DE2230186A1

DE2230186A1 - Induktionskochgeraet

Info

Publication number: DE2230186A1
Application number: DE2230186A
Authority: DE
Inventors: David Lee Bowers; Jun John Davis Harnden; Donald Sackfield Heidtmann
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-11-19
Filing date: 1972-06-21
Publication date: 1973-05-24
Also published as: FR2160363A1; JPS4954935A; AU4340672A; GB1389574A; IT956804B; CA956704A; US3814888A; AU460474B2; JPS5417177B2; FR2160363B1; DE2230186C2; NL7208375A

Description

Induktionskochgerät

Die Erfindung bezieht sich auf Kochgeräte auf der Basis der
Induktionserwärmung und insbesondere auf Festkörper-Induktionskochgeräte, die in einem Ultraschallherd betrieben werden.

Bisher werden Speisen gewöhnlich auf einem Gas- oder Elektroherd gekocht, wobei sich ein die Speisen enthaltendes Kochgeschirr in direktem Kontakt mit der Gasflamme oder einer elektrischen Widerstandsheizspirale befindet. Der Wärmeübergang
auf das Kochgeschirr erfolgt durch die ineffizienten Vorgänge Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Darüber hinaus bestehen zusätzliche Wärmeverluste an die Umgebung. Die Temperatur

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der Wärmequelle ist deshalb recht hoch und führt infolge des Vorhandenseins eines Fettfilmes zu einer Verfärbung des Kochgeschirrs. Ferner besteht ein Reinigungsproblem beim Entfernen ver*- spritzter, verkohlter Speisen und Fett von dem Kochgeschirr und dem freiliegenden Brenner oder der Spuleneinheit.

Die Anwendung der Induktionserwärmung zur Erhitzung eines Kochgeschirres direkt oder mittels einer Metallplatte, auf der das ^x Kochgeschirr steht, ist zwar seit einer Reihe von Jahren allgemein bekannt, hat aber bisher noch nicht zu einem erfolgreichen Erzeugnis geführt. Der Grundmechanismus besteht darin, daß ein durch eine Induktionsheizspule erzeugtes magnetisches Wechselfeld über einen Luftspalt magnetisch mit dem Kochgeschirrboden oder einer Tragplatte gekoppelt wird, die als eine eine einzige Windung aufweisende Sekundärwicklung wirkt. Bekannte Induktionskochgeräte wurden als Wirbelstrom-Kocher bezeichnet, da angenommen wurde, daß die Wärme hauptsächlich durch die Zirkulation induzierter Wirbelströme in dem Kochgeschirr erzeugt werden. Da die Wärme nur in dem metallischen Kochgeschirr erzeugt wird, wo sie auch erwünscht ist, ist das Verfahren theoretisch effizient. In der Praxis jedoch war die bekannte Ausrüstung zur Erzeugung des variierenden Magnetfeldes nicht zufriedenstellend. Elektrische Herde, die zur Verfügung stehende Netzfrequenzen von 50 oder 60 Hz verwenden, um die Induktionsspule zu erregen, sind auf Grund der Größe des erforderlichen Magnetflusses unzureichend und erfordern viel Platz. Auf Grund der Raum-, Kosten- und Betriebsprobleme, die mit den bekannten Hochfrequenz-Leistungsquellen verbunden waren, wurden Wirbelstromkocher vorgeschlagen, die einen Elektromotor verwenden, um eine horizontale Scheibe mit einer kreisförmigen Anordnung von abwechselnd gepolten Permanentmagneten zu drehen. Die rotierenden Magnete riefen ein magnetisches Wechselfeld hervor, das mit dem Kochgeschirr magnetisch gekoppelt wurde, um dieses zu erwärmen. Abgesehen davon, daß sie für einen modernen Herd mit einem Ofen odei einem Ausgabetisch-Koch- oder Wärmegerät unpraktisch groß sind, besteht eine nicht effiziente Leistungsumwandlung, da die elektrische Leistung doppelt benutzt wird, nämlich beim Antrieb des Motors und dann bei der Erzeugung des magnetischen

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Wechselfeldes. Andere Nachteile, wie z.B. Vibration, Geräusch und ein schlechtes Verfahren der Leistungsregelung, machen diese Wirbelst rora-Kocher für einen breiten Anwendungsbereich unattraktiv.

Die aufkommende Handhabung von Leistung durch Festkörper-Bauelemente macht die Lösung einar Anzahl von Problemen möglich, die bei den bekannten Induktionskochgeräten auftraten. Hierzu gehört die teure und sichere Erzeugung einer Hochfrequeneleistung. Die vorliegende Erfindung ist auf dieses und andere Merkmale verbesserter Haushalts- und kommerzieller Kochgeräte gerichtet, die auf den Prinzipien der Induktionserwärmung basieren.

Erf.indungsgemäß enthält ein Festkörper-Kochgerät zur induktiven Erwärmung eines Kochgeschirres einen im wesentlichen nicht-metallischen, plattenähnlichen Träger mit einer im wesentlichen ununterbrochenen und vorzugsweise planaren Auflagenfläche für das Kochgeschirr. Eine ebene oder nominell ebene Induktionsheizspule, die nahe dem Träger angeordnet ist, erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das sich über einen Luftspalt einschließlich des Trägers erstreckt, um so mit den metallischen Abschnitten des Kochgeschirres gekoppelt zu werden. Eine statische Leistungswandlerschaltung, die üblicherweise einen Gleichrichter und einen Festkörper- Inverter enthält, wandelt eine Speisespannung in eine Ultraschallausgangsfrequenz um, um die Induktionsheizspule zu erregen.

