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Die
Erfindung betrifft eine Induktionsheizeinrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren
zur Topferkennung.
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Bei
Induktionsheizeinrichtungen wird eine Induktionsspule mit einer
Wechselspannung bzw. einem Wechselstrom beaufschlagt, wodurch in
einem magnetisch mit der Induktionsspule gekoppelten, zu erhitzenden
Kochgeschirr bzw. Kochgefäß Wirbelströme induziert
werden. Die Wirbelströme
bewirken eine Erhitzung des Kochgeschirrs. Ein Koch- oder Wärmegerät, beispielsweise
ein Herd, kann mehrere Heizzonen aufweisen, wobei jeder Heizzone
jeweils eine Induktionsheizeinrichtungen zugeordnet ist.
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Zur
Ansteuerung der Induktionsspule sind unterschiedliche Schaltungsanordnungen
und Ansteuerverfahren bekannt. Allen Schaltungs- bzw. Verfahrensvarianten
ist gemeinsam, dass sie aus einer niederfrequenten Netzeingangsspannung
eine hochfrequente Ansteuerspannung für die Induktionsspule erzeugen.
Derartige Schaltungen werden als Umrichter bezeichnet.
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Zur
Umrichtung bzw. Frequenzwandlung wird üblicherweise zunächst die
Netzeingangsspannung mit Hilfe eines Gleichrichters in eine Versorgungsgleichspannung
bzw. Zwischenkreisspannung gleichgerichtet und anschließend zur
Erzeugung der hochfrequenten Ansteuerspannung mit Hilfe von einem
oder mehreren Schaltmitteln, im allgemeinen Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren
(IGBT), aufbereitet. Am Ausgang des Gleichrichters, d.h. zwischen der
Zwischenkreisspannung und einem Bezugspotential, ist üblicherweise
ein so genannter Zwischenkreiskondensator zur Pufferung der Zwischenkreisspannung
vorgesehen.
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Eine
erste Umrichtervariante bildet ein Umrichter in Vollbrückenschaltung,
bei dem zwischen zwei so genannten Halbbrücken die Induktionsspule und
ein Kondensator seriell eingeschleift sind. Die Halbbrücken sind
jeweils zwischen die Zwischenkreisspannung und das Bezugspotential
eingeschleift. Die Induktionsspule und der Kondensator bilden einen
Serienschwingkreis.
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Eine
weitere Umrichtervariante bildet eine Halbbrückenschaltung aus zwei IGBTs,
wobei die Induktionsspule und zwei Kondensatoren, die seriell zwischen
die Zwischenkreisspannung und das Bezugspotential eingeschleift
sind, einen Serienschwingkreis bilden. Die Induktionsspule ist mit
einem Anschluss mit einem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren
und mit ihrem anderen Anschluss mit einem Verbindungspunkt der beiden
die Halbbrücke
bildenden IGBTs verbunden.
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Sowohl
die Variante mit Vollbrücke
als auch die Variante mit Halbbrücke
sind aufgrund der großen Anzahl
benötigter
Bauteile, insbesondere von IGBTs, jedoch vergleichsweise teuer.
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Eine
aus Kostengesichtspunkten optimierte Variante verwendet daher nur
ein Schaltmittel bzw. einen IGBT, wobei die Induktionsspule und
ein Kondensator einen Parallelschwingkreis bilden. Zwischen die
Ausgangsanschlüsse
des Gleichrichters, parallel zum Zwischenkreiskondensator sind der
Parallelschwingkreis aus Induktionsspule und Kondensator seriell
mit dem IGBT eingeschleift. Derartige Umrichter werden auch als
Eintransistorumrichter bezeichnet.
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Bei
Koch- oder Wärmegeräten, die
eine oder mehrere Induktionsheizeinrichtungen umfassen, ist häufig eine
Topferkennung gewünscht
bzw. notwendig. Bei der Topferkennung wird überprüft, ob sich ein Kochgefäß bzw. ein
Topf in einer Heizzone des Koch- oder Wärmegeräts, beispielsweise eines Herdes,
befindet. Vom Ergebnis der Überprüfung kann
beispielsweise abhängig
gemacht werden, ob die von einem Benutzer vorgegebene Heizleistung
für eine Heizzone
tatsächlich
freigegeben bzw. ausgegeben wird oder nicht.
