DE10011773A1 - Induktions-Gareinrichtung mit Abschirmeinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Gareinrichtung umfasst DOLLAR A a) wenigstens eine Induktionsheizeinrichtung zum Erzeugen eines zeitlich veränderlichen magnetischen Feldes mit wenigstens einer Induktionsspule (3) und wenigstens einer Steuereinheit (8) zum Anlegen eines zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes an die Induktionsspule, DOLLAR A b) eine auf ein im Wesentlichen konstantes elektrisches Potential gelegte Trägereinrichtung (7) aus elektrisch leitfähigem Material mit einer Trägerflasche (70), auf der die Induktionsspule elektrisch isoliert angeordnet ist, DOLLAR A c) wenigstens einer zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung angeordneten Abschirmeinrichtung (10, 40, 41) aus elektrisch leitfähigem Material, die mit einem niederfrequenten Verbindungspunkt (VP) in der Steuereinheit elektrisch verbunden ist. DOLLAR A Vorteile: geringere Gleichtaktstörungen, dadurch preiswertere Komponenten mit geringerer Performance einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gareinrichtung.

Es sind Gareinrichtungen bekannt mit einer Kochfeldplatte mit einer oder mehreren Kochzonen, bei der unterhalb wenig­ stens einer der Kochzonen eine durch einen Hochfrequenz- Generator ansteuerbaren Induktionsspule zum induktiven Be­ heizen von auf der Kochzone aufgestelltem Kochgeschirr be­ kannt. Die Induktionsspule ist auf einer metallischen Trä­ gereinrichtung fixiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besondere Gareinrichtung mit Induktionsbeheizung anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merk­ malen des Anspruchs 1.

Die Gareinrichtung umfasst wenigstens eine Induktionsheiz­ einrichtung mit einer oder mehreren Induktionsspulen (mit wenigstens einer Windung) und wenigstens einer Steuerein­ heit zum Anlegen einer hochfrequenten Betriebsspannung (ei­ nes zeitlich veränderlichen hochfrequenten elektrischen Feldes) an die Induktionsspule zum Erzeugen eines entspre­ chend zeitlich veränderlichen magnetischen Feldes sowie ei­ ne auf ein im Wesentlichen konstantes externes (außerhalb der Steuereinheit befindliches) elektrisches Potential, insbesondere Masse oder Erde, gelegte Trägereinrichtung (Gehäuse, Chassis) aus elektrisch leitfähigem Material zum Tragen der Induktionsspule. Die Steuereinheit umfasst eine Umsetzeinheit, die an eine niederfrequente Netzspannung ei­ ner Netzspannungsquelle, die im Allgemeinen wenigstens zwei Phasen aufweist, von denen wenigstens eine Phase eine aktive Phase ist, anschließbar oder angeschlossen ist und die niederfrequente Netzspannung in die hochfrequente Betriebs­ spannung umsetzt.

Die Erfindung geht aus von der aufgrund von Messungen ge­ wonnenen überraschenden Beobachtung, dass im Betrieb der Induktionsheizeinrichtung hochfrequente Störströme auftre­ ten können, die nach der Norm EN 55011 vorgegebene Grenz­ werte überschreiten, sobald die Trägereinrichtung auf das konstante externe elektrische Potential geschaltet ist, insbesondere geerdet ist.

Die Erfindung geht weiter aus von der aus den Messungen ge­ folgerten Überlegung, dass für die Störströme eine zu hohe elektrische Kapazität zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung verantwortlich ist. Auch bei einer elek­ trischen Isolierung der Induktionsspule von der Träger­ einrichtung, die einen direkten Ladungsfluss zumindest weitgehend verhindert, stellt immer noch der aus Indukti­ onsspule und Trägereinrichtung gebildete Kondensator, be­ sonders in dem für Induktionsbeheizung typischen Hochfre­ quenzbereich, als parasitäre Kapazität gewissermaßen eine Schwachstelle für Verschiebeströme zum konstanten externen Potential hin dar.

Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung wenigstens eine Abschirmeinrichtung aus elektrisch leitfähigem Materi­ al anzuordnen und diese Abschirmeinrichtung elektrisch auf einen niederfrequenten Verbindungspunkt in der Steuerein­ heit, also auf ein gegenüber dem hochfrequenten Potential in der Induktionsspule näherungsweise elektrisch konstantes (elektrisch stabiles) Potential in der Steuereinheit zu le­ gen. Die Abschirmeinrichtung schirmt nun den parasitären Kondensator zwischen Induktionsspule und Trägereinrichtung ab, und bildet selbst mit der Induktionsspule einen neuen Kondensator. Ein hochfrequenter elektrischer Strom über den mit der Abschirmeinrichtung und der Induktionsspule gebil­ deten Kondensator (Kapazität) fließt nun wegen der ohmschen Kopplung der Abschirmeinrichtung an den niederfrequenten Verbindungspunkt nicht mehr zum externen konstanten Poten­ tial und tritt deshalb praktisch nicht mehr als Störstrom in Erscheinung. Der Störeinfluss dieses Kondensators zwi­ schen Abschirmeinrichtung und Induktionsspule ist also deutlich kleiner als der Störeinfluss der ursprünglichen parasitären Kapazität zwischen Induktionsspule und Träge­ reinrichtung (ohne Abschirmeinrichtung), so dass die Stör­ ströme der Induktionsgareinrichtung im Betrieb deutlich verringert sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Gareinrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

Die niederfrequente Netzspannung (Wechselspannung) für die Gareinrichtung hat vorzugsweise eine Grundfrequenz unter­ halb von 400 Hz, typischerweise eine Grundfrequenz von 50 Hz in europäischen Stromversorgernetzen oder 60 Hz in den USA oder auch andere Frequenzen insbesondere in autarken Versorgungsnetzen wie beispielsweise auf Schiffen. Die Fre­ quenzanteile der hochfrequenten Betriebsspannung der Steu­ ereinheit der Gareinrichtung liegen im Allgemeinen oberhalb einer Grundfrequenz von etwa 20 kHz, vorzugsweise oberhalb etwa 25 kHz, und können auch oberhalb einer Grundfrequenz von etwa 100 kHz oder sogar 250 kHz liegen und reichen im Allgemeinen in den Oberfrequenzen (Harmonischen) bis in den Bereich von 10 MHz. Die hier als hochfrequent bezeichneten Frequenzen sind also mindestens um das 50fache, typischerweise um über das 300fache, höher als die als niederfre­ quent bezeichneten Frequenzen.

Zum Unterdrücken von Gleichtaktstörungen umfasst die Steu­ ereinheit in einer vorteilhaften Ausführungsform eine zwi­ schen die Netzspannungsquelle und die Umsetzeinheit schalt­ bare oder geschaltete Gleichtakt-Filtereinheit. Die Gleichtakt-Filtereinheit weist eine mit einer Phase der Netzspannungsquelle elektrisch verbindbare oder verbundene erste Induktivität und eine mit einer anderen Phase der Netzspannungsquelle elektrisch verbindbare oder verbundene sowie gegenphasig (gegensinnig) zur ersten Induktivität verschaltete zweite Induktivität. Die beiden Induktivitäten sind mit einer stromkompensierten Ringkerndrossel mit zwei auf einem Ringkern gegensinnig angeordneten Spulen gebil­ det.

Die Steuereinheit ist in einer besonders vorteilhaften Aus­ führungsform von dem externen konstanten Potential kapazi­ tiv entkoppelt, also über wenigstens einen Kondensator mit dem konstanten Potential gekoppelt. Vorzugsweise umfasst die Gleichtakt-Filtereinheit dazu für jeden mit einer der Phasen der Netzspannungsquelle verbundenen Stromzweig einen von diesem Stromzweig gegen das konstante elektrische Po­ tential geschalteten Kondensator, ist also über die Konden­ satoren mit dem konstanten elektrischen Potential gekop­ pelt.

Auch Gegentaktstörungen können mit Hilfe einer zwischen die Netzspannungsquelle und die Umsetzeinheit schaltbaren oder geschalteten Gegentakt-Filtereinheit unterdrückt werden.

Zum Gleichrichten der Netzspannung kann die Steuereinheit einen zwischen die Netzspannungsquelle und die Umsetzein­ heit schaltbaren oder geschalteten Gleichrichter umfassen.

Für den Verbindungspunkt zur niederfrequenten Ankopplung der Abschirmeinrichtung an die Steuereinheit sind mehrere Schaltungsmöglichkeiten vorteilhaft:

• - In einer ersten Ausführungsform wird der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung elektrisch zwischen die Um­ setzeinheit und die Gleichtakt-Filtereinheit bzw. die Ge­ gentakt-Filtereinheit gelegt.
• - In einer zweiten, auch mit der ersten Ausführungsform kombinierbaren, Ausführungsform wird der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung in den an eine Phase, insbe­ sondere die Nullphase (wenn vorhanden) oder an die oder eine der aktiven Phasen, der Netzspannungsquelle an­ schließbaren oder angeschlossenen Stromzweig der Steuer­ einheit geschaltet.
• - Eine dritte Ausführungsform ist dadurch ausgezeichnet, dass der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung in einen zu einem Gleichspannungspunkt des Gleichrichters führenden Stromzweig gelegt wird, also im Wesentlichen der niederfrequenten und gleichgerichteten Netzspannung ausgesetzt ist.

