DE10011773B4

DE10011773B4 - Induktions-Gareinrichtung mit Abschirmeinrichtung

Info

Publication number: DE10011773B4
Application number: DE2000111773
Authority: DE
Inventors: Laurent Jeanneteau; Christian Eskildsen; Alwin Neukamm; Thomas Deininger
Original assignee: AEG Hausgeraete GmbH; Electrolux Home Products AS; Electrolux France SAS
Current assignee: Electrolux Rothenburg GmbH Factory and Development; Electrolux Home Products AS; Electrolux France SAS
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2020-03-11
Also published as: DE10011773A1

Abstract

Gareinrichtung mit
a) wenigstens einer-Induktionsspule (3),
b) wenigstens einer auf ein 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 angeschlossene Umsetzeinheit (S1,S2,C6,C7) zum Umsetzen der Netzspannung (U_N) in die Betriebsspannung (U_HF) umfasst, und mit
d) wenigstens einer zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung angeordneten Abschirmeinrichtung (12) aus elektrisch leitfähigem Material, die mit einem niederfrequenten Verbindungspunkt (VP) in der Steuereinheit elektrisch verbunden ist, wobei
e) die Abschirmeinrichtung (12) und/oder eine die Abschirmeinrichtung (12) gegenüber der Trägereinrichtung (7) isolierende Isolierlage (10) mit einer Schichttechnologie als Film oder Schicht aufgebracht oder aufgetragen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gareinrichtung.
Es sind Gareinrichtungen bekannt mit einer Kochfeldplatte mit einer oder mehreren Kochzonen, bei der unterhalb wenigstens einer der Kochzonen eine durch einen Hochfrequenz-Generator ansteuerbaren Induktionsspule zum induktiven Beheizen von auf der Kochzone aufgestelltem Kochgeschirr bekannt. Die Induktionsspule ist auf einer metallischen Trägereinrichtung fixiert.

Die DE 42 24 405 A1 beschreibt eine induktive Kochstellenbeheizung, bei der die Induktionsspulen indirekt von einem darunter angeordneten Blechträger getragen und von einer darüber angeordneten Abschirmplatte nach oben hin abgeschirmt werden, wobei sowohl der Blechträger als auch die Abschirmung geerdet sind, also auf einem gemeinsamen elektrischen Potential liegen. Dagegen ist aus der DE 695 11 663 T2 ein Induktionskochgerät mit reduzierter Störstrahlung bekannt, bei dem die Induktionsspulen auf einer Platte aufgenommen sind, die gleichzeitig die Funktion eines Trägers und einer Abschirmung übernimmt und an einem von einem Generator gefilterten Potential liegt. In Siemens-Bauteile-Information 10 (1972) 2 Seiten 34 bis 36 ist die Funkentstörung mit stromkompensierten Drosseln beschrieben.

Die WO 97/20451 A1 zeigt eine Induktionskochstelle mit einem wannenartigen Träger aus magnetisch leitfähigem Material, in dem ein elektrisch isolierendes Material zur Aufnahme einer Induktionsspule eingegossen ist. Aus der WO 98/91061 A2 ist eine Kernstruktur eines Induktionsheizelements mit einem Rand, einem Boden und einem zentralen Stab be kannt, wobei der Rand die Kochplatte durchdringt und das Gargefäß aufnimmt und so denn Leckfluss verringert. In der WO 98/41062 A2 ist eine Kernstruktur aus radial angeordneten Kernteilen beschrieben, die zusammen einen Boden, einen Rand und eine zentrale Stange bilden und jeweils eine zylindrische Spule aufnehmen. Die WO 98/41063 A2 schließlich zeigt einen derartigen Kern mit zusätzlichem ferromagnetischen Material zur Flusserhöhung mittels Verringerung des magnetischen Widerstands.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirkung des parasitären Kondensators zwischen Induktionsspulen und Trägereinrichtung zu verringern.

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

Die Gareinrichtung umfasst wenigstens eine Induktionsheizeinrichtung mit einer oder mehreren Induktionsspulen (mit wenigstens einer Windung) und wenigstens einer Steuereinheit zum Anlegen einer hochfrequenten Betriebsspannung (eines zeitlich veränderlichen hochfrequenten elektrischen Feldes) an die Induktionsspule zum Erzeugen eines entsprechend zeitlich veränderlichen magnetischen Feldes sowie eine auf ein 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 einer 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 Betriebsspannung umsetzt.

