DE102006041964A1

DE102006041964A1 - Verfahren und Anordnung zur Leistungsversorgung einer Induktionsheizeinrichtung

Info

Publication number: DE102006041964A1
Application number: DE102006041964A
Authority: DE
Inventors: Jörg Bögel
Original assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Current assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2008-04-03
Also published as: CN101507351B; PL2055144T3; DE502007002692D1; US7688601B2; ES2339721T3; ATE456285T1; US20090160413A1; EP2055144B1; JP2010501973A; CN101507351A; JP5021743B2; WO2008022765A1; SI2055144T1; CA2659168A1; EP2055144A1

Abstract

Zur Erhöhung der Leistung einer Induktionsheizeinrichtung (L) bzw. zur Vermeidung von Netzrückwirkungen bei der Ansteuerung dieser können bei einer Halbbrücken-Ansteuerung entweder die Pulsweiten (G1, G2) der beiden Schaltmittel (T1, T2) unsymmetrisch gemacht werden bis zur Halbzeit einer Halbwelle. Alternativ kann eine Totzeit (H1, H2) zwischen den Pulsweiten (G1, G2) verlängert werden. Dies erfolgt vorteilhaft stufenlos und kontinuierlich. So wird im Verlauf einer Halbwelle die Leistung bei unveränderter Arbeitsfrequenz reduziert und ein Induktorstrom (I<SUB>L</SUB>) weist nahezu ideale Sinusform auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsversorgung einer Induktionsheizeinrichtung sowie eine Anordnung zur Leistungsversorgung einer Induktionsheizeinrichtung.
Derartige Induktionsheizeinrichtungen werden beispielsweise als Induktionsspulen in Induktionskochfeldern eingesetzt. Dabei besteht der Wunsch nach immer höheren Leistungen, um insbesondere Kochvorgänge größerer Mengen von Flüssigkeit, beispielsweise Nudelwasser, schnell durchführen zu können.
Derzeit liegt bei etwa 3,2kW eine Grenze, ab welcher die für die Leistungsversorgung notwendigen Frequenzumrichter durch Normen vorgegebene Grenzwerte hinsichtlich der Oberschwingungen und Netzrückwirkungen überschreiten. Die Ursache für die starken Auswirkungen der Oberschwingungen bzw. insbesondere der dritten Oberschwingung liegt im Wesentlichen darin, dass sich die Permeabilität der magnetischen Komponenten im Frequenzumrichter mit der Amplitude des Induktorstromes, der durch die Induktionsspule fließt, ändert. Bei hohen Stromamplituden sinkt die Permeabilität von Ferriten odgl., die in einer Induktionsspule zur Feldführung eingesetzt werden, und auch die des Topfmaterials. Dadurch ändert sich wiederum die Induktivität der Induktionsspule im Verlauf einer Halbwelle der Versorgungsspannung und daraus folglich auch die Resonanzfrequenz eines Serienschwingkreises, wie er in der Leistungsversorgung verwendet wird. Dadurch wird letztendlich die Stromaufnahme aus dem Netz verzerrt bzw. weicht in ihrem Verlauf von dem vorgegebenen Verlauf der Versorgungsspannung ab.
Lösungen für solche Induktionsheizeinrichtungen bzw. Verfahren zu ihrer Versorgung sind beispielsweise in der nicht offengelegten DE 10 2005 028 829.4 derselben Anmelderin beschrieben. Dort wird zur Vermeidung von Netzrückwirkungen eine Arbeitsfrequenz der Schaltmittel bzw. des gesamten Frequenzumrichters im Verlauf einer Halbwelle erhöht und dann wieder abgesenkt. Diese Änderung der Arbeitsfrequenz ist jedoch steuerungstechnisch aufwendig.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine dazu geeignete Anordnung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere ohne Änderung der Arbeitsfrequenz bei höheren Leistungen bei Induktionsheizeinrichtungen Netzrückwirkungen bzw. Verzerrungen der Stromaufnahme aus dem Versorgungsnetz reduziert werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie die Anwendung des genannten Verfahrens für ein Induktionskoch feld bzw. eine Induktionsheizeinrichtung. 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. Manche der nachfolgend aufgezählten Merkmale und Eigenschaften treffen sowohl auf das Verfahren als auch auf die Anordnung oder die Anwendung zu. Sie werden teilweise nur einmal beschrieben, gelten jedoch unabhängig voneinander sowohl für das Verfahren als auch die Anordnung sowie die Anwendung.