In den hier beschriebenen Ausftihrungsbeispielen ist der Festkörper-Inverter ein durch einen Reihenkondensator kommutierter Sinuswelleninverter in Halbbrückenschaltung, wobei zwei steuerbare Festkörper-Leistungsbauelemente verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel enthält die Induktionsheizspule ein Paar Reihenhilfsspulen gleicher Windungszahl, die mit den Leistungsbauelementen in Reihe geschaltet sind. Die Spule hat die doppelte Funktion, auch die Kommutierungsinduktivität in den Resonanz-Kommutierungsschaltungen zu sein. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Induktionsheizspule eine einzige spiralförmige Spule, die in einen in zwei Richtungen leitenden Zweig des Inverters geschaltet ist, und hierfür ist eine getrennte Kommutierungsinduktivität vorgesehen. Die Ausgangsfrequenz des Inverters ist variabel, um die mit

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dem Kochgeschirr und deshalb mit der Kochtemperatur gekoppelte Leistung einzustellen. Andere Verfahren zur Steuerung der Ausgangsleistung bestehen darin, die Eingangsspannung durch Verwendung eines phasengesteuerten Gleichrichters zu verändern, die Größe der Kommutierungskapazität zu verändern oder eine angezapfte Induktionsheizspule zu verwenden. Darüber hinaus kann ein auf die Kochgeschirrtemperatur ansprechender Sensor, wie z.B. ein Thermostat, verwendet werden, um den Inverter zu regeln.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Festkörper-Leistungswandlers zur Einspeisung einer Leistung mit Ultraschallfrequenz in eine Induktionsheizspule in Form einer flachen Spirale, die in einer Draufsicht gezeigt ist, in einem erfindungsgemäß aufgebauten Kochgerät.

Fig. 2 ist eine schematische vertikale Querschnittsdarstellung und zeigt die Relation der Induktionsheizspule in Bezug auf den Kochgeschirrträger und das Kochgeschirr.

Fig. 3 ist eine vereinfachte perspektivische Darstellung und zeigt den glatten Kochgeschirrträger der Kochstelleneinheit mit einem darauf befindlichen Kochgeschirr.

Fig. 4 ist ein detailliertes schematisches Schaltbild von einem Ausführungsbeispiel des statischen Leistungswandlers, der einen Gleichrichter und einen Serienresonanzinverter aufweist, der die Induktionsheizspule in einer doppelten Funktion als die Kommutierungsinduktivität verwendet.

Figuren 5a und 5b sind Kurvenbilder und zeigen den Strom der der Unduktionsheizspule durch die Schaltung gemäß Fig. 4 für zwei verschiedene Folgefrequenzen der Festkörperschaltung zugeführt wird, um die Größe der in dem Kochgeschirr er-

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zeugten Wärme einzustellen.

Fig. 6 ist ein vereinfachtes Schaltbild von einem anderen Ausführungsbeispiel des Inverters gemäß Fig. 4 in der Frequenzdopplerkonfiguration mit dem Zusatz einer Kommutie- . rungsinduktivität, die von der Induktionsheizspule getrennt ist.

Fig. 7 ist ein detailliertes Schematisches Schaltbild von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ähnlich wie Fig. 4, aber mit einer modif iziarten Inverter- und Zündschaltung und einem unterschiedlichen Anschluß der Induktionsheizspule.

Fig. 8 ist ein Kurvenbild des Stromes der Induktionsheizspule, der von dem Leistungswandler gemäß Fig. 6 erzeugt wird.

Fig. 9 ist eine einfache Darstellung einer angezapften Induktionsheizspule, die in dem Konverter gemäß Fig. 7 verwendet werden kann, um die Ausgangsleistung zu steuern.

Fig.10 ist ein detailliertes Schaltbild der in Fig. 7 in Blockform dargestellten Zündschaltung mit der Modifikation, daß ein Temperatursensor zur Steuerung des Betriebes der Zündschaltung verwendet ist.

Das Induktionskochgerät, wie es in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist, wird zwar anhand einer Oberflächeninduktionseinheit in einem Elektroherd beschrieben, jedoch kann die im wesentlichen gleiche Konstruktion und Schaltung auch in einem Ausgabetischgerät (counter-top appliance) zum Kochen und Wärmen von Speisen enthalten sein. Die statische Leistungswandlerschaltung, die insgesamt mit 12 bezeichnet ist, ist insbesondere für eine Speisung aus einer einphasigen, kommerziell verfügbaren Wechselspannungsquelle mit 60 (50) Hz und 120 oder 240 Volt geeignet. Die Anordnung kann jedoch in entsprechenden Fällen auch für eine Verwendung im Zusammenhang mit anderen Niederfrequenz-, Niederspannungsquellen oder

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einer Gleichspannungsquelle ausgelegt werden. Die statische Leistungswandlerschaltung 12 enthält im allgemeinen einen Gleichrichter 13 und einen Festkörperinverter 14 zur Umwandlung der gleichgerichteten Gleichrichterausgangsgröße in eine Ultraschallfrequenz zur Speisung der Induktionsheizspule 15. Die Induktionsheizspule 15 ist eine einschichtige, ringförmige Eisenkernspule in Form einer flachen Spirale, die aus einem isolierten runden Leiterdraht oder einem flachen Band mit einem rechtwinkligen Querschnitt gewickelt ist. Damit genügend Magnetfluß erzeugt wird, um das Kochgeschirr auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen, ist die Spule 15 im allgemeinen dicht gewickelt, wobei aufeinanderfolgende isolierte Windungen unmittelbar aneinander angrenzen. Zu Darstellungszwecken ist die Spule in Fig. 1 etwas schematisch dargestellt.

In dem Kochgerät gemäß Fig. 2 ist eine Induktionsheizspule 15 auf zweckmäßige Weise in einer horizontalen Lage unmittelbar unterhalb eines nicht-metallischen Trägers 16 angebracht, der üblicherweise aus einer dünnen Schicht aus Glas oder Kunststoff hergestellt ist. Falls es erforderlich ist, kann der Träger 16 einen gewissen Metallgehalt zur elektrostatischen Abschirmung oder aus dekorativen Zwecken aufweisen; dieser ist jedoch notwendigerweise auf eine kleine Menge begrenzt, damit nahezu die gesamte Leistung mit dem Kochgeschirr gekoppelt ist. Der nicht-metallische Träger 16 wird gewöhnlich als die Kochfläche bezeichnet und trägt das zu erwärmende metallische Kochgeschirr 17. Dieses Kochgeschirr 17 kann insbesondere ein üblicher Kochtopf oder Kochpfanne, eine Bratpfanne * oder irgendein anderes verfügbares Kochgeschirr aus Metall sein, das bei der Herstellung von S^peisen verwendet wird. Das Kochgeschirr kann aus einem magnetischen Material, wie z.B. magnetischem rostfreiem Stahl oder Gußeisen, einem nicht magnetischen Material, wie Aluminium, oder einem geschichteten Produkt hergestellt sein, wie z.B. Kupfer auf rostfreiem Stahl. Spezielle Kochgeräte sind nicht erforderlich, obwohl die besten und wirksamsten Ergebnisse durch eine Optimierung der Größe, Form und des Materials des Kochgeschirres erhalten werden können. Es ist wichtig, daß für den besten Gesamtwirkungsgrad die Impedanz des Kochgeschirres an die-

