

图3示出关于本发明功率电子组件的变流器的布局的示意图，

图4示出关于用于同时供应两个加热区的功率管理的示意图，其中借助控制电压的零位对不同加热区的激活阶段（Aktivierungsphase）进行同步，

图5示出关于用于同时供应两个加热区的功率管理的示意图，其中通过检测在激活阶段之间的间隔对不同加热区的激活阶段进行同步，

图6示出本发明灶台的感应器和三端双向可控硅开关的布线的示意图，

图7示出具有多个预安装模块的本发明灶台的布局，这些预安装模块分别包括多个感应器的组，

图8示出显示元件，该显示元件用于显示本发明灶台的功率电子组件的标称功率的可供使用的一部分，

图9示出按照本发明另一扩展方案的具有单个开关变流器的感应灶台的布局，

图10示出按照本发明另一扩展方案的感应灶台的布局，该感应灶台具有多个可并行地由半桥变流器运行的感应器，

图11示出按照本发明另一扩展方案的感应灶台的布局，该感应灶台具有两对可并行地由半桥变流器运行的感应器，

图12示出按照本发明另一扩展方案的感应灶台的布局，该感应灶台具有两个整流器和多个滤波电路，

图13示出用在本发明灶台中的开关元件，

图14示出用在本发明灶台中的滤波电路，以及

图15示出按照本发明另一扩展方案的感应灶台的布局。

具体实施方式

图1示出具有感应器10的矩阵的感应灶台，这些感应器10分别包括感应线圈和由铝构成的感应器载体。分别将这些感应器10中的四个综合成一个预安装模块26。感应灶台包括四个结构相同的这种模块26。在本发明的替代的扩展方案中，模块26中的每一个只包括一个感应器。

灶台基本上是具有约60cm边长的正方形，并且感应器10由正方形盖板（未示出）所覆盖，诸如罐状锅或平底锅的炊具元件28可以置放到该盖板上。灶台包括控制单元32、具有两个变流器20的单个的功率电子组件14以及开关装置22，通过该开关装置22可以建立或中断在变流器20和感应器10之间的连接。

通过开关装置22可以与开关装置22的开关位置有关地将感应器10中的每一个与多个变流器20相连接，并且将变流器20中的每一个与多个感应器10相连接。还可将多个变流器20并联并同时与单个的感应器10相连接，以便因此放大该感应器的加热功率。在本发明的不同的扩展方案中，该开关装置22要么将每一个变流器20与每一个感应器10相连接，要么将变流器20中的每一个与感应器10的子集相连接。

控制单元32通过控制线路既可以调节由变流器20所产生的交流电的频率，也可以使该交流电的幅度变化。幅度的该变化通过变流器20的脉宽调制操控来进行，或通过变流器20的绝缘栅双极晶体管（IGBT）的由控制单元32产生的栅极输入信号的脉宽变化来进行。

开关装置22包括复杂的系统，该系统由继电器和/或半导体开关24——尤其是分别具有用于由控制单元32所产生的控制信号的输入端的三端双向可控硅开关（图3）——构成，其中借助这些控制信号可以改变开关装置22的开关位置。

功率电子组件还包括连接到家用电网34的相18上的整流器16。家用电网34提供具有220-230V的幅度的三相交流电，并且通过家用保险丝限制到16A的最大电流上。因此功率电子组件可以最大达到约3.5-3.7kW的功率。在本发明的替代的扩展方案中——其中家用电网34最大提供25A，功率电子组件14的标称功率约为4.5kW。

图2示出按照本发明的替代扩展方案的本发明灶台的方框图，在该扩展方案中，模块26分别具有感应器10。四个模块26分别包括具有2x1.8kW、1.4kW和2.2kW的标称功率的感应器，使得对于灶台得出7.2kW的总标称功率。感应器10可以包括单独的或者由两个感应器共用的感应器载体。

模块26中的每一个可以运行灶台的一个加热区12。对放置到灶台上的炊具元件28进行探测的控制单元32将布置在炊具元件28底板之下的感应器综合成一个灵活的可定义的加热区12。在此，各个加热区12可以限制到该模块26上，或者可以包括来自不同模块26的感应器10。