Zur Leistungsversorgung der Induktionsheizeinrichtung dient eine Wechsel-Versorgungsspannung. Des Weiteren ist ein Frequenzumrichter vorgesehen mit schaltbaren Schaltmitteln. Eine Arbeitsfrequenz dieser Schaltmittel bzw. des Frequenzumrichters bleibt dabei im Verlauf einer Halbwelle der Wechsel-Versorgungsspannung über diese Halbwelle gesehen gleich. Erfindungsgemäß wird bei einer ersten grundsätzlichen Ausgestaltung der Erfindung eine Pulsweite der Ansteuerung der Schaltmittel bzw. des Frequenzumrichters im Verlauf einer Halbwelle geändert. Dies erfolgt dadurch, dass bis zur Halbzeit einer Halbwelle eine Pulsweite eines ersten Schaltmittels kürzer und eine Pulsweite eines anderen zweiten Schaltmittels länger gemacht wird. In der zweiten Halbzeit der Halbwelle werden die Pulsweiten wiederum so verändert, dass sie bis zum Ende der Halbwelle wieder gleich lang sind. Bevorzugt bleibt die Summe der Pulsweiten (G1, G2) gleich. Die Veränderung kann zwar unsymmetrisch zu der Halbzeit erfolgen. Vorteilhaft wird jedoch eine Veränderung der Pulsweiten symmetrisch zur Halbzeit durchgeführt.
Ein Frequenzumrichter bzw. die Leistungsversorgung für die Induktionsheizeinrichtung kann einen Serienschwingkreis aufweisen. Dieser besteht aus einer Induktionsspule für die Leistungsübertragung, Schwingkreiskondensatoren und einer Halbbrücke mit schaltbaren Schaltmitteln.
Derartige Serienschwingkreise sind für Induktionsheizeinrichtungen grundsätzlich bekannt.
So ist es möglich, durch Änderung des Pulsweitenverhältnisses in Abhängigkeit des Verlaufs der Halbwelle der Entstehung von Oberwellen entgegenzuwirken. Insofern kann dadurch bei unveränderter Arbeitsfrequenz die Leistung reduziert werden, wodurch ein in einem Schwingkreis der Leistungsversorgung fließender Strom proportional zur Wechsel-Versorgungsspannung gehalten werden kann. So werden die Netzrückwirkungen vermindert und es sind insgesamt höhere Leistungen für die Induktionsheizeinrichtung möglich.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Änderung der Pulsweiten 10% bis 40% betragen. Besonders vorteilhaft werden die Pulsweiten maximal 25% geändert, also verkürzt oder verlängert.
Bei einer zweiten grundsätzlich Ausgestaltung der Erfindung werden bei allen bzw. bei zwei in einem Serienschwingkreis vorhandenen Schaltmitteln beide Pulsweiten derart verkürzt, dass die Totzeiten dazwischen verlängert werden. Auch dies erfolgt im Verlauf einer Halbwelle, wobei bis zur Halbzeit der Halbwelle die Totzeiten länger werden und danach wieder kürzer. In diesen Totzeiten ist keines der Schaltmittel angesteuert. Eine Änderung der Totzeiten liegt vorteilhaft bei maximal 100%, also maximal eine Verdoppelung der Totzeiten zwischen kürzester Totzeit und längster Totzeit. Besonders vorteilhaft liegt die maximale Änderung etwas darunter, beispielsweise bei 50% bis 80%.