Die Erfindung geht aus von der aufgrund von Messungen gewonnenen überraschenden Beobachtung, dass im Betrieb der Induktionsheizeinrichtung hochfrequente Störströme auftreten können, die nach der Norm EN 55011 vorgegebene Grenzwerte 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 gefolgerten Überlegung, dass für die Störströme eine zu hohe elektrische Kapazität zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung verantwortlich ist. Auch bei einer elektrischen Isolierung der Induktionsspule von der Trägereinrichtung, die einen direkten Ladungsfluss zumindest weitgehend verhindert, stellt immer noch der aus Induktionsspule und Trägereinrichtung gebildete Kondensator, besonders in dem für Induktionsbeheizung typischen Hochfrequenzbereich, 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 Material anzuordnen und diese Abschirmeinrichtung elektrisch auf einen niederfrequenten Verbindungspunkt in der Steuereinheit, also auf ein gegenüber dem hochfrequenten Potential in der Induktionsspule näherungsweise elektrisch konstantes (elektrisch stabiles) Potential in der Steuereinheit zu legen. 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 Potential und tritt deshalb praktisch nicht mehr als Störstrom in Erscheinung. Der Störeinfluss dieses Kondensators zwischen Abschirmeinrichtung und Induktionsspule ist also deutlich kleiner als der Störeinfluss der ursprünglichen parasitären Kapazität zwischen Induktionsspule und Trägereinrichtung (ohne Abschirmeinrichtung), so dass die Störströme der Induktionsgareinrichtung im Betrieb deutlich verringert sind. Die Abschirmeinrichtung und/oder eine die Abschirmeinrichtung gegenüber der Trägereinrichtung isolierende Isolierlage ist hierzu mit einer Schichttechnologie als Film oder Schicht aufgebracht oder aufgetragen.

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 unterhalb 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 Frequenzanteile der hochfrequenten Betriebsspannung der Steuereinheit 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, typischer weise um über das 300fache, höher als die als niederfrequent bezeichneten Frequenzen.

Zum Unterdrücken von Gleichtaktstörungen umfasst die Steuereinheit insbesondere eine zwischen die Netzspannungsquelle und die Umsetzeinheit schaltbare 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 gebildet.

Die Steuereinheit ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform von dem externen konstanten Potential kapazitiv 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 Potential geschalteten Kondensator, ist also über die Kondensatoren mit dem konstanten elektrischen Potential gekoppelt.

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 Umsetzeinheit 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 Umsetzeinheit und die Gleichtakt-Filtereinheit bzw. die Gegentakt-Filtereinheit gelegt.
– In einer zweiten, auch mit der ersten Ausführungsform kombinierbaren, Ausführungsform wird der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung in den an eine Phase, insbesondere die Nullphase (wenn vorhanden) oder an die oder eine der aktiven Phasen, der Netzspannungsquelle anschließbaren oder angeschlossenen Stromzweig der Steuereinheit 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, insbesondere 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 entkoppelt: Die Trägereinrichtung besteht insbesondere zumindest im Bereich der der Induktionsspule zugewandten Trägerfläche aus Metall oder einer Metall-Legierung, beispielsweise Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder Stahl, wobei das Metall vorzugsweise in Form eines Bleches geeigneter Stärke verwendet wird.

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

Die Abschirmeinrichtung ist im Allgemeinen von der Trägereinrichtung durch eine elektrische Isolierung (Isolierlage) elektrisch isoliert.