在图2中所示出的实施例中，功率电子组件14包括变流器20和相应地集成到功率电子组件14中的开关装置22。功率电子组件14的所有元件都被安装在一个共同的印刷电路板上，该印刷电路板包括用于连接家用电网34的相18的接线端子36和用于连接家用电网34的零电位的另一接线端子（未示出）。

为了防止由于具有相似频率的相邻感应器10的运行或者由于具有共同供电线路或控制线路的变流器20的运行所引起的可听到的和干扰的交叉调制嗡鸣声，控制单元32同时只用如下频率来运行变流器20：所述频率要么相同要么具有至少17kHz差值。由于灶台的不同模块26在机械方面在很大程度上是独立的，所以只有当有关的加热区12包括相同模块26的感应器10时，控制单元32才使用用于防止交叉调制嗡鸣声的该策略。如果加热区12由来自不同模块26的感应器构成，则可以互相独立地使用于运行加热区12的加热电流的频率变化。

图3示出根据附图1和2的灶台的构造的示意图。开关装置包括两个半导体开关24，这两个半导体开关24具有用于控制单元32中的控制线路的接线端子38。在可能的实施例中，可将具有二极管、三端双向可控硅开关或晶闸管的IGBT用作为半导体开关24。也可以使用常规的机电继电器代替半导体开关24。由于简单起见而仅示出其中的两个的感应器10并联，并且给感应器10中的每一个分配有电容器40，该电容器40与相应的感应器10共同构成振荡回路。图3还示出在半桥布局中由两个IGBT52构造的变流器20。在变流器20和家用电网34的相18之间布置有整流器16的多个整流二极管42和阻尼电容器44。没有示出共同用于所有加热区的EMC滤波器。

如果必须由单个的变流器20来运行多个加热区12，则可以使用在图4和5中所示方式的时分复用控制方法。为了较容易的理解，将图4和5中的示例限制到两个加热区12上并且限制到具有电源电压的三个半波的长度的控制周期T上。在此，图4示出不互补的复用方法的情况，并且图5示出互补的复用方法的情况。互补的复用方法的优点在于，在相同的电源电压半波期间可以运行多个感应器10。

一个主要的方面在于，对于每一个感应器10，一个控制周期T内的半波数量是奇数的，其中在该一个控制周期内运行该感应器10。因此可以遵守闪变标准（Flickernorm）。

在实施例中——其中激活运行的加热区12的数量大于功率电子组件14中的变流器20的数量或者其中由于其他原因（例如由于变流器20与感应器10或开关装置22的不完整的联结）必须由相同变流器20运行多个加热区12，控制单元32使用在图4中所示的关于功率管理的模式。

将可以从由整流器16所产生的电压中导出的同步交流电压Vbus用于触发控制周期T。控制周期T的持续时间为同步交流电压Vbus的三个半波振动。控制单元32在不同的激活阶段P1，P2中激活两个不同加热区12的感应器，这些激活阶段P1，P2的持续时间ton1，ton2及其与同步交流电压Vbus的过零点的间隔tD1，tD2与为有关加热区12所设定的功率等级有关地决定。优选不重叠地选择激活阶段P1，P2，以便避免闪变。在控制周期T内，第一激活阶段P1的定时由与同步电压Vbus的过零点之间的间隔tD1来确定，而第二激活阶段P2的定时由在控制周期T内与同步电压Vbus的第二过零点的间隔tD2来确定。

图5示出本发明的一个替代的实施例，在该实施例中，第二激活阶段P2的定时由与第一激活阶段P1结束的间隔tD2来决定。由此，与图4中所示的实施例相比，可以可靠地避免激活阶段P1，P2之间的会导致闪变的重叠。

图6示出本发明灶台的布线的示意图，在该布线中，与灶台的不同模块26的半导体开关24并行地分别设置有继电器46，当在一种运行模式下不对感应器10进行借助图5和图6所阐述的交替运行，而是变流器20给相应的感应器10连续供应加热电流时，则可以利用该继电器46跨接半导体开关24。开关装置22还包括升压继电器，利用该升压继电器可将主要分配给第一模块的变流器20与另一个模块26联结，使得可以同时由不同模块26的多个变流器20来供应模块26的感应器10。用安培表80测量流过感应器10的总电流。