Auch durch die Verlängerung der Totzeiten zwischen den Pulsen für die Schaltmittel kann die Leistung an der Induktionsspule etwas verringert werden zur Reduzierung von Oberwellen und somit zur Reduzierung von Netzrückwirkungen.
Eine Verkürzung der Einschaltzeiten bzw. Pulsweiten der Schaltmittel erfolgt ebenso wie die Verlängerung der Totzeiten vorteilhaft symmetrisch zur Halbzeit der Halbwelle. So ist eine gleichmäßige Ansteuerung und Leistungserzeugung möglich.
In weiterer besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Änderung einer Pulsweite oder einer Totzeit über eine Netzspannungshalbwelle möglichst gleichmäßig bzw. verteilt erfolgt. Insbesondere kann eine derartige Verteilung so sein, dass die Änderung der Pulsweite oder der Totzeit im Wesentlichen einem sinusartigen Kurvenverlauf entspricht.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird für eine Änderung der Einschaltzeiten, der Pulsweiten oder der Totzeiten der Schaltmittel lediglich eine Steuerung vorgesehen und keine Regelung. Dadurch kann die Rückkopplung für eine Regelungsschleife entfallen und der Aufwand, insbesondere der Beschaltungsaufwand, ist erheblich geringer.
Eine vorgenannte Anordnung weist also einen Frequenzumrichter auf mit einem Schwingkreis, der aus der Induktionsspule, Schwingkreiskondensatoren und einer Halbbrücke mit schaltbaren Schaltmitteln aufgebaut ist. Des Weiteren ist eine Ansteuereinrichtung für die Schaltmittel vorgesehen, wobei die Arbeitsfrequenz bzw. die Einschaltzeiten der Schaltmittel beeinflusst werden können. Insbesondere können damit die Pulsweiten oder die Totzeiten wie vorgenannt verändert werden, wobei die Arbeitsfrequenz gleichgelassen wird und eine Pulsweite verkürzt oder eine Totzeit verlängert wird.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unter kombinationen 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 sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen im Wesentlichen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1 die Verläufe der Impedanz der Induktionsspule, der Betriebsspannung, der Amplitude des Induktorstromes, der Pulsweiten und der Totzeiten über der Zeit gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Schaltbild einer Anordnung zur Leistungsversorgung einer Induktionsspule gemäß der Erfindung,
3 die Verläufe der Pulsweiten und der Totzeiten nahe dem Nulldurchgang ohne Veränderung,
4 die Verläufe ähnlich 3 nahe dem Hochpunkt einer Halbwelle mit geänderten Pulsweiten,
5 die Verläufe ähnlich 3 nahe dem Hochpunkt einer Halbwelle mit geänderten Totzeiten und
6 die Verläufe der Impedanz der Induktionsspule, der Betriebsspannung, der Amplitude des Induktorstromes, der Pulsweiten und der Totzeiten über der Zeit gemäß der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist für bekannte Verfahren der Verlauf der Betriebsspannung U_b, der Impedanz Z = w·L der Induktionsspule L, des Induktorstromes I_L, der Arbeitsfrequenz f von beispielsweise etwa 20kHz, der Pulsweite G und der Totzeiten H über der Zeit dargestellt. Es ist zu erkennen, wie bei konstanter Arbeitsfrequenz f der Verlauf des Induktorstromes I_L von dem der Betriebsspannung U_b abweicht, insbesondere weicht er von der Sinusform ab. Dies führt zu den erwähnten negativen Netzrückwirkungen.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Anordnung bzw. Schaltungsanordnung 11 dargestellt. Eine Steuerung 13 steuert einen Frequenzumrichter 15 an mit zwei Schaltmitteln T₁ und T₂, beispielsweise Transistoren. Diese bilden zusammen mit einem Zwischenkreis-Kondensator C_Zw und Schwingkreiskondensatoren C_s die Ansteuerung für die Induktionsspule L. Über die Steuerung 13 wird vor allem die Arbeitsfrequenz für die Schaltmittel T₁ und T₂ und somit den Frequenzumrichter 15 vorgegeben. So werden auch die Pulsweiten G und die Totzeiten H vorgegeben.