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In
der
DE 42 08 249 A1 ist
ein Verfahren zur Topferkennung beschrieben, bei dem ein Schwingkreis,
der die Induktionsspule umfasst, zu einer Schwingung angeregt wird.
Die Dämpfung
der Schwingung wird zur Topferkennung ausgewertet.
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In
der
EP 0 442 275 A2 ist
ein Topferkennungssystem beschrieben, bei dem nicht die Induktionsspule
sondern ein induktiver Sensor zur Topferkennung verwendet wird,
dessen wirksame Induktivität
sich in Abhängigkeit
davon ändert,
ob sich ein Kochgefäß bzw. ein
Topf in einer Heizzone des Koch oder Wärmegerätes befindet. Der induktive
Sensor ist Teil eines Schwingkreises, dessen Resonanzfrequenz sich
in Abhängigkeit
von der wirksamen Induktivität
des Sensors verändert.
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Aufgabe
und Lösung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Topferkennung
für eine
Induktionsheizeinrichtung und eine Induktionsheizeinrichtung zur
Verfügung
zu stellen, die eine zuverlässige,
einfache und kostengünstige
Topferkennung ermöglichen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und eine Induktionsheizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
5. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind
Gegenstand der weiteren Ansprüche
und werden im folgenden näher erläutert. Der
Wortlaut der Ansprüche
wird durch ausdrückliche
Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine Spannung am Zwischenkreiskondensator zur Topferkennung
ausgewertet. Die am Zwischenkreiskondensator anliegende Spannung ändert sich
in Abhängigkeit
davon, ob sich ein Kochgefäß auf einer der
Induktionsheizeinrichtung zugeordneten Kochstelle befindet oder
nicht. Wenn ein Kochgefäß während eines
Heizbetriebs von einer Kochstelle entfernt oder auf der Kochstelle
derart verschoben wird, dass eine magnetische Kopplung zwischen
der Induktionsspule und dem Kochgefäß abnimmt, verringert sich
die durch den Umrichter aus dem Zwischenkreiskondensator entnommene
Wirkleistung und die Dämpfung
eines Schwingkreises, dessen induktive Komponente die Induktionsspule
darstellt. Dies bewirkt, dass die am Zwischenkreiskondensator anliegende
Spannung, insbesondere im Bereich eines Nulldurchgangs der Netzwechselspannung,
zunimmt, da der Zwischenkreiskondensator nicht mehr vollständig entladen
wird. Die Spannung am Zwischenkreiskondensator kann daher zur Topferkennung
ausgewertet werden.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird eine Nulldurchgangsspannung
am Zwischenkreiskondensator zum Zeitpunkt eines Nulldurchgangs der
Netzwechselspannung ermittelt und ein Topf erkannt, wenn die Nulldurchgangsspannung
kleiner als ein vorgebbarer Maximalwert ist. Durch Messen der Höhe der Zwischenkreisspannung
bzw. der Spannung am Zwischenkreiskondensator zum Zeitpunkt des
Netznulldurchgangs kann auf die eingespeiste Wirkleistung bzw. die
Dämpfung
des Schwingkreises und somit auf das Vorhandensein eines Kochgefäßes bzw.