图7示出本发明灶台的一般化的方框图，在该灶台中，由具有n个变流器20和开关装置22的I个开关元件50的单个的功率电子组件14供应分别具有m个感应器10的k个模块26。将开关装置22与整流器16和变流器20综合成功率电子组件14。变流器20总共或在总和上具有4.6kW的标称功率，并且感应器10的标称功率的总和为7.2kW。功率电子组件14的标称功率与当地家用电网的参数有关。在230V和20A时得出4.6kW，在按照国家而定例如可以为16A，20A，25A或32A的其他电流值时，则得出其他的值。

图8示意性地示出布置在灶台盖板的透明区域中的显示元件30，该显示元件30以百分比显示了功率电子组件14的当前所要求的标称功率的一部分。用户因此可以识别，是否还有功率可供用于提高加热区12之一的加热功率，和/或是否还可以提供另外的加热功率以用于加热另外加热区12中的另外的炊具元件。当显示元件30显示100%时，功率电子组件14的标称功率则已用尽。显示元件30由在盖板背面上的绢印（Serigraphie）和若干发光二极管构成，这些发光二极管由控制单元32根据当前所消耗的功率来接通或关断。

如果用户想要通过这里没有示出的用户界面进一步提高加热区12之一的加热功率，则光学地——例如通过显示器上的消息或通过显示元件30的闪光——来提醒该用户。控制单元32于是按照对于加热区12所设定的功率等级的关系将可供使用的功率分配到不同的加热区上。控制单元32为此例如可以使用与图4和5相关联地描述的功率管理。

图9示意性地示出具有多个并联感应器10的感应灶台的构造，这些感应器10通过仅由单个的半导体开关构成的变流器20来运行。感应器10中的每一个与变流器20串联。并行于感应器10布置有电容器40，该电容器40将感应器10补充成闭合的振荡回路。灶台与家用电网的单个的相18连接，从该相中提取用于整流器16的输入电流。在整流器16和相18之间布置有滤波电路52。滤波电路52消除了高频噪声，并且基本上是低通滤波器。

图10示出本发明的另一替代的扩展方案，该扩展方案具有多个可通过开关元件50并联的感应器10，这些感应器10与半桥变流器20相连接并且可以以时分复用方法来运行。通过变流器20可以同时运行多个感应器10，其中必须相应地设计变流器20的最大功率。

图11示出另一替代的实施例，其中两个感应器10分别与一个变流器20相连接。通过开关54可以将两个变流器20并联，以便提高功率。通过单个的整流器16给两个变流器20馈电。

图12示出另一替代的灶台的构造，该灶台具有分别通过单个开关变流器20运行的感应器10。由两个分别分配给一对感应器10的整流器16对来自家用电网的单个相18的电流进行整流。通过另外的滤波电路56a，56b来补充直接连接到家用电网的相18上的滤波电路52，所述滤波电路56a，56b分别对整流器16之一的输入电流进行低通滤波。

如图2中示出的那样，变流器20和感应器10可以具有不同的标称功率。这些标称功率由变流器20的半导体开关和无源部件——诸如阻尼电容器和平滑扼流圈——的最大功率来确定。半导体开关优选被构造为绝缘栅双极晶体管（IGBT）。在设计变流器20和感应器时还必须注意特定的功率，而且还必须注意冷却。必须按照最大功率来设计这里没有示出的风机或热沉。通过灶台的微控制器中的合适的固件来监视功率限制。在本发明中，优选将半导体开关元件用于接入和关断感应器10。由此可以以几个微秒的时间标度来实现时分复用方法。因此与使用机电继电器相比，可以避免可察觉到地不连续的加热功率，并且取消了在继电器转换时的咔哒声。

图13示出用在本发明灶台中的开关元件50的替代的扩展方案。半导体开关58——例如三端双向可控硅开关或两个反并联布置的IGBT通过并行布置的机电继电器60来补充，当不需要高频转换过程时，可以闭合该继电器60。由此可以在开关元件50较长时间保持闭合的运行状态下避免半导体开关58中的功率损失。