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jenige des Inverters angepaßt ist. Gewähnlich ergeben einen hohen Widerstand aufweisende magnetische Materialien eine bessere Anpassung von Leistungsquelle und Last, während sie andererseits

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einen größeren Stromwärmeverlust (I R) liefern. Ein Spalt von wenigstens 3 mm (1/8 Zoll) ist zwischen der Oberseite der Spule 15 und der Unterseite des Kochgerätes 17 erforderlich, um Raum für den nicht-metallischen Träger 16 zu liefern, und dieser Spalt ist nicht größer als etwa 12,5 mm (1/2 Zoll) bei voller Nennleistung, damit genügend Leistung in die Unterseite des Kochgeschirres eingekoppelt wird, um eine adäquate Erwärmung für Kochzwecke zu erzeugen. Ein ferromagnetischer Kern 18 für die Induktionsheizspule 15 ist horizontal unterhalb der Spule angebracht und durch einen vorbestimmten Luftspalt von der Spule beabstandet. Der Kern 18 ist geeigneterweise eine kreisförmige lam>ellierte bzw. geschichtete Stahlplatte mit einem Radius, der etwa gleich demjenigen der Spule 15 ist. Der ferromagnetische Kern dient als ein Pfad hoher Permeabilität £ür den magnetischen Rückfluß. Ein derartiger Pfad ist bei 19 dargestellt.

Der Betrieb des Festkörperinverters 14, um der Induktionsheizspule 15 eine Ultraschallfrequenz aufzudrücken, führt zur Erzeugung eines variierenden oder wechselnden Magnetfeldes. Das an der Oberseite der Spule 15 erzeugte magnetische Wechselfeld ist direkt über den Luftspalt und durch den nicht-metallischen Träger 16 hindurch mit dem Kochgeschirr 17 gekoppelt. Ein magnetisches Wechselfeld wird auch an der Unterseite der Spule 15 erzeugt, und ein Teil dieses magnetischen Flusses ist durch die verkürzten magnetischen Rückkehrpfade 19, die von dem ferromagnetischen Kern 18 gebildet werden, mit dem Kochgeschirr 17 gekoppelt. Eine Ultraschallfrequenz von mehr als 18 kHz oder eine ähnliche Größe wird normalerweise als der obere Bereich des menschlichen Gehörvermögens betrachtet und ist ausgewählt, um das Kochgerät für die meisten Menschen unhörbar zu machen. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist der nicht-metallische Träger 16, der, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, vorzugsweise eine glatte und nicht unterbrochene Oberfläche aufweist. Bei Ultraschallfrequenzen bestehen unbedeutende Reaktionskräfte, die,

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falls sie vorhanden wären, dazu führen würden, daß sich das Kochgeschirr 17 in horizontaler Richtung bewegt, wenn es auf dem Kochgerät oberhalb der Induktionsheizspule 15 angeordnet ist. Der Übergang von Energie auf das Kochgeschirr 17, um dieses zu erwärmen, ist relativ effizient, da Wärme nur in dem Kochgeschirr erzeugt wird und wenig Energie aufgrund einer Fehlanpassung in der Größe zwischen der Spule und dem Kochgeschirr verlorengeht. Obwohl die Induktionsheizspule 15 eine gewisse Wärme erzeugt und eine Kühlung erforderlich sein kann, ist die Oberfläche des Trägers 16 relativ kalt, da die höchsten auftretenden Temperaturen bei etwa 230 C (45O°F) liegen. Dies ist in etwa die maximale Temperatur, auf die der Boden des Kochgeschirres 17 erwärmt wird, um eine Speise beispielsweise beim Braten bzw. Schmoren zu garen. Aufgrund der kalten Kochfläche brennen und verkohlen verspritzte Speisen gewöhnlich nicht, und deshalb sind sowohl der Träger 16 als auch das Kochgeschirr 17 einfach zu reinigen. Die kalte, glatte Kochfläche ermöglicht es auch, diese vor dem Kochen oder selbst unmittelbar nach dem Kochen für andere Funktionen bei der Herstellung der Speisen zu verwenden, wie z.B. zum Öffnen von Dosen, Anrichten und Schneiden von Gemüse, Übertragen der gekochten Speisen von dem Kochgeschirr auf einen Portionsteller usw. Das Kochgeschirr wird gleichmäßiger erwärmt, als dies beim konventionellen Gas- und Elektroherd mit Widerstandserwärmung der Fall ist. Ein weiterer Vorteil des Induktionskochens besteht darin, daß die Induktionserwärmung, zu einem System mit geringer thermischer Masse führt. Da nur eine relativ geringe Wärmemenge in dem Kochgeschirr 17 selbst gespeichert wird, kann die Temperatur, auf die das Kochgeschirr erwärmt wird, relativ schnell von Koch- auf Brodel- und auf Wärmtemperaturen verändert werden.