eines Topfs geschlossen werden. Der Maximalwert kann hierbei statisch
vorgegeben werden und beispielsweise in einem Bereich von 10V bis
50V liegen. Er kann jedoch auch dynamisch vorgegeben bzw. eingestellt
werden. Beispielsweise kann eine Kalibrierung bei einer Inbetriebnahme
derart erfolgen, dass ein Referenzkochgefäß auf die Heizzone gestellt
wird und der sich während
eines Heizbetriebs ergebende Spannungswert am Zwischenkreiskondensator
im Netznulldurchgang als ein Referenzwert gespeichert wird. Die
Berechnung des Maximalwerts kann auf Basis des gespeicherten Referenzwertes erfolgen.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird ein Spannungsverlauf am
Zwischenkreiskondensator in einem vorgebbaren Zeitbereich um einen
Nulldurchgang der Netzwechselspannung ermittelt, ein Mittelwert
des Spannungsverlaufs in dem vorgebbaren Zeitbereich ermittelt und
ein Topf erkannt, wenn der Mittelwert kleiner als ein vorgebbarer
Maximalwert ist. Durch die Mittelwertbildung können gegebenenfalls auftretende
Störgrößen effektiv
unterdrückt werden.
Bevorzugt beginnt der vorgebbare Zeitbereich 1 ms vor dem Nulldurchgang
und endet 1 ms nach dem Nulldurchgang.
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Die
erfindungsgemäße Induktionsheizeinrichtung
umfasst eine Induktionsspule und einen Umrichter zur Erzeugung einer
Ansteuerspannung für die
Induktionsspule mit einem Gleichrichter, der eine Netzwechselspannung
gleichrichtet, einem Zwischenkreiskondensator, der zwischen Ausgangsanschlüsse des
Gleichrichters eingeschleift ist und die gleichgerichtete Spannung
bzw. die Zwischenkreisspannung puffert, und einer Topferkennungseinrichtung.
Die Topferkennungseinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie eine
Spannung am Zwischenkreiskondensator zur Topferkennung auswertet.
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In
einer Weiterbildung der Induktionsheizeinrichtung umfasst diese
eine Netznulldurchgangsermittlungseinrichtung zur Ermittlung eines
Nulldurchgangs der Netzwechselspannung und eine Spannungsmesseinrichtung
zur Messung der Spannung am Zwischenkreiskondensator, wobei die
Topferkennungseinrichtung mit der Netznulldurchgangsermittlungseinrichtung
und der Spannungsmesseinrichtung gekoppelt und derart eingerichtet
ist, dass sie eine Nulldurchgangsspannung am Zwischenkreiskondensator
zum Zeitpunkt eines Nulldurchgangs der Netzwechselspannung ermittelt
und einen Topf erkennt, wenn die Nulldurchgangsspannung kleiner als
ein vorgebbarer Maximalwert ist. Die Netznulldurchgangsermittlungseinrichtung
wird zur Synchronisation der Spannungsmessung am Zwischenkreiskondensator
mit dem Netznulldurchgang verwendet.
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In
einer Weiterbildung der Induktionsheizeinrichtung umfasst die Spannungsmesseinrichtung
einen Spannungsteiler, der dem Zwischenkreiskondensator parallel
geschaltet ist und an dessen Mittelabgriff eine Auswertespannung
anliegt. Der Spannungsteiler dient zur Transformation der Spannung am
Zwischenkreiskondensator auf einen Pegel, der zur Auswertung, beispielsweise
durch einen Mikrocontroller, geeignet ist.
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In
einer Weiterbildung der Induktionsheizeinrichtung ist der Umrichter
ein Eintransistorumrichter, ein Umrichter in Halbbrückenschaltung
oder ein Umrichter in Vollbrückenschaltung.
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Diese
und weitere Merkmale gehen außer aus
den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für
sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
einer Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für
sich schutzfähige
Ausführungen
darstellen können,
für die
hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in
einzelne Abschnitte und Zwischen-Überschriften beschränkt die
unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und
werden im folgenden näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer erfindungsgemäßen Induktionsheizeinrichtung
und
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2 Zeitablaufdiagramme
einer Netzwechselspannung und einer Spannung an einem Zwischenkreiskondensator
von 1 für
einen Fall, bei dem kein Kochgefäß in einer
Heizzone vorhanden ist, und für
einen Fall, bei dem ein Kochgefäß in der Heizzone
vorhanden ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
ein Schaltbild einer Induktionsheizeinrichtung mit einem Eintransistorumrichter
EU. Die Induktionsheizeinrichtung ist Teil eines nicht gezeigten
Koch- oder Wärmegeräts, beispielsweise
eines Herds, das mehrere Heizzonen aufweisen kann, wobei jeder Heizzone
jeweils eine Induktionsheizeinrichtungen zugeordnet ist. Die Induktionsheizeinrichtung
dient zur induktiven Erwärmung
eines Kochgeschirrs KG.