In allen drei Ausführungsformen ist die Abschirmeinrichtung über den Verbindungspunkt nicht ohmsch mit dem konstanten Potential verbunden, sondern nur über in Reihe geschaltete, zum konstanten Potential führende Kondensatoren, insbeson­ dere den zwischen Abschirmeinrichtung und Trägereinrichtung gebildeten Kondensator sowie die Kondensatoren des Gleichtakt-Filters (falls ein solches vorhanden ist), und damit gegenüber dem konstanten Potential kapazitiv entkop­ pelt.

Die Trägereinrichtung besteht insbesondere zumindest im Be­ reich der der Induktionsspule zugewandten Trägerfläche aus Metall oder einer Metall-Legierung, beispielsweise Alumini­ um, einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder Stahl, wobei das Metall vorzugsweise in Form eines Bleches geeigneter Stärke verwendet wird.

Auch die Abschirmeinrichtung besteht vorzugsweise aus Me­ tall, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer, oder einer Metall-Legierung, insbesondere einer Aluminiumlegierung oder Stahl, insbesondere aus einer Lage aus einem Metall­ blech oder einer Metallfolie oder einer Metallschicht.

Die Abschirmeinrichtung ist im Allgemeinen von der Träge­ reinrichtung durch eine elektrische Isolierung (Isolierla­ ge) elektrisch isoliert.

An einer der Trägereinrichtung zugewandten Unterseite der Induktionsspule ist in einer Weiterbildung der Gareinrich­ tung wenigstens ein Feldleitkörper aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere einem ferritischen oder densitischen Material, angeordnet ist, wobei die Indukti­ onsspule vorzugsweise mit ihren Feldleitkörpern auf der Ab­ schirmeinrichtung aufliegt.

Die Gareinrichtung kann als Induktionskochstelle ausgebil­ det sein und umfasst dann wenigstens eine Kochfeldplatte zum Aufstellen von Kochgeschirr, wobei jeweils wenigstens ewnee Induktionsspule unterhalb einer zugehörigen Kochzone der Kochfeldplatte angeordnet ist. Alternativ kann natürlich auch ein Garofen mit einem verschließbaren Garraum mit der Induktionsbeheizung gemäß der Erfindung ausgestattet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen weiter erläutert. Dabei wird auf die Zeichnung Be­ zug genommen, in der jeweils in einer schematischen Dar­ stellung zeigen:

Fig. 1 eine Induktionsgareinrichtung mit einer auf einer Trägereinrichtung getragenen Induktionsspule und einer Abschirmeinrichtung zwischen der Trägerein­ richtung und der Induktionsspule und

Fig. 2 eine Induktionsgareinrichtung gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine elektrische Schaltung einer Steuereinheit ei­ ner Induktionsgareinrichtung.

Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 2 ist eine Induktionsgareinrichtung dargestellt, de­ ren Aufbau im Prinzip bekannt ist. Diese Induktionsgarein­ richtung gemäß dem Stand der Technik umfasst eine Kochfeld­ platte 1, auf der in einer Kochzone ein Gargutbehälter 2 aufgestellt ist, in dem sich Gargut 6 befindet. Im Boden des Gargutbehälters 2 ist eine Suszeptorspule 5 darge­ stellt. Unterhalb der Kochzonen der Kochfeldplatte 1 ist eine Induktionsspule 3 angeordnet, die als Flachspule aus­ gebildet ist mit einer im wesentlichen parallel zur Koch­ feldplatte 1 ausgerichteten Ebene.

Die Induktionsspule 3 ist, vorzugsweise mittels einer Kle­ beverbindung, auf einem oder mehreren Feldleitkörpern 4 an­ geordnet. Der oder die Feldleitkörper 4 sind auf einer Trä­ gerfläche 70 einer Trägereinrichtung 7 angeordnet, insbesondere ebenfalls aufgeklebt, und bestehen vorzugsweise aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität und mit einer möglichst geringen elektrischen Leitfähig­ keit, beispielsweise einem ferritischen oder densitischen Material. Die Induktionsspule 3 kann auch zusammen mit ei­ ner Anzahl, beispielsweise sechs, sternförmig angeordneten. Feldleitkörpern 4 in einem Gehäuse 15 eingefasst sein, das insbesondere aus einem hitzebeständigen Kunststoff besteht.