Ein Ausführun^sbeispiel der statischen Leistungswandlerschaltunp; 12 zur Frzeu^ung der Ultraschallfrequenz zur Speisung der Induktionsheizspule 15 ist in Fig. 4 gezeigt. Der Festkörperinverter 14 ist ein durch einen Sorienkondensator kommutierter Inverter in Halbbrückensehaltung, wobei als Stromschaltvorrichtungen Thyristoren verwendet werden. Dies ist eine bekannte Art eines Inverters, der ein Paar Seiienresonanzschaltiinpren aufweist, die si-

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nusförmige Impulse entgegengesetzter Polarität erzeugen. Obwohl für die Induktionserwärmung auch geradlinige Wellenformen verwendet werden können, ist gefunden worden, daß Sinuswellen für Induktionskochapplikationen vorzuziehen sind. Dies liegt daran, daß Sinuswellen auf der Festkörper-Schaltvorrichtung leichter sind, insbesondere im Hinblick auf den Wunsch, bei höheren Frequenzen zu arbeiten. Die dynamischen Nenndaten der Vorrichtung sind für Sinuswellen günstiger. Vom Standpunkt der Verwendung aus ist der Oberwellengehalt auch günstiger für Sinuswellen, der sich auf rfi, tfi und mögliche Gesundheitsprobleme bezieht. Die beim Inverter gemäß Fig. 4 gemachte Innovation besteht darin, daß die Induktionsheizspule 15 die doppelte Funktion hat, auch die Kommutierungsinduktivität für die Serienresonanzschaltungen zu sein. *

[padiofreauenzstörung, Telephonfreauenzstörung]

Die Eingangsklemmen 21 und 22 des Leistungswandlers können mit einer Wechselspannungseinspeisung von 120 Volt und 60 Hz verbunden sein. Der Leistungseinspeisungsabschnitt der Konverterschaltung enthält einen Vollweg-Diodenbrückengleichrichter 13 und einen Filterkondensator 24. Eine konstante Gleichspannung für den Inverter 14 ist zwischen Gleichspannungsklemmen 25 und 26 vorgesehen. Der Inverter 14 enthält im wesentlichen einen ersten Thyristor 27, eine Induktionsheizspule 15 und einenjzweiten Thyristor 28, die in Reihe zwischen die Gleichspannungsklemmen 25 und 26 geschaltet sind. Die Induktionsheizspule 15 ist als ein Paar Reihenhilfsspulen gleicher Windungszahl 15a und 15b gewickelt^ und der Verbindungspunkt 15c der zwei Spulen ist direkt mit dem Verbindungspunkt 29 "zwischen zwei Kommutierungskondensatoren 30 und 31 verbunden, die ihrerseits mit den Gleichspannungsklemmen in Reihe geschaltet sind.

In Fig. 1 ist die räumliche Anordnung der Induktionsspule 15 gezeigt, um die in Fig. 4 gezeigte elektrische Verbindung zu erhalten. Die Spulen 15a und 15b gleicher Windungszahl sind mit jeweils zwei Drähten gewickelt, wobei ein isolierter runder Kupferdraht verwendet wird. Diese Spulen sind als flache Spiralspulen oder Flach- bzw. Scheibenspulen bekannt. Obwohl die Spule 15 gewöhnlich flach bzw. eben ist, kann erfindungsgemäß auch eine

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nominell ebene Spule verwendet werden, wie z.B« eine Spule, die leicht schalenförmig ist, um die magnetische Feldverteilung zu verbessern. Um die Serienhilfsverbindung der zwei SpulenlSa und 15b zu erhalten, ist das innere Ende der Spule 15a mit dem äusseren Ende der Spule 15b verbunden. Dies ist der in Fig. 4 gezeigte Punkt 15c. In Bezug auf die Kochgeschirrlast wirken die Abschnitte 15a bzw. 15b der Induktionsheizspule als die Primärwicklung eines Eisenkerntransformators. Das Kochgeschirr 17 wirkt als eine Sekundärwicklung mit einer einzigen Windung, wobei ein Reihenwiderstand 32 den widerstandsbehafteten Teil der Stromwärme-, Wirbelstrom- und Hystereseverluste darstellt. Die Verluste im Kochgeschirr 17 sind die Inverterlast.

Die Thyristoren 27 und 28 sind vorzugsweise in eine Richtung leitende steuerbare Siliciumgleichrichter. Es können aber auch andere geeignete Leistungshalbleiter verwendet werden, Wie z.B. das Diac oder Triac, die in einer Richtung betrieben werden,oder Transistorenpaare. Diese Festkörper-Leistungselemente sind im einzelnen beschrieben in dem SILICON CONTROLLED RECTIER MANUAL, 4. Aufl., veröffentlicht von der General Electric Company, Semiconductor Products Department, Electronics Park, Syracuse, New York, 1.967. In diesem Typ der durch einen Reihenkondensator kommutierten Inverterschaltung leiten die Thyristoren 27 und 28 abwechselnd, und die Kommutierungsschaltung für jede Vorrichtung ist die Serienresonanzschaltung mit den Abschnitten 15a oder 15b der Induktionsheizspule, die mit den entsprechenden Kommutierungskondensatoren 30 und 3 1 in Serie geschaltet sind. Genau genommen, enthält die Kommutierungsinduktivität in jeder Halbwello nicht nur die Induktivität der Abschnitte 15a oder 15b der Induktionsheizspule, sondern auch die transformierte äquivalente Induktivität des Kochgeschirres 17. Di.- letztere ist jedoch gewöhn 1 Leu der kleinere Anteil der Kof.iacier ungsindukt Lvität. Sowohl dio obere als auch die unt~- .' Sorieuresonanzschaltung ist auf einn Resonanzfrequenz ab --.ost immt, die höher liegt als die höchste gewünschte Invert υrausgangsfrequenz. Eine Einschaltung des Thyristors 27, nobel unbenommen soi, daß der andere Thyristor nicht leitend ad, bewirkt, daß ein gedämpfter halber Sinus impuls des

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Stromflusses durch den Abschnitt 15a der Induktionsheizspule fließt, wenn sich der Kommutierungskondensator 31 auflädt und der Kommutierungskondensator 30 sich gleichzeitig über den Thyristor 27 und die Spule 15a entlädt. Am Ende der Halbwelle nähert sich der Strom in der Serienresonanzschaltung theoretisch dem Wert Null, und das Potential an der Verbindungsstelle 29 zwischen den Kommutierungskondensatoren 30 und 31 steigt über die Spannung auf der positiven Sammelschiene 25 der Gleichstromeinspeisung an, wodurch der Thyristor 27 in umgekehrter Richtung vorgespannt wird, so daß er abschaltet. Wenn er leitend gemacht ist,.bewirkt der andere Thyristor 28 in der negativen Halbwelle durch die Autotransformatorwirkung, daß die Spule 15a einen steilen positiven Impuls an die Kathode des Thyristors 27 legt, wodurch dessen vollständige Abschaltung sichergestellt wird.