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Der
Eintransistorumrichter EU umfasst einen Brückengleichrichter GL, der aus
einer Eingangsnetzwechselspannung UN von 230V und 50Hz eine Zwischenkreisspannung
UZ erzeugt, einen Puffer- oder Zwischenkreiskondensator C1 zur Stabilisierung
bzw. Pufferung der Zwischenkreisspannung UZ, der zwischen Ausgangsanschlüsse N1 und
N2 des Gleichrichters GL eingeschleift ist, eine Induktionsspule
L1 und einen Kondensator C2, die parallel geschaltet sind und einen
Parallelschwingkreis bilden, ein ansteuerbares Schaltmittel in Form
eines IGB-Transistors
T1, der in Serie mit dem Schwingkreis zwischen die Ausgangsanschlüsse N1 und
N2 des Gleichrichters GL eingeschleift ist, eine Freilaufdiode D1,
die parallel zu einer Kollektor-Emitter-Strecke des IGB-Transistors
T1 geschaltet ist, eine Netznulldurchgangsermittlungseinrichtung
NE zur Ermittlung eines Nulldurchgangs der Netzwechselspannung UN,
eine Spannungsmesseinrichtung zur Messung der Spannung UZ am Zwischenkreiskondensator
C1 in Form der Widerstände
R1 und R2, die einen Spannungsteiler bilden, der dem Zwischenkreiskondensator
C1 parallel geschaltet ist und an dessen Mittelabgriff N3 eine Auswertespannung
UA anliegt, und eine Steuereinheit SE, beispielsweise in Form eines
Mikroprozessors oder eines digitalen Signalprozessors.
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Zur
Heizleistungserzeugung steuert die Steuereinheit SE den IGBT T1
in herkömmlicher
Weise an.
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Die
Netznulldurchgangsermittlungseinrichtung NE ist mit der Steuereinheit
SE gekoppelt und signalisiert dieser einen Nulldurchgang der Netzwechselspannung
UN. Die am Mittelabgriff N3 anliegende Auswertespannung UA dient
als Eingangsspannung für
die Steuereinheit SE, die beispielsweise einen integrierten A/D-Wandler
zur Digitalisierung der Auswertespannung UA aufweisen kann.
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Die
Steuereinheit SE in Verbindung mit der Spannungsmesseinrichtung
und der Netznulldurchgangsermittlungseinrichtung NE bilden bzw.
implementieren eine Topferkennungseinrichtung, wobei die Steuereinheit
SE im Netznulldurchgang, der ihr durch die Netznulldurchgangsermittlungseinrichtung NE
signalisiert wird, die Höhe
der Zwischenkreisspannung UZ durch Messen der Auswertespannung UA
bestimmt. Die Steuereinheit SE wertet die Zwischenkreisspannung
UZ bzw. die Auswertespannung UA im Nulldurchgang aus, um zu bestimmen,
ob sich ein Kochgefäß KG auf
einer der Induktionsspule L1 zugeordneten Kochstelle befindet.
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2 zeigt
Zeitablaufdiagramme der Netzwechselspannung UN und der Spannung
UZ am Zwischenkreiskondensator C1. Im oberen Diagramm ist die Spannung
UZ für
einen Fall gezeigt, bei dem kein Kochgefäß KG in einer Heizzone vorhanden
ist. Im unteren Diagramm ist die Spannung UZ für einen Fall gezeigt, bei dem
ein Kochgefäß KG in
der Heizzone vorhanden ist.