Die Klebeschichten sind nicht nur zur Fixierung vorgesehen, sondern isolieren auch die Komponenten elektrisch voneinan­ der. Anstelle einer Klebeverbindung können auch andere Fi­ xierungsmittel zum Verbinden der Induktionsspule 3 mit den Feldleitkörpern 4 oder der Trägereinrichtung 7 oder der Feldleitkörper 4 mit der Trägereinrichtung 7 vorgesehen sein, beispielsweise eine lösbare Verbindung wie eine Schraubverbindung oder Rastverbindung. Die elektrische Iso­ lierung wird dann im Allgemeinen mit getrennten dielektri­ schen Mitteln erreicht.

Die Trägereinrichtung 7 besteht aus einem elektrisch lei­ tenden Material, insbesondere Metall, beispielsweise Alumi­ nium oder einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einem Stahl, insbesondere aus einem Metallblech. Die Trägerein­ richtung 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel kasten­ förmig ausgebildet mit der durchgehenden Trägerfläche 70 an der der Induktionsspule 3 zugewandten Seite und seitlich davon nach unten ragenden Seitenwänden. Auf einer Bodenwand 71 ist eine elektrische Steuereinheit 8 getragen, die die Induktionsspule 3 elektrisch ansteuert. Insbesondere ist die Steuereinheit 8 mittels einer oder mehrerer Schrauben 11 an der Trägereinrichtung 7 befestigt. Die Schraube 11 stellt zugleich eine elektrische Verbindung zwischen der Steuereinheit 8 und der Trägereinrichtung 7 her, die direkt mit der Erde (Masse) oder allgemeiner einem im wesentlichen konstanten Potential verbunden ist. Die elektrische Verbin­ dung der Trägereinrichtung 7 zur Erde kann auch unabhängig von der mechanischen Befestigung mit einer separaten elek­ trisch leitenden Verbindung, beispielsweise einem elektri­ schen Kabel und/oder einer Clips-Verdrahtung, Verwirklicht werden.

Die Steuereinheit 8 versorgt im Betrieb der Induktions­ gareinrichtung die Induktionsspule 3 mit einem zeitlich veränderlichen elektrischen Feld (einer zeitlich veränder­ lichen elektrischen Spannung), die hochfrequente Anteile im Bereich ab einer Grundfrequenz (Fundamentalfrequenz) von 20 kHz, vorzugsweise ab 25 kHz, enthält. Durch Induktion er­ zeugt die Induktionsspule 3 nun ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld, dessen Flussdichte in der Fig. 4 mit B bezeichnet ist und dessen Feldlinien gestrichelt darge­ stellt sind, mit einem dem elektrischen Feld der Steuerein­ heit 8 entsprechenden Frequenzspektrum. Die Feldleitkörper 4 konzentrieren und bündeln das Magnetfeld B, so dass es nach unten weitgehend abgeschirmt ist. Nach oben durch­ dringt das Magnetfeld B die Kochfeldplatte 1, die insbeson­ dere aus einem dielektrischen hitzebeständigen Material, beispielsweise einer Glaskeramik, Glas, einer Keramik oder einem anderen Material, besteht, und induziert in der Sus­ zeptorspule 5 des Gargutbehälters 2 einen elektrischen Strom, der durch Joulesche Verluste den Gargutbehälter 2 erhitzt. Die Aufheizwirkung wird im Allgemeinen noch da­ durch verstärkt, dass ein ferromagnetisches Material vorge­ sehen wird, wodurch zusätzliche thermische Energie durch Ummagnetisierungsprozesse im Material des Gargutbehälters 2 frei wird. Es kann, dann auch der Boden des Gargutbehälters 2 einfach aus ferromagnetischem Material bestehen. Eine Suszeptorspule 5 ist nicht unbedingt erforderlich.

Die Trägereinrichtung 7 hat neben der mechanischen Träger­ funktion für die Induktionsspule 3 zusätzlich die Funktio­ nen der Wärmeabführung von der Induktionsspule 3 und Homo­ genisierung der Temperaturverteilung sowie der Anpassung der Resonanzfrequenz sowie auch einer Art Gegenspule zum Verringern von Streufeldern. Ferner schirmt die Trägerein­ richtung 7 die elektronischen Komponenten der Steuereinheit 8 vor dem Magnetfeld der Induktionsspule 3.