Die Steuerschaltungen für die Thyristoren 27 und 28 haben eine Bezugs-Nebenrelation (reference-slave relationship), so daß eine Betätigung der Bezugssteuerschaltung zu einer gewählten Zeit ein« wilständigen Betriebszyklus der Inverterschaltung einschließlich einer automatischen Erregung der Nebensteuerschaltung bewirkt. Die Folgefrequenz der Bezugssteuerschaltung ist ferner steuerbar, um die in das Kochgeschirr 17 eingespeiste Wirkleistung einzustellen, um das Kochgeschirr auf verschiedene Tempraturen zu erwärmen. Die Bezugssteuerschaltung für den Thyristor 28 ist durch einen Schalter 33 gesteuert, der mit der positiven Klemme 25 der Gleichstromeinspeisung verbunden ist. Die Bezugssteuerschaltung weist einen Widerstand 35 auf, der mit einer Zenerdiode in Reihe geschaltet ist, um eine geregelte Spannungsquelle für eine RC-Ladeschaltung zu liefern. Die Zeitschaltung, die der Zenerdiode 36 parallel geschaltet ist, enthält ein Paar Widerstände 37 und 38, von denen der eine einstellbar ist, und einen Zeitsteuerkondensator 39. Der Stellwiderstand 38 ist für den Benutzer des Kochgerätes verfügbar, um die Zeitkonstante der Zeitschaltung und deshalb die Folgefrequenz der Erzeugung von Zündimpulsen einzustellen. Der Ein/Ausschalter 33 ist ebenfalls auf dem Gerät angebracht, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, um durch den Benutzer von Hand betätigt zu werden. Selbstverständlich können beidn

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Steuerglieder auf einem einzigen Knopf angeordnet sein. Eine Shockley-Diode 40 oder ein anderer geeigneter Halbleiter, der auf ein Spannungssignal anspricht, ist mit der Verbindung des Widerstandes 38 und des Zeitsteuerkondensators 39 und ebenfalls mit der Steuerelektrode des Thyristors 28 verbunden. Die Shockley-Diode 40 schlägt über und wird leitend, wenn der Zeitsteuerkondensator 3 9 auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen ist. Die Bözugssteuerschaltung wird von einem Vorspannungswiderstand 41 vervollständigt, der zwischen die Kathode und die Steuerelektrode des Thyristors 28 geschaltet ist. Ein Thyrector 42, der über die Lastklemmen des Thyristors 28 geschaltet ist, liefert den Überspannungsschutz für die Vorrichtung. Die Nebensteuerschaltung, die mit dem anderen Thyristor 27 verbunden ist, ist ähnlich, und identische Bauelemente sind mit entsprechenden Bezugszahlen sowie einem Häkchen bezeichnet. Der einzige Unterschied besteht darin, daß der Widerstand 43 direkt über die Zenerdiode 36· geschaltet ist, um einen Nebenpfad der Nebensteuerschaltung zu bilden, dessen Zweck noch näher erläutert wird.

Es wird nun die Arbeitsweise des Induktionskochgerätes unter Verwendung der in Fig. 4 dargestellten statischen Leistungswandlerschaltung betrachtet. Wenn sich beide Thyristoren 27 im gesperrten Zustand befinden, wird jeder Streustrom durch die Widerstände 37· und 43 um den Thyristor 27 herum ge-führt und die volle Gleichspannung wird dem anderen Thyristor 28 aufgedrückt. Ein erstes Schließen des Schalters 33 legt eine Spannung an die Bezugssteuerschaltung, um den Thyristor 28 zu zünden. Der Schalter 33 wird nicht geschlossen, bis die Schaltung mit Energie versorgt und eine Gleichstromleistung verfügbar ist. Eine in etwa konstante Spannungsquello für die Zeitsteuerschaltung wird durch die Zenerdiode 36 gebildet, und die Spannung über dem Zeitsteuerkondensator 39 baut sich mit einer Geschwindigkeit auf, die von der Zeitkonstante des HC-Serienkreises ausden Elementen 37 - 39 abhängig ist. Bei einer vorbestimmten Spannung leitet die Shockley-Diode 40 und dem Thyristor 28 wird ein Steuersignal zugeführt, wenn sich der Zeitsteue !'kondensat or 39 über die Diode 40 und den Gate-KathodenkroiiJ des Thyristors entlädt, wodurch auch der Zoit-

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Steuerkondensator zurückgestellt bzw. entladen wird. Der Thyristor 28 beginnt zu leiten und bringt die Spannung auf den geladenen Kondensierungskondensator 31 über den Abschnitt 15b der Induktionsheizspule, und zur gleichen Zeit wird durch die Autotransformatorwirkung ein starker umgekehrter Spannungsimpuls an den Thyristor 27 angelegt. In der Serienresonanzschaltung wird eine negative Sinushalbwelle eines Stromimpulses erzeugt, und der Thyristor 28 leitet, bis der Strom durch die Vorrichtung unter den Haltewert abfällt. Der Koramutierungskondensator 31 entlädt sich, während sich zur gleichen Zeit der Kommutierungskondensator 30 auflädt und am Ende der Halbwelle ist der Verbindungspunkt 29 relativ zur Sammelschiene 26 Gleichstromeinspeisung negativ. Die Spannung über dem geladenen Kommutierungskondensator 30 ist die Quellenspannung für die zum Thyristor 27 gehörige Nebensteuerschaltung.