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

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

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auf die Zeichnung Be zug genommen, in der jeweils in einer schematischen Darstellung zeigen:
1 eine Induktionsgareinrichtung mit einer auf einer Trägereinrichtung getragenen Induktionsspule und einer Abschirmeinrichtung zwischen der Trägereinrichtung und der Induktionsspule und
2 eine Induktionsgareinrichtung ohne Abschirmeinrichtung
3 eine elektrische Schaltung einer Steuereinheit einer Induktionsgareinrichtung.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 2 ist eine Induktionsgareinrichtung ohne Abschirmeinrichtung dargestellt. Diese Induktionsgareinrichtung umfasst eine Kochfeldplatte 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 dargestellt. Unterhalb der Kochzonen der Kochfeldplatte 1 ist eine Induktionsspule 3 angeordnet, die als Flachspule ausgebildet ist mit einer im, wesentlichen parallel zur Kochfeldplatte 1 ausgerichteten Ebene.
Die Induktionsspule 3 ist, vorzugsweise mittels einer Klebeverbindung, auf einem oder mehreren Feldleitkörpern 4 angeordnet. Der oder die Feldleitkörper 4 sind auf einer Trägerfläche 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 Leitfähigkeit, beispielsweise einem ferritischen oder densitischen Material. Die Induktionsspule 3 kann auch zusammen mit einer 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 voneinander. Anstelle einer Klebeverbindung können auch andere Fixierungsmittel 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 Isolierung wird dann im Allgemeinen mit getrennten dielektrischen Mitteln erreicht.
Die Trägereinrichtung 7 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Metall, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einem Stahl, insbesondere aus einem Metallblech. Die Trägereinrichtung 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel kastenförmig 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 Verbindung der Trägereinrichtung 7 zur Erde kann auch unabhängig von der mechanischen Befestigung mit einer separaten elektrisch leitenden Verbindung, beispielsweise einem elektrischen Kabel und/oder einer Clips-Verdrahtung, verwirklicht werden.
Die Steuereinheit 8 versorgt im Betrieb der Induktionsgareinrichtung die Induktionsspule 3 mit einem zeitlich veränderlichen elektrischen Feld (einer zeitlich veränderlichen elektrischen Spannung), die hochfrequente Anteile im Bereich ab einer Grundfrequenz (Fundamentalfrequenz) von 20 kHz, vorzugsweise ab 25 kHz, enthält. Durch Induktion erzeugt die Induktionsspule 3 nun ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld, dessen Flussdichte in der 4 mit B bezeichnet ist und dessen Feldlinien gestrichelt dargestellt sind, mit einem dem elektrischen Feld der Steuereinheit 8 entsprechenden Frequenzspektrum. Die Feldleitkörper 4 konzentrieren und bündeln das Magnetfeld B, so dass es nach unten weitgehend abgeschirmt ist. Nach oben durchdringt das Magnetfeld B die Kochfeldplatte 1, die insbesondere aus einem dielektrischen hitzebeständigen Material, beispielsweise einer Glaskeramik, Glas, einer Keramik oder einem anderen Material, besteht, und induziert in der Suszeptorspule 5 des Gargutbehälters 2 einen elektrischen Strom, der durch Joulesche Verluste den Gargutbehälter 2 erhitzt. Die Aufheizwirkung wird im Allgemeinen noch dadurch verstärkt, dass ein ferromagnetisches Material vorgesehen 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 Trägerfunktion für die Induktionsspule 3 zusätzlich die Funktionen der Wärmeabführung von der Induktionsspule 3 und Homogenisierung 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 Induktionsgareinrichtung gemäß 2 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 eine parasitäre Kapazität C_D zwischen der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7 zurückzuführen sind.
Man kann nun einen Lösungsweg wählen, bei dem diese parasitäre Kapazität C_D reduziert oder sogar möglichst ganz eliminiert wird, beispielsweise durch Vergrößern des Abstandes zwischen Induktionsspule 3 und Trägereinrichtung 7 durch Einbringen zusätzlichen dielektrischen Materials, insbesondere 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 Trägerfläche 70, und/oder Verwendung eines dielektrischen Zwischenmaterials zwischen Induktionsspule 3 und Trägereinrichtung 7 mit einer kleineren relativen Dielektrizitätskonstante.
Gemäß der Erfindung wird ein anderer Lösungsweg beschritten, bei dem zwischen die Trägerfläche 70 der Trägereinrichtung 7 und die Induktionsspule 3 eine Abschirm einrichtung aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere einem Metall oder einer Metallverbindung, eingebracht wird und diese Abschirmeinrichtung mit einem im Vergleich zur hochfrequenten Betriebsspannung für die Indukti onsspule 3 niederfrequenten Potentialpunkt (Verbindungspunkt) in der Steuereinheit 8 verbunden wird.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Abschirmeinrichtung 12 als, vorzugsweise durchgehende (kontinuierliche, ohne Löcher zusammenhängende), elektrisch leitende Lage ausgebildet, die auf einer elektrischen Isolierlage (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 aufgebracht, beispielsweise verklebt. An einem elektrischen Kontakt ist die Abschirmeinrichtung 12 mit einer elektrischen Verbindungsleitung kontaktiert und über die Verbindungsleitung mit einem mit der Steuereinheit 8 elektrisch kontaktierten Verbindungspunkt VP elektrisch verbunden. Die Abschirmeinrichtung 12 schirmt nun die Induktionsspule 3 und die Trägereinrichtung 7 voneinander ab, so dass die Störwirkung der parasitären Kapazität C_D zwischen Induktionsspule 3 und Trägereinrichtung 7 praktisch außer Kraft gesetzt ist.