Eine Messung nach EN 55011 ergab nun, dass bei dieser be­ kannten Induktionsgareinrichtung gemäß Fig. 4 unerwünschte Störströme (und dadurch verursachte Störfelder) in einem bestimmten Hochfrequenzbereich auftreten, insbesondere in einem Bereich zwischen 150 kHz und 500 kHz. Es wurde ferner festgestellt, dass diese Störströme im Wesentlichen auf ei­ ne parasitäre Kapazität C_D zwischen der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7 zurückzuführen sind.

Man kann nun einen Lösungsweg wählen, bei dem diese parasi­ täre Kapazität C_D reduziert oder sogar möglichst ganz elimi­ niert wird, beispielsweise durch Vergrößern des Abstandes zwischen Induktionsspule 3 und Trägereinrichtung 7 durch Einbringen zusätzlichen dielektrischen Materials, insbeson­ dere einer dickeren Schicht oder einer zusätzlichen Schicht, oder eines zusätzlichen Luftzwischenraumes und/oder durch Verringern der einander gegenüberliegenden Flächen des aus Induktionsspule 3 und Trägereinrichtung 7 gebildeten Kondensators, insbesondere Verringerung der Trä­ gerfläche 70, und/oder Verwendung eines dielektrischen Zwi­ schenmaterials zwischen Induktionsspule 3 und Trägerein­ richtung 7 mit einer kleineren relativen Dielektrizitäts­ konstante.

Gemäß der Erfindung wird ein anderer Lösungsweg beschrit­ ten, bei dem zwischen die Trägerfläche 70 der Trägerein­ richtung 7 und die Induktionsspule 3 eine Abschirm­ einrichtung aus einem elektrisch leitenden Material, insbe­ sondere einem Metall oder einer Metallverbindung, einge­ bracht wird und diese Abschirmeinrichtung mit einem im Ver­ gleich zur hochfrequenten Betriebsspannung für die Indukti­ onsspule 3 niederfrequenten Potentialpunkt (Verbindungs­ punkt) in der Steuereinheit 8 verbunden wird.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Ab­ schirmeinrichtung 12 als, vorzugsweise durchgehende (konti­ nuierliche, ohne Löcher zusammenhängende), elektrisch lei­ tende Lage ausgebildet, die auf einer elektrischen Isolier­ lage (dielektrische Schicht oder Folie) 10 angeordnet ist und auf der die Feldleitkörper 4 aufliegen und befestigt, beispielsweise wieder verklebt, sind. Die Isolierlage 10 ist auf der Trägerfläche 70 der Trägereinrichtung 7 aufge­ bracht, beispielsweise verklebt. An einem elektrischen Kon­ takt ist die Abschirmeinrichtung 12 mit einer elektrischen Verbindungsleitung kontaktiert und über die Verbindungslei­ tung mit einem mit der Steuereinheit 8 elektrisch kontak­ tierten Verbindungspunkt VP elektrisch verbunden. Die Ab­ schirmeinrichtung 12 schirmt nun die Induktionsspule 3 und die Trägereinrichtung 7 voneinander ab, so dass die Stör­ wirkung der parasitären Kapazität C_D zwischen Induktionsspu­ le 3 und Trägereinrichtung 7 praktisch außer Kraft gesetzt ist.

Die Abschirmeinrichtung 12 und/oder die Isolierlage 10 kön­ nen bzw. kann auch mit einer Schichttechnologie als Film oder Schicht aufgebracht oder aufgetragen werden, bei­ spielsweise aufgedruckt, aufgepresst, aufgedampft, aufgesputtert, durch chemische Gasphasenabscheidung oder in ähn­ licher Weise.

Fig. 3 zeigt ein elektrisches Schaltbild für die Steuerein­ heit 8 der Induktionsgareinrichtung gemäß Fig. 1. Auf der linken Seite des Schaltbildes liegt eine einphasige Netz­ spannung U_N (einer entsprechenden Netzspannungsquelle oder Netzanschlusses) an, die im normalen europäischen Stromnetz 230 V mit einer Frequenz von 50 Hz entspricht und eine ak­ tive Phase P sowie eine Nullphase N aufweist. Zwischen die aktive Phase P und die Nullphase N der Netzspannung U_N sind zwei Kondensatoren C1 und C2 sowie eine Gleichrichterbrücke G geschaltet. Die beiden Kondensatoren C1 und C2 werden auch als "X-Kondensatoren" bezeichnet. Seriell in den mit der Phase P verbundenen (oberen) Stromzweig sind zwei In­ duktivitäten L1 und L3 sowie ein Hauptschalter S3 geschal­ tet und in den mit der Nullphase N verbundenen Stromzweig eine weitere Induktivität L2. Ferner geht von dem mit der Phase P verbundenen Stromzweig ein Kondensator (Kapazität) C3 und von dem mit der Nullphase N verbundenen Stromzweig ein Kondensator C4 in einen Abzweig ab, der zur Erde 9 ge­ schaltet ist. Die beiden Kondensatoren C3 und C4 werden auch als "Y-Kondensatoren" bezeichnet.