Die zum Thyristor 27 gehörige Nebensteuerschaltung arbeitet in der gleichen Weise wie die Bezugssteuerschaltung. Die S-pannung über dem Thyristor 27 ändert sich, aber die Spannung an der Zeitsteuerschaltung in der Nebensteuerschaltung wird durch die Zenerdiode 36' geregelt. Nach der vorbestimmten Zeitverzögerung für den Zeitsteuerkondensator 39', um sich aufzuladen und die Shockley-Diode 40' leitend zu machen, zündet der Thyristor 27, wodurch der geladene Kommutierungskondensator 30 dem Abschnitt 15a der Induktionsheizspule parallel geschaltet und durch die Transformatorwirkung ein steiler negativer Impuls im Abschnitt 15b der Induktionsheizspule induziert wird, der eine Abschaltung des Thyristors 28 sicherstellt. In der oberen Serienresonanzschaltung wird ein Impuls in Form einer Sinushalbwelle positiver Polarität erzeugt, Jedesmal wenn ein sinusförmiger Stromimpuls in den Abschnitten 15a und 15b der Induktionsheizspule fließt, werden in dem Kochgeschirr 17 selbstverständlich Spannungen und Ströme induziert, die durch die Transformatorgesetze bestimmt sind, um in dem Kochgeschirr eine induktive Erwärmung zu bewirken. Die Wellenformen des Induktionsspulenstromes sind in Fig. 5a gezeigt. In den Abschnitten 15a und ί 5b der Induktionsheizspülo werden Sinushalbwellenimpulse entgegengesetzter Polarität nit der Zeitverzögerung zwischen den zwei Halbwellen entgegengesetzter

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Polarität erzeugt, die eine Ausschaltzeit für den Thyristor 28 liefert. Die Zeitverzögerung 45 zwischen vollen Wellen des Inverterausgangsstromes ist von der Folgefrequenz der Bezugssteuerschaltung abhängig, die durch die Einstellung des Stellwiderstandes 38 bestimmt wird. Durch Vergrößerung der Folgefrequenz, wie sie in Fig. 5b gezeigt ist, wird die Zeitverzögerung 45 zwischen vollen Schwingungen verkürzt, wodurch die mittlere, dem Kochgeschiir zugeführte Leistung vergrößert wird. Somit verändert eine Vergrößerung und Verkleinerung der Folgefrequenz die Inverterausgangsfrequenz und die dem Kochgeschirr 17 zugeführte Leistung, um für eine Einstellung der Erwärmung und der Kochtemperatur zu sorgen. Die Frequenzgrenze an dem einen Ende ist der Schwellwert der Ultraschallfrequenzen (18 kHz), während sie am oberen Ende kleiner fet als die Resonanzfrequenz der Reihenkommutierungsschaltungen.

Damit nur unbedeutende, auf das Kochgeschirr 17 einwirkende Reaktionskräfte bestehen, die dieses in horizontaler Richtung-bewegen oder vibrieren lassen würden, sei bemerkt, daß ein genügend großer Filterkondensator 24 mit einer einphasigen gleichgerichteten Quelle, wie es hier dargestellt ist, verwendet werden muß, um eine wesentliche Glättung der Eingangsgleichspannung in dem Inverter zu erhalten. Ferner ist die spannungsgesteuerte Zeitsteuerschaltung erforderlich, um die gleichmäßige Energiezuführung zum Kochgeschirr sicherzustellen. Eine durch diese Schaltungselemente hervorgerufene zu große Welligkeit (scimping) führt zur Erzeugung mechanischer Kräfte, die auf das Kochgeschirr einwirken. Im Gegensatz dazu wird das Gerät gemäß Fig. 7 von einer dreiphasigen Spannung gespeist, die auf einen dreiphasigen Gleichrichter arbeitet, der eine besser geregelte Gleichspannung erzeugt. Infolgedessen sind an den Filterkondensator 1?4 vmiger strenge Anforderungen zu stellen und eine.spannungsregulierke Steuerschaltung ist nicht unbedingt erfoxdorlich.

Die spezifischen Bezugs- und Nebensteiierschalt ungen für die Thyristoren 27 und 28 in Fig. -1 können durch andere Steuersignaltuiigiianorilnungen ersetzt wurden. Il· ifj{ifc>l;iwoi in können beide V'ündschaltungen für beide rhyriit ornn ubhiingiK fii'«m'.;ht v/fiil.'n, indem

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die über den entsprechenden Leistungselementen auftretende Spannung verwendet wird. Gemäß einer anderen Abwandlung wird nur eine Steuerschaltung mit einer Shockley-Diode für beide Thyristoren verwendet. Der Unterschied liegt darin, daß die Ausgangsgröße von der einen Steuerschaltung einem Impulstransformator mit zwei Sekundärwicklungen zugeführt wird, von denen je eine Wicklung an den Gate-Kathodenkreis von jeder Thyristoreinheit gelegt wird. Die Steuerschaltung muß im Vergleich zu Fig. 4 mit der doppelten Frequenz betrieben werden. In jeder dieser Schaltungen kann die Shockley-Diode durch einen Unijunction-Transistor ersetzt werden und anstelle der Schutzthyrectoren 42 und 42· können Zinkoxid-Varistoren verwendet werden. Es sind auch noch andere Steuerschaltungsanordnungen möglich, in denen die Steuerschaltungen für die Thyristoren 27 und 28 ohne Verwendung der Nebensteuerschaltung synchronisiert sind.

Bei einer auäRihr-baren Oberflächeninduktionseinheit eines Herdes muß der Induktionsheizspule eine maximale Leistung von etwa 1 bis 1 1/2 Kilowatt zugeführt werden. Die Leistungsanforderungen eines Wärmgerätes sind anspruchsloser und eine maximale Leistung in dem Bereich von 200 - 400 Watt ist ausreichend. Bei einer richtigen Auswahl der Bauteile kann das Induktionskochgerät, wie es in den Figuren 1 bis 4 beschrieben ist, in jeder Größe gebaut werden, so daß es mit den üblichen Größen zur Verfügung stehender Kochgeschirre verwendbar ist. Diese Kochgeräte werden darüber hinaus von einer 120 Volt Netzspannung versorgt, anstatt daß ein spezieller 240 Volt-Anschluß erforderlich ist. Ein Vorteil des in Fig. 4 gezeigten Festkörperinverters besteht darin, daß die Induktionsheizspulen 15a und 15b die doppelte Funktion haben, dor Lasttransformator und die Kommutierungsinduktivität dor Reihonkondensator-Kommutierungsschaltungei zu sein. Die Induktionsspuleneinheit muß die richtige Größe der Kommutierungsinduktivität bei normalem Betrieb des Inverters liefern und desgleichen im Leerlauf kommutiorai können. Ein Las1 verlust kann in einem InduktionaUoohgerät leicht auftreten, da es zu erwarten ist, daß das Kochgeschirr 17 zeitweise ohne Abschalten der Leistung ijntfnrnt oder iiai-h dem Kochen der Speisen abgenommen wird, beeor