Die Abschirmeinrichtung 12 und/oder die Isolierlage 10 können bzw. kann auch mit einer Schichttechnologie als Film oder Schicht aufgebracht oder aufgetragen werden, beispielsweise aufgedruckt, aufgepresst, aufgedampft, aufgesputtert, durch chemische Gasphasenabscheidung oder in ähnlicher Weise.
3 zeigt ein elektrisches Schaltbild für die Steuereinheit 8 der Induktionsgareinrichtung gemäß 1. Auf der linken Seite des Schaltbildes liegt eine einphasige Netzspannung U_N (einer entsprechenden Netzspannungsquelle oder Netzanschlusses) an, die im normalen europäischen Stromnetz 230 V mit einer Frequenz von 50 Hz entspricht und eine aktive 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 Induktivitäten L1 und L3 sowie ein Hauptschalter S3 geschaltet 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 geschaltet 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 Spannungen mit Phasenverschiebung zueinander wie z.B. drei Phasenspannungen mit 120° Phasenverschiebung bei Drehstrom, und gegebenenfalls eine Nullphase (Null-Leiter). vorgesehen, wobei zwei der Phasen oder eine der Phasen und die Nullphase 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 beiden Phasen P und N der Netzspannung U_N unterdrückt.
Die beiden Induktivitäten L1 und L2 sowie die beiden Kapazitäten C3 und C4 bilden dagegen einen Filter (Gleichtakt-Filtereinheit) zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen in den Phasen der Versorgungsspannung UN (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 verwirklicht werden. Da die Induktivitäten L1 und L2 zugleich die volle Netzspannung U_N im Gegentaktbetrieb (gegenphasiger Normalbetrieb) durchlassen können müssen, sind die Anforderungen 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 3 dargestellte Teil der Schaltung enthält eine von mehreren möglichen Standardschaltungen zur Realisierung einer Umsetzeinheit zur Umsetzung der niederfrequenten Netzspannung U_N in die zum Betrieb der Induktionsspule 3 mit der Induktivität L erforderliche hochfrequente Betriebsspannung (Hochfrequenzspannung) 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 Kondensatoren C5, C6 und C7 und die bereits genannte Gleichrichterbrücke G. Die Hochfrequenzspannung U_HF liegt vorzugsweise in einem Frequenzbereich oberhalb der Grundfrequenz 25 kHz.
Die beim Stand der Technik gemäß 2 zwischen der Induktivität L der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7 gebildete parasitäre Kapazität Co wäre nun bei Verwendung einer Steuereinheit 8 gemäß 3 (ohne die Kapazität C_D' und den Verbindungspunkt VP und die dazugehörige elektrische 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 Kerne der Spulen für die Induktivitäten L1 und L2 noch schneller in Sättigung.
Das Vorsehen einer Abschirmeinrichtung 12 gemäß der Erfindung, wie beispielsweise in 1 dargestellt, führt nun dazu, dass anstelle der parasitären Kapazität C_D zwischen der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7 nunmehr nur die in 3 mit C_D' bezeichnete elektrische Kapazität (Kondensator) zwischen der Induktionsspule 3 und der Abschirmeinrichtung 12 elektrisch wirksam ist.
Die Abschirmeinrichtung 12 (1) und damit die zugehörige Kapazität C_D' (3) sind ferner mit einem niederfrequenten Verbindungspunkt VP der Steuereinheit 8 verbunden. Der Verbindungspunkt VP liegt zwischen der Induktivität L2 und der Gleichrichterbrücke G im niederfrequenten Stromzweig an der Nullphase N der Netzspannung U_N. Gegenüber der hochfrequenten Betriebsspannung U_HF liegt somit der Verbindungspunkt VP praktisch auf einem konstanten (elektrisch stabilen) internen Referenzpotential, das einerseits über den Kondensator C4) kapazitiv von der Erde 9 als externem konstanten Potential 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 tragen dadurch nicht als Störströme im Gegensatz zum Stand der Technik.
Der außerdem mit der Abschirmeinrichtung 12 und der Trägereinrichtung 9 und der dazwischen angeordneten Isolierla ge 10 gebildete Kondensator ist in 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 niederfrequenten Potential am Verbindungspunkt VP einerseits und dem konstanten Potential der Erde 9 andererseits. Dadurch fließen 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 Vorteil, dass wegen der deutlich geringeren Störströme die Komponente bzw. Komponenten für die Induktivitäten L1 und L2, insbesondere der Ringkern der Drossel, geringeren Anforderungen entsprechen muss bzw. müssen und dadurch eine beträchtliche Kostenersparnis erreicht wird.
Der Verbindungspunkt VP kann in nicht dargestellten Ausführungsformen auch in einen anderen niederfrequenten Stromzweig 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 (Gleichspannungspunkten) der Gleichrichterbrücke 6 führt. An diesen Gleichspannungspunkten steht nämlich die gleichgerichtete, 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 Tragen.
Anstelle der gezeigten Ausführungsbeispiele kann die Induktionsgareinrichtung, bezüglich des mechanischen Aufbaus und der verwendeten Materialien als auch bezüglich der elektrischen Verhältnisse, auch anstelle von 2 auch von einer anderen, bekannten Ausführungsform ausgehen, beispielsweise gemäß einer der in WO 97/20451 A1 W0 98/41061 A2; WO 98/41062 A2 WO 98/41063 A2 oder WO 98/41064 A2 offenbarten Ausführungsformen.