Bei einer - nicht dargestellten - mehrphasigen Netzspannung sind entsprechend mehrere aktive Phasen, insbesondere Span­ nungen mit Phasenverschiebung zueinander wie z. B. drei Pha­ senspannungen mit 120° Phasenverschiebung bei Drehstrom, und gegebenenfalls eine Nullphase (Null-Leiter) vorgesehen, wobei zwei der Phasen oder eine der Phasen und die Nullpha­ se an die Stelle der dargestellten Phasen P und N treten.

Es ist nun mit den beiden Kondensatoren C1 und C2 sowie der Induktivität L3 ein differentieller Filter (Gegentakt- Filtereinheit) gebildet, der Gegentaktstörungen in den bei­ den Phasen P und N der Netzspannung U_N unterdrückt.

Die beiden Induktivitäten L1 und L2 sowie die beiden Kapa­ zitäten C3 und C4 bilden dagegen einen Filter (Gleichtakt- Filtereinheit) zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen in den Phasen der Versorgungsspannung U_N (common mode noise filter). Insbesondere können die beiden Induktivitäten L1 und L2 mit einer stromkompensierten Ringkerndrossel mit zwei gegensinnigen Spulen auf einem gemeinsamen Ringkern, aber natürlich auch mit zwei getrennten Komponenten ver­ wirklicht werden. Da die Induktivitäten L1 und L2 zugleich die volle Netzspannung U_N im Gegentaktbetrieb (gegenphasiger Normalbetrieb) durchlassen können müssen, sind die Anforde­ rungen an die die Induktivitäten L1 und L2 darstellenden Spulen mit dem Ringkern recht hoch. Um eine Sättigung des Kerns durch die Gegentaktstörung zu vermeiden, sind nämlich recht hochwertige magnetische Materialien erforderlich.

Der an der rechten Seite des Schaltbildes gemäß Fig. 3 dar­ gestellte Teil der Schaltung enthält eine von mehreren mög­ lichen Standardschaltungen zur Realisierung einer Um­ setzeinheit zur Umsetzung der niederfrequenten Netzspannung U_N in die zum Betrieb der Induktionsspule 3 mit der Indukti­ vität L erforderliche hochfrequente Betriebsspannung (Hoch­ frequenzspannung) U_HF. Diese auch als Halbbrücke (half bridge) bezeichnete Steuerschaltung enthält zwei getrennt mit der notwendigen Taktrate ansteuerbare elektronische Schalter S1 und S2, beispielsweise Halbleiterschaltelemente wie Thyristoren, bipolare Leistungstransistoren, IGBTs, Darlingtonsschaltungen oder auch MCTs, sowie drei Kondensa­ toren C5, C6 und C7 und die bereits genannte Gleichrichter­ brücke G. Die Hochfrequenzspannung U_HF liegt vorzugsweise in einem Frequenzbereich oberhalb der Grundfrequenz 25 kHz.

Die beim Stand der Technik gemäß Fig. 2 zwischen der Induk­ tivität L der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7 gebildete parasitäre Kapazität C_D wäre nun bei Verwendung einer Steuereinheit 8 gemäß Fig. 3 (ohne die Kapazität C_D' und den Verbindungspunkt VP und die dazugehörige elektri­ sche Verbindung) über die Erde 9 mit den Kondensatoren C3 und C4 des Gleichtakt-Filters verbunden und brächte durch die von ihr verursachte Gleichtaktstörung den oder die Ker­ ne der Spulen für die Induktivitäten L1 und L2 noch schnel­ ler in Sättigung.

Das Vorsehen einer Abschirmeinrichtung 12 gemäß der Erfin­ dung, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt, führt nun dazu, dass anstelle der parasitären Kapazität C_D zwischen der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7 nunmehr nur die in Fig. 3 mit C_D' bezeichnete elektrische Kapazität (Kondensator) zwischen der Induktionsspule 3 und der Ab­ schirmeinrichtung 12 elektrisch wirksam ist.

Die Abschirmeinrichtung 12 (Fig. 1) und damit die zugehörige Kapazität C_D' (Fig. 3) sind ferner mit einem niederfrequenten Verbindungspunkt VP der Steuereinheit 8 verbunden. Der Ver­ bindungspunkt VP liegt zwischen der Induktivität L2 und der Gleichrichterbrücke G im niederfrequenten Stromzweig an der Nullphase N der Netzspannung U_N. Gegenüber der hochfrequen­ ten Betriebsspannung U_HF liegt somit der Verbindungspunkt VP praktisch auf einem konstanten (elektrisch stabilen) inter­ nen Referenzpotential, das einerseits über den Kondensator C4) kapazitiv von der Erde 9 als externem konstanten Poten­ tial entkoppelt ist.

Aufgrund dieser niederfrequenten kapazitiven Kopplung der Induktionsspule 3 (Induktivität L) an den Verbindungspunkt VP anstelle an Erde 9 fließen die durch die Kapazität C_D' gekoppelten hochfrequenten Ströme nicht zur Erde 9, sondern in den niederfrequenten Teil der Steuereinheit 8, und tra­ gen dadurch nicht als Störströme im Gegensatz zum Stand der Technik.

Der außerdem mit der Abschirmeinrichtung 12 und der Träge­ reinrichtung 9 und der dazwischen angeordneten Isolierlage 10 gebildete Kondensator ist in Fig. 3 mit C_D" bezeichnet. Dieser Kondensator C_D" ist nun parallel zum Kondensator C4 der Gleichtakt-Filtereinheit zwischen den Verbindungspunkt VP und Erde 9 geschaltet und liegt zwischen dem niederfre­ quenten Potential am Verbindungspunkt VP einerseits und dem konstanten Potential der Erde 9 andererseits. Dadurch flie­ ßen über diesen Kondensator C_D" praktisch keine Störströme, vielmehr hat er sogar noch einen zusätzlichen positiven Einfluss auf die Gleichtakt-Filterwirkung.

Die Maßnahmen gemäß der Erfindung haben nun den großen Vor­ teil, dass wegen der deutlich geringeren Störströme die Komponente bzw. Komponenten für die Induktivitäten L1 und L2, insbesondere der Ringkern der Drossel, geringeren An­ forderungen entsprechen muss bzw. müssen und dadurch eine beträchtliche Kostenersparnis erreicht wird.

Der Verbindungspunkt VP kann in nicht dargestellten Ausfüh­ rungsformen auch in einen anderen niederfrequenten Strom­ zweig der Steuereinheit 8 geschaltet sein, beispielsweise in den mit der aktiven Phase P verbundenen niederfrequenten Stromzweig oder auch in einen Stromzweig, der zu einem der mit "+" und "-" bezeichneten Gleichspannungspolen (Gleich­ spannungspunkten) der Gleichrichterbrücke 6 führt. An die­ sen Gleichspannungspunkten steht nämlich die gleichgerich­ tete, immer noch niederfrequente Netzspannung U_N an.

Andere - nicht dargestellte, aber standardmäßig eingesetzte - Möglichkeiten der Umsetzeinheit für die Erzeugung der Hochfrequenzspannung U_HF sind eine Einschalterschaltung (single switch) und eine Vollbrückenschaltung (full bridge) mit vier Schaltern. Die Vorteile der Maßnahmen gemäß der Erfindung kommen auch bei diesen Steuerschaltungen zum Tra­ gen.

Anstelle der gezeigten Ausführungsbeispiele kann die Induk­ tionsgareinrichtung, bezüglich des mechanischen Aufbaus und der verwendeten Materialien als auch bezüglich der elektri­ schen Verhältnisse, auch anstelle von Fig. 2 auch von einer anderen bekannten Ausführungsform ausgehen, beispielsweise gemäß einer der in WO 97/20451, WO 98/41061, WO 98/41062, WO 98/41063 oder WO 98/41064 offenbarten Ausführungsformen.

Claims (21)

1. Gareinrichtung mit

• a) wenigstens einer Induktionsspule (3),
• b) wenigstens einer auf ein im Wesentlichen konstantes elektrisches Potential (9) gelegten Trägereinrichtung (7) aus elektrisch leitfähigem Material zum Tragen der Induktionsspule,
• c) wenigstens einer Steuereinheit (8) zum Anlegen einer hochfrequenten elektrischen Betriebsspannung (U_HF) an die Induktionsspule, wobei die Steuereinheit eine an eine niederfrequente Netzspannungsquelle anschließbare oder angeschlossene Umsetzeinheit (S1, S2, C6, C7) zum Um­ setzen der Netzspannung (U_N) in die Betriebsspannung (U_HF) umfasst, und mit
• d) wenigstens einer zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung angeordneten Abschirmeinrichtung (10, 40, 41) aus elektrisch leitfähigem Material, die mit einem niederfrequenten Verbindungspunkt (VP) in der Steuereinheit elektrisch verbunden ist.

2. Gareinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuerein­ heit mit dem konstanten elektrischen Potential kapazi­ tiv gekoppelt ist.

3. Gareinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Netzspannungsquelle wenigstens zwei Phasen auf­ weist, insbesondere wenigstens eine aktive Phase (P) und eine Nullphase (N) oder wenigstens zwei aktive Pha­ sen, aufweist.

4. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit eine zwischen die Netzspan­ nungsquelle und die Umsetzeinheit schaltbare oder geschaltete Gleichtakt-Filtereinheit (L1, L2, C3, C4) zum Unterdrücken von Gleichtaktstörungen umfasst.

5. Gareinrichtung nach Anspruch 3 und Anspruch 4, bei der die Gleichtakt-Filtereinheit eine mit einer Phase der Netzspannungsquelle elektrisch verbindbare oder verbun­ dene erste Induktivität (L1) und eine mit einer anderen Phase der Netzspannungsquelle elektrisch verbindbare oder verbundene sowie gegensinnig zur ersten Induktivi­ tät verschaltete zweite Induktivität (L2) aufweist.

6. Gareinrichtung nach Anspruch 5, bei der die beiden In­ duktivitäten mit einer stromkompensierten Ringkerndros­ sel mit zwei auf einem Ringkern gegensinnig angeordne­ ten Spulen gebildet sind.

7. Gareinrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei der beide Induktivitäten (L1, L2) jeweils über einen zugehö­ rigen Kondensator (C3, C4) mit dem konstanten Potential elektrisch gekoppelt sind.

8. Gareinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung elektrisch zwischen der Umsetzeinheit und der Gleichtakt-Filtereinheit liegt.

9. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit eine zwischen die Netzspan­ nungsquelle und die Umsetzeinheit schaltbare oder ge­ schaltete Gegentakt-Filtereinheit (L3, C1, C2) zum Unter­ drücken von Gegentaktstörungen umfasst.

10. Gareinrichtung nach einem der auf Anspruch 3 rückbezo­ genen Ansprüche, bei der der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung in einem an eine Phase, insbesonde­ re die Nullphase, der Netzspannungsquelle anschließba­ ren oder angeschlossenen Stromzweig der Steuereinheit liegt.

11. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit einen zwischen die Netzspan­ nungsquelle und die Umsetzeinheit schaltbaren oder ge­ schalteten Gleichrichter (G) zum Gleichrichten der Netzspannung umfasst.

12. Gareinrichtung nach Anspruch 11 in Rückbeziehung auf einen der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Verbindungs­ punkt für die Abschirmeinrichtung in einem zu einem Gleichspannungspunkt des Gleichrichters führenden Stromzweig liegt.

13. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Trägereinrichtung zumindest im Bereich der Trägerfläche aus Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Aluminium, Kupfer oder Stahl, besteht, insbesondere aus einem Metallblech.

14. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abschirmeinrichtung (12) aus Metall oder einer Metall-Legierung, insbesondere aus Aluminium, Kupfer oder Stahl, gebildet ist, insbesondere aus einem Metallblech oder einer Metallfolie, einer Metallschicht oder einer sonstigen Metall-Lage.

15. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abschirmeinrichtung (12) von der Trägerein­ richtung (7) durch eine elektrische Isolierung (10) ge­ trennt ist.

16. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einer Kochfeldplatte (1) zum Aufstellen von Kochgeschirr, wobei jede Induktionsspule unterhalb einer zugehörigen Kochzone der Kochfeldplatte angeord­ net ist.

17. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektrische Betriebsspannung (U_HF) der Steu­ ereinheit Frequenzanteile über etwa 20 kHz, vorzugswei­ se über etwa 25 kHz, aufweist.

18. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektrische Netzspannung (U_N) eine Grundfre­ quenz unter 400 Hz, vorzugsweise von etwa 50 Hz oder 60 Hz, aufweist.

19. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der an einer Unterseite der Induktionsspule wenig­ stens ein Feldleitkörper (4) aus einem magnetisch lei­ tenden Material, insbesondere einem ferritischen oder densitischen Material, angeordnet ist, wobei die Induk­ tionsspule vorzugsweise mit ihren Feldleitkörpern auf der Abschirmeinrichtung aufliegt.

20. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einer Kochfeldplatte zum Aufstellen von Kochgeschirr, wobei unterhalb wenigstens einer Kochzone der Kochfeldplatte jeweils wenigstens eine zugehörige Induktionsspule angeordnet ist.

21. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem verschließbaren Garraum, dem wenigstens eine Induktionsspule zugeordnet ist.