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die Einheit abgeschaltet wird. Gleichzeitig muß eine ausführbare Transformatorrelation zwischen der Induktionsspuleneinheit 15 und dem Kochgeschirr 17 bestehen. Die in Fig. 6 gezeigte Abänderung des Inverters 14 verwendet eine in der Mitte angezapfte Kommutierungsinduktivität 46, die von der Induktionsheizspule getrennt und unterschiedlich ist. Auf diese Weise können die zwei induktiven Komponenten so ausgelegt werden, daß die einzelnen Schaltfunktionen, die sie ausüben, optimiert sind. In dem abgewandelten Ausführungsbeispiel ist die Induktionsheizspule 15 der Kommutierungsinduktivität 46 parallel geschaltet. Diese Anordnung ist als die Halbbrücken-Frequenzdopplerschaltung bekannt. Die Induktionsheizspule 15 ist in diesem Beispiel eine einzige Flachspule anstelle der zwei getrennten Serienhilfsspulen gleicher Windungszahl, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Das Ausführungsbeispiel der Leistungswandlerschaltung 12, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, stellt weitere Modifikationen des grundlegenden, durch einen Reihenkondensator kommutierten Inverters 14 und andere Regeltechniken der Ausgangsleistung dar. Für diesen Leistungskonverter wird eine mehrphasige Spannungsquelle verwendet. Sie ist vorzugsweise eine dreiphasige Quelle mit 208 Volt. Thyrectoren 5! sind zwischen Eingangsklemmen 48 - 50 geschaltet, um irgendwelche transienten Spannungen auf der Netzleitung zu unterdrücken, damit eine Beschädigung der Inverterschaltung verhindert wird. Der Gleichrichter 13 ist in diesem Falle ein dreiphasiger, phasengesteuerter Brückengleichrichter, in dem drei Thyristoren und drei Dioden verwendet sind. Die Verwendung eines phasengesteuerten Gleichrichters, um eine variable Gleichspannung in den Inverter einzuspeisen, ist ein weiteres Verfahren zur Steuerung der Ausgangsleistung, das unabhängig oder zusammen mit dem Frequenzdeviationsverfahren angewendet worden kann, um dio Erwärmung in dem Kochgeschirr zu verändern. In dom Inverter 14 wird eine got rennt ο , in dor Mitte angezapfte Konimut ierum;sindukt ivit ät 46 verwandet, und die einzelne, einen Eisenkern nui weisende InduktionslieizHpule I .'"> in Form einer Flachspule weist oinrn Heihenlattt ansrhlur aiii, <?at>iit .'if in den üblichen, in zwei Jl ich t imp, en "w^ij; der zwei fierienreMonanziselml t mij oi ,/wischen der

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Mittelanzapfung 46c der* Koramutierungsinduktivität und den Verbindungspunkt 29 zwischen den Kommutierungskondensatoren 30 und 31 verbunden wird. Die Funktion der parallelen Kondensatoren 30' und 30'* und der parallelen Kondensatoren 31' und 31" wird später erläutert. Zusätzlich sind Rückkopplungsdioden 52 und 53 dir&fc über die Lastklemmen der Thyristoren 27 und 28 geschaltet. Eine Widerstands-Kondensatorschaltung 54, 55 ist ebenfalls jedem Leistungsthyristor parallel geschaltet, um für einen dv/dt-Schutz zu sorgen. Für die Thyristoren 27 und 28 wird eine andere Art einer Steuerschaltung verwendet. Diese enthält einen Gleichrichter 56, der über eine einphasige Wechselspannungsquelle geschaltet ist, um eine gleichgerichtete Spannung in einen Oscillator 27 mit einem Unijunction-Transistor einzuspeisen. Ein bistabiler Multivibrator 58 ändert den Zustand in Abhängigkeit von durch Oscillator 57 erzeugten Impulsen mit der doppelten Ausgangsfrequenz des Inverters, und Impulstransformatoren 59 bzw. 60, die in jeden Zweig des bistabilen Multivibrators geschaltet sind, führen den Thyristoren 27 und 28 abwechselnd Zündimpulse zu.

Für eine kurze Beschreibung der Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 7 soi angenommen, daß der Thyristor 27 zunächst durch die Steuerschaltung aus den Komponenten 56 bis 60 Leitend gemacht worden ist. Entsprechend den in Fig. ft gezeigten Htromwellen fließt ein sinusförmiger Halbwellenimpuls durch die Induktionshoizspule t5, wie es bereits vorstehend erläutort wurde. Am Ende der Halbwelle schwingt der Verbindungfspunkt 2<) s.uumhen den Kommutierungskondensatoren oberhalb clea Potont Lab» der positivem Klemme 25 der Gleichst romninspo iming und der Strom iii dor Öse LaI-latorschaltung kehrt sich um und fiioßt durch du? Diode 52, wodurch der Thyristor 27 in umgekehrtor IlLchtiuu·. ν ο r^ a spa mit wird und die Abschaltung des Thyristors untemstützt. Den¹ nächste Impuls von der Steuerschaltung macht (lon aniUumi l'hyriistor Leitend, und oin sinusförmiger Strom fLioßt ?,im:ich st tliuclt dio Induktion»·· h:)L;'Hpulf) 15 und ihm I'hyr Liitor "ill in ύαν ο in em Hit:Jitunii und .lann durch die DIoUo 53 und die» Spule 15 in rlt.»r iuul-.'ttui Kichtung, Kino .'did ο rung der Zeitverzögerung 61 zwlfJchr-n voLbii.nui L -cm Schwingungen

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des Induktionsspulenstromes verändert die dem Kochgeschirr 17 zugeführte Leistung. Ein Widerstand in der Zeitsteuerschaltung des Unijunction-Oscillators 57 kann so eingestellt werden, daß er die Frequenz des Oscillators und infolgedessen die Folgefrequenz oder die Ausgangsfrequenz des Inverters verändert.