Claims

Gareinrichtung mit a) wenigstens einer-Induktionsspule (3), b) wenigstens einer auf ein 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 angeschlossene Umsetzeinheit (S1,S2,C6,C7) zum Umsetzen der Netzspannung (U_N) in die Betriebsspannung (U_HF) umfasst, und mit d) wenigstens einer zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung angeordneten Abschirmeinrichtung (12) aus elektrisch leitfähigem Material, die mit einem niederfrequenten Verbindungspunkt (VP) in der Steuereinheit elektrisch verbunden ist, wobei e) die Abschirmeinrichtung (12) und/oder eine die Abschirmeinrichtung (12) gegenüber der Trägereinrichtung (7) isolierende Isolierlage (10) mit einer Schichttechnologie als Film oder Schicht aufgebracht oder aufgetragen ist.
Gareinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuereinheit mit dem konstanten elektrischen Potential kapazitiv gekoppelt ist.
Gareinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Netzspannungsquelle wenigstens zwei Phasen aufweist, insbesondere wenigstens eine aktive Phase (P) und eine Nullphase (N) oder wenigstens zwei aktive Phasen, aufweist.
Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit eine zwischen die Netzspannungsquelle und die Umsetzeinheit geschaltete Gleichtakt-Filtereinheit (L1,L2,C3,C4) zum Unterdrücken von Gleichtaktstörungen umfasst.
Gareinrichtung nach Anspruch 3 und Anspruch 4, bei der die Gleichtakt-Filtereinheit eine mit einer Phase der Netzspannungsquelle elektrisch verbundene erste Induktivität (L1) und eine mit einer anderen Phase der Netzspannungsquelle elektrisch verbundene sowie gegensinnig zur ersten Induktivität verschaltete zweite Induktivität (L2) aufweist.
Gareinrichtung nach Anspruch 5, bei der die beiden Induktivitäten mit einer stromkompensierten Ringkerndrossel mit zwei auf einem Ringkern gegensinnig angeordneten Spulen gebildet sind.
Gareinrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei der beide Induktivitäten (L1,L2) jeweils über einen zugehörigen Kondensator (C3,C4) mit dem konstanten Potential elektrisch gekoppelt sind.
Gareinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung elektrisch zwischen der Umsetzeinheit und der Gleichtakt-Filtereinheit liegt.
Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit eine zwischen die Netzspannungsquelle und die Umsetzeinheit geschaltete Gegentakt-Filtereinheit (L3,C1,C2) zum Unterdrücken von Gegentaktstörungen umfasst.
Gareinrichtung nach einem der auf Anspruch 3 rückbezogenen Ansprüche, bei der der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung in einem an eine Phase, insbesondere die Nullphase, der Netzspannungsquelle angeschlossenen Stromzweig der Steuereinheit liegt.
Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit einen zwischen die Netzspannungsquelle und die Umsetzeinheit geschalteten Gleichrichter (G) zum Gleichrichten der Netzspannung umfasst.
Gareinrichtung nach Anspruch 11 in Rückbeziehung auf einen der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung in einem zu einem Gleichspannungspunkt des Gleichrichters führenden Stromzweig liegt.
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.
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.
Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abschirmeinrichtung (12) von der Trägereinrichtung (7) durch eine elektrische Isolierung (10) getrennt ist.
Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der an einer Unterseite der Induktionsspule wenigstens ein Feldleitkörper (4) aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere einem ferritischen oder densitischen Material, angeordnet ist, wobei die Induktionsspule vorzugsweise mit ihren Feldleitkörpern auf der Abschirmeinrichtung aufliegt.