Wird die Induktionsspule L in einer Induktionsheizeinrichtung bzw. einer Heizeinrichtung für ein Induktionskochfeld eingesetzt, so sind damit Leistungen von sogar noch mehr als 3kW bzw. 3,2kW möglich, beispielsweise 3,5kW bis 3,7 oder sogar 4kW. Somit können stärkere Induktionskochfelder gebaut werden für schnellere Ankochvorgänge bzw. die Übertragung höherer Leistungen. Der Aufwand für die Steuerung der Pulsweiten G und der Totzeiten H des Frequenzumrichters 15 bzw. der Schaltmittel T₁ und T₂ ist dabei nicht besonders hoch. Insbesondere dann, wenn deren Verläufe fest vorgegeben bzw. mit einem Steuervorgang gesteuert vorgegeben werden, hält sich der Aufwand in Grenzen, da mit vorgegebenen Verläufen gearbeitet werden kann.
In 3 sind in einem Diagramm die Pulsweiten G1 und G2 sowie die Totzeiten H1 und H2 der Transistoren T1 und T2 nach 2 zu einem Zeitpunkt in der Nähe bzw. am Netznulldurchgang dargestellt. Daraus ist zu erkennen, dass sowohl die Pulsweiten G1 als auch G2 gleich lang dauern. Ebenso sind die dazwischenliegenden Totzeiten H1 und H2 ebenfalls gleich lang zu diesem Zeitpunkt.
In 4 sind gemäß der vorgenannten ersten grundsätzlichen Ausgestaltung der Erfindung die Pulsweiten verändert. Dies bedeutet, dass bei gleichen Totzeiten H1 und H2 die Pulsweiten am Transistor T1, also G1, kürzer geworden sind, und zwar hier nahe dem Hochpunkt einer Netzhalbwelle um etwa 25% verkürzt. Die Pulsweiten G2 am Transistor T2 sind um etwa 25% verlängert worden. Durch diese unterschiedlichen Pulsweiten wird ebenfalls die Leistung an der Induktionsspule bei unveränderter Arbeitsfrequenz f etwas reduziert. Die Änderung der Pulsweiten G1 ist, wie aus 6 zu entnehmen ist, selber wiederum eine sinusartige Kurve bzw. hat einen sinusartigen Verlauf. Die minimale Pulsweite G1 findet sich jeweils am Mittel- bzw. Hochpunkt einer Netzhalbwelle. Der nicht dargestellte Verlauf G2 ergibt sich durch Spiegeln des Verlaufs für G1 an einer Linie, welche durch die maximalen Werte für G1 horizontal verläuft derart, dass die Summe (G1 + G2) stets konstant ist.
In 5 ist gemäß der zweiten grundsätzlichen Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, wie abweichend von 4 zwar die Pulsweiten G1 und G2 gleich bleiben, jedoch die Totzeiten H1 und H2 dazwischen verändert sind. Die Totzeiten H1 und H2, also vor der jeweiligen Pulsweite G1 und G2, sind im Vergleich zu 3 um etwa 60% verlängert. Auch hier kann der schematische Verlauf für H1 aus 6 entnommen werden und ist gleichzeitig derjenige für H2.
Auch mit diesem Verfahren der Änderung der Totzeiten H kann bei konstanter Arbeitsfrequenz eine sinusförmigere oder genau sinusförmige Stromaufnahme I_L erreicht werden. Auch dies kann als Wirkung aus 6 entnommen werden.
Es ist selbstverständlich, dass auch beide grundsätzlichen Ausgestaltungen der Erfindung gemeinsam angewendet werden können. In beiden Fällen gilt, dass die Veränderung der Pulsweite oder der Totzeit über einer Netzspannungshalbwelle möglichst analog bzw. spiegelsymmetrisch oder in kleinen Schritten erfolgen sollte. Dadurch kann einerseits die Bildung von Oberwellen reduziert oder vermieden werden und andererseits ist eine Geräuscherzeugung durch entstehende Leistungssprünge vermeidbar.
Es kann, wie eingangs genannt worden ist, auf eine Regelung von Pulsweite G und Totzeit H verzichtet werden und dies lediglich mit einer Steuerung durchgeführt werden. So kann der Aufwand gering gehalten werden.

Claims

Verfahren zur Leistungsversorgung einer Induktionsheizeinrichtung (L), wobei zur Leistungsversorgung eine Wechsel-Versorgungsspannung und ein Frequenzumrichter (15) mit schaltbaren Schaltmitteln (T₁, T₂) vorgesehen ist, wobei eine Arbeitsfrequenz (f) der Schaltmittel (T₁, T₂) bzw. des Frequenzumrichters (15) im Verlauf einer Halbwelle der Versorgungsspannung (U_b) über die Halbwelle gesehen gleich bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsweite (G) der Ansteuerung der Schaltmittel (T₁, T₂) bzw. des Frequenzumrichters (15) im Verlauf einer Halbwelle geändert wird derart, dass bis zur Halbzeit der Halbwelle eine Pulsweite (G1) eines ersten Schaltmittels (T₁) kürzer und eine Pulsweite (G2) eines anderen Schaltmittels (T₂) länger gemacht wird, wobei die Pulsweiten (G1, G2) bis zum Ende der Halbwellen wieder gleich lang werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Pulsweiten (G) maximal 10% bis 40% beträgt, vorzugsweise maximal 25%.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeiten (H) zwischen den Pulsweiten (G) gleich bleiben, wobei vorzugsweise die Summe der Pulsweiten (G1, G2) gleich bleibt.
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle bzw. bei zwei Schaltmitteln (T₁, T₂) beide Pulsweiten (G1, G2) verkürzt werden mit längeren Totzeiten (H1, H2) dazwischen, wobei in den Totzeiten keines der Schaltmittel angesteuert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltzeiten bzw. Pulsweiten (G1, G2) der Schaltmittel (T₁, T₂) bis zur Halbzeit der Halbwelle verkürzt werden und dann symmetrisch zur Halbzeit der Halbwelle wieder länger werden bis zum Ende der Halbwelle.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Totzeiten (H1, H2) maximal 10% bis 100% beträgt, vorzugsweise maximal 80%.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Einschaltzeiten, Totzeiten (H1, H2) oder Pulsweiten (G1, G2) der Schaltmittel (T₁, T₂) ohne Regelung und nur durch Steuern erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung einer Pulsweite (G1, G2) oder einer Totzeit (H1, H2) über eine Netzspannungshalbwelle möglichst gleichmäßig bzw. verteilt erfolgt.
Anordnung zur Leistungsversorgung einer Induktionsheizeinrichtung mit einem Frequenzumrichter (15), der einen Schwingkreis aufweist mit einer Induktionsspule (L), Schwingkreiskondensatoren (C_s) und einer Halbbrücke mit schaltbaren Schaltmitteln (T₁, T₂), wobei eine Ansteuereinrichtung (13) zur Ansteuerung der Schaltmittel (T₁, T₂) mit jeweils einer Arbeitsfrequenz (f) vorgesehen ist, wobei die Ansteuereinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, die Pulsweiten (G1, G2) oder Totzeiten (H1, H2) dahingehend zu verändern, dass bei gleichbleibender Arbeitsfrequenz (f) wenigstens vorübergehend eine Pulsweite verkürzt oder eine Totzeit verlängert wird.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für ein Induktionskochfeld mit mindestens einer Induktionsheizeinrichtung bzw. für eine Induktionsheizeinrichtung (L).