Ein anderes Verfahren zur Veränderung der Ausgangsleistung des Inverters besteht in der änderung der gesamten Kommutierungskapazität, indem in jedem Serienresonanzkreis eine angezapfte Kondensatorbatterie verwendet wird. Somit sind in Fig. 7 zusätzliche Kommutierungskondensatoren 30' und 3O^fl dem Kondensator 30 parallel geschaltet und werden durch Schalter 6t in den Kreis eingeschaltet und aus diesem herausgenommen. In ähnlicher Weise verbinden Schalter 62 Kondensatoren 3t¹ und 31'' wahlweise parallel zum Kommutierungskondensator 31. Eine Verkleinerung der gesamten Kommutierungskapazität in einer Serienroso^nanzschaltung vergrößert die Serienresonanzimpedanz genügend, um den Strom in der Induktionsheizspule 15 zu senken. Umgekehrt vergrößert eine Erhöhung der Kommutierungsimpedanz die Stromamplitude. Die Änderung der Anzapfung wird bei ausgeschalteter Einheit durchgeführt. Bezugnehmend auf Fig. ü ist es auch möglich, eine in Abschnitte unterteilte Induktionsheizspule für den gleichen Zweck zu verwenden, indent ::ntweder unabhängig davon oder zusammen mit einer Änderung der Kf mmutierungskapazität die Ausgangsleistung verändert wird. Wenn ein oder beide S-pulenabschn itte I !5d und lE*>e durch selektive Bestätigung der Schalter UI mit dem Abschnitt 1 ίίο In Keihe {',esc; halt (it weiden, ändert sich die gesante Kmiiniut Lerun-vs induk L Iv i t-;it in (i<>i' t'.r.ha. Itung . '/eiui die Hpulfiiabschn it te ktm.'.entrisoh v.ue inandu' li<>',en, verändert oLne Hrregung verschiedener Kombinationen der iipuletmbschn i t: t,-> den effektiven i>ui;:h · messer der Indukt lonsho izspuLe, um auf dieie l/else eine v/Ukrainer«¹ Kopp Lung mit versch i "dsm;· Durchnoi.snr auf v/ · iseinU'ti Kixilni-'Sch Irren her mi > t Ά leu ,

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Inverterbetriebes durch einen geeigneten Sensor zur Abtastung der Temperatur des Kochgeschirres geregelt wird. Die Regelschaltung wird von einem Abwärtstransformator 64 gespeist, der mit einer getrennten Leistungsquelle"von 120 Volt und 60 (50) Hz in Verbindung steht. Die Ausgangsspannung des Vollweg-Diodengleichrichters 56 wird ferner durch einen Vorwiderstand 65 gesenkt, bevor sie an einen Filterkondensator 66 gelegt wird. Die Speiseleistung für den Unij unction-Kippgenerator 57 ist die Spannung an einem Kondensator 67. Der Kondensator 67 ist mit einem Ladewiderstand 68, den Kontakten eines Startrelais und einem Thermostaten 70 zwischen den Klemmen 71 und 72 der Niederspannungs-Gleichstromeinspeisung in Reihe geschaltet. Die Relaiskontakte 69 werden durch die über dem Filterkondensator 24 in der Leistungsschaltung auftretende Spannung (der Spulenzweig ist nicht dargestellt) geschlossen, mit dem Ergebnis, daß die zur Ladung des Kondensators 67 erforderliche Zeitverzögerung verhindert, daß der einen Unijunction-Transistor aufweisende Oscillator 57 sofort zu schwingen beginnt, wenn sich die Relaiskontakte schließen. Somit wird dem Filterkondensator 24 in der Leistungsschaltung genügend Zeit zur Aufladung gegeben. Die übliche RG-Zeitschaltung 73 für den Unijunction-Transistor 74 enthält einen Stellwiderstand, der in der gleichen Weise arbeitet, wie der Stellwiderstand 38 in ' Fig. 4, um die Höhe der Leistung einzustellen. Der über dem Widerstand 75 entwickelte Impuls, wenn der Unijunction-Transistor 74 leitend gemacht wird, steht über den Kondensator 76 mit der Basis eines Transistorverstärkers 77 in Verbindung. Der verstärkte ImpöLs wird den Emittern von einem Paar Transistoren 78 und 79 in einem bistabilen Multivibrator 58 zugeführt und bewirkt, daß diese ihren Leitfähigkeitszustand flip flop^artig ändern. Wie bereits erwähnt wurde, werden diese Impulse mit der doppelten Frequenz der Folgefrequenz des Inverters erzeugt. Doi\ Multivibrator 5H ist ein üblicher bistabiler Multivibrator mit durch HC-Glleder krouzgekoppßlten Transistoren, bei dem dir Primärwicklungen von Impulsi ransformatorcn 5i) und 60 mit den ei'tsprpchcnd'Hi KoIl "k1 orwidrcr.st ändpu in Roilu» anschaltet Hind. Stnti'-rdiodr;n UO ιιπ·1 ίΠ in don ent κ ρ.» <ηϊ!κ ndmi Sokundärwickl unjrfs-Kchaliunn'i! d"i' Impii 1 :-1 ι nii.si ormat omi' Kt öl lon H ich or, daß dor

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Gate-Kathodenverbindung der entsprechenden Leistungsthyristoren 27 und 28 ein Zündimpuls mit richtiger Polarität zugeführt wird. Eine ähnliche Zündschaltung ist auf Seite 53 des General Electric SCR Manual, 2. Aufl., 1961, beschrieben.

Ein Thermostat 70 oder ein anderer geeigneter Temperatursensor ist derart angeordnet, daß er die Temperatur des Kochgeschirres abtastet. Bei Erreichen der eingestellten Temperatur öffnet der Thermostat 