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Wenn
kein Kochgefäß KG vorhanden
ist, ist die Dämpfung
des Parallelschwingkreises aus Kondensator C2 und Induktionsspule
L1 gering, da keine bzw. nur eine geringe Wirkleistung im Schwingkreis bzw.
den Komponenten des Umrichters EU verbraucht wird. Dies hat zur
Folge, dass die Spannung am Zwischenkreiskondensator C1 bei abnehmender Netzwechselspannung
UN nur geringfügig
abnimmt bzw. einbricht, da die im Zwischenkreiskondensator C1 gespeicherte
Energie ausreicht, die Komponenten zu versorgen. Die von der Steuereinheit
SE im Netznulldurchgang ermittelte Zwischenkreis- bzw. Auswertespannung
UA überschreitet
in diesem Fall einen voreingestellten Maximalwert, der beispielsweise
in einem Bereich von 5V bis 50V, insbesondere 10V bis 30V, liegen
kann, d.h. die Steuereinheit SE erkennt bzw. bestimmt, dass sich
kein Kochgefäß KG in
der Heizzone befindet.
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Wenn
jedoch ein Kochgefäß KG vorhanden ist,
ist die Dämpfung
des Parallelschwingkreises aus Kondensator C2 und Induktionsspule
L1 groß,
da Wirkleistung von der Induktionsspule L1 in das Kochgefäß KG übertragen
wird. Dies hat zur Folge, dass die Spannung am Zwischenkreiskondensator
C1 bei abnehmender Netzwechselspannung UN stark abnimmt bzw. einbricht,
da die im Zwischenkreiskondensator C1 gespeicherte Energie nicht
mehr ausreicht, die Zwischenkreisspannung UZ zu puffern. Die Zwischenkreisspannung
UZ nimmt daher in etwa wie die Netzwechselspannung UN ab bzw. wieder
zu, so dass im Netznulldurchgang eine Zwischenkreisspannung UZ und
eine Auswertespannung UA von ca. 0V anliegen. Die von der Steuereinheit
SE im Netznulldurchgang ermittelte Zwischenkreis- bzw. Auswertespannung
UA unterschreitet in diesem Fall den voreingestellten Maximalwert,
d.h. die Steuereinheit erkennt bzw. bestimmt, dass sich ein Kochgefäß KG in
der Heizzone befindet.
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Der
Maximalwert kann anstatt statisch vorgegeben zu werden auch dynamisch
vorgegeben bzw. eingestellt werden. Beispielsweise kann eine Kalibrierung
bei einer Inbetriebnahme des Kochgerätes derart erfolgen, dass ein
Referenzkochgefäß auf die
Heizzone gestellt wird und der sich ergebende Spannungswert am Zwischenkreiskondensator
C1 im Netznulldurchgang als ein Referenzwert in der Steuereinheit
SE gespeichert wird. Die Berechnung des Maximalwerts kann dann auf
Basis des gespeicherten Referenzwertes erfolgen.
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Anstatt
des gezeigten Eintransistorumrichters können selbstverständlich auch
ein Umrichter in Halbbrückenschaltung
oder ein Umrichter in Vollbrückenschaltung
verwendet werden.
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Zusätzlich oder
alternativ zur Auswertung der Spannung am Zwischenkreiskondensator
C1 im Nulldurchgang kann der Spannungsverlauf am Zwischenkreiskondensator
C1 in einem vorgebbaren Zeitbereich um ei nen Nulldurchgang der Netzwechselspannung
UN ermittelt und gespeichert und ein Mittelwert des gespeicherten
Spannungsverlaufs in dem vorgebbaren Zeitbereich berechnet werden.
Ein Kochgefäß KG kann
dann beispielsweise erkannt werden, wenn der Mittelwert kleiner
als der vorgebbare Maximalwert ist. Der vorgebbare Zeitbereich kann
beispielsweise 1 ms vor dem Nulldurchgang beginnen und 1 ms nach
dem Nulldurchgang enden.
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Die
gezeigten Ausführungsformen
lassen sich selbstverständlich
auch bei Netzwechselspannungen mit anderen Spannungen und Frequenzen betreiben.
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Die
gezeigt Auswertung der Zwischenkreisspannung im Netznulldurchgang
ermöglicht
eine einfache und zuverlässige
Topferkennung während
eines Heizbetriebs.