图14示出用在本发明感应灶台中的滤波电路52。滤波电路52包括变阻器62、第一阻尼电容器64、输入端继电器60、用于平滑输入线路的共同振动的平滑扼流圈66、用于使各个输入线路中的振动衰减的另一电容器装置68——其中分别将电容器装置68的两个电容器接地、保险丝70、另一阻尼电容器72、和在不同线路中的两个差分平滑扼流圈74,76。通过另一电容器装置77和通过另一变阻器78来使该滤波电路52完整。

图15示出按照本发明另一扩展方案的感应灶台的布局。来自家用电网34的电流在共同用于所有加热区、变流器20和感应器10的滤波电路52中被滤波，在整流器16中被整流，并且被输送给两个变流器20。变流器20中的每一个可以通过开关装置22的开关元件50和开关54与感应器10中的每一个相连接。尤其是也可以通过闭合开关54和闭合开关元件50中的仅单个开关元件将两个变流器20的整个功率集中到单个的感应器10上。

附图标记

10感应器

12加热区

14功率电子组件

16整流器

18相

20变流器

22开关装置

24半导体开关

26模块

28炊具元件

30显示元件

32控制单元

34家用电网

36接线端子

38接线端子

40电容器

42整流二极管

44阻尼电容器

46继电器

48继电器

50开关元件

51IGBT

52滤波电路

54开关

56a滤波电路

56b滤波电路

58半导体开关

60继电器

62变阻器

64阻尼电容器

66平滑扼流圈

68电容器装置

70保险丝

72阻尼电容器

74平滑扼流圈

76平滑扼流圈

77电容器装置

78变阻器

80安培表

T控制周期

P1激活阶段

P2激活阶段

Vbus同步交流电压

Claims (12)

1.具有多个感应器（10）和具有能由所述感应器（10）运行的至少三个加热区（12）的灶台，其中由单个的功率电子组件（14）给所述感应器（10）供应加热电流，所述功率电子组件（14）具有对于感应器（10）共同使用的整流器（16）以对由家用电网（34）的单个相（18）所提供的交流电压进行整流，其中所述功率电子组件（14）包括若干变流器（20）以产生用于运行感应器（10）的加热电流，其中构造用于将感应器（10）与变流器（20）之一相连接的开关装置（22），所述开关装置在至少一个开关位置中使感应器（10）中的至少一个与多个变流器（20）相连接，其中所述加热区能够同时运行并且不同加热区的额定加热功率能够互相独立地选择。

2.按照权利要求1的灶台，其特征在于，所有感应器（10）的感应器标称功率的总和大于功率电子组件（14）的标称功率（PPS）。

3.按照权利要求1或2的灶台，其特征在于，所述开关装置（22）在不同的开关位置中使感应器（10）中的至少一个与不同的变流器（20）相连接。

4.按照权利要求1或2的灶台，其特征在于，所述开关装置在至少一个开关位置中使单个的感应器（10）同时与所有的变流器（20）相连接。

5.按照权利要求1或2的灶台，其特征在于，所述开关装置（22）包括至少一个布置在感应器（10）和变流器（20）之间的双向双极的半导体开关（24，58）。

6.按照权利要求5的灶台，其特征在于，所述半导体开关（24，58）是三端双向可控硅开关。

7.按照权利要求5的灶台，其特征在于，所述灶台还包括并行于所述半导体开关（24，58）布置的电磁继电器（46，60）。

8.按照权利要求1或2的灶台，其特征在于，功率电子组件（14）的标称功率（PPS）最高为5400W。

9.按照权利要求1或2的灶台，其特征在于，所述灶台具有用于安装用来连接到家用电网（34）的另外的相（18）上的另外的功率电子组件的结构空间。

10.按照权利要求1或2的灶台，其特征在于，所述灶台还包括用于显示功率电子组件（14）的当前所要求的标称功率（PPS）的一部分的显示元件（30）。

11.按照权利要求1或2的灶台，其特征在于，将单个的滤波电路（52）用于对共同用于多个变流器（20）的输入电流进行滤波。

12.按照权利要求1或2的灶台，其特征在于，所述灶台还包括具有在60cm和80cm之间的边长的基本上正方形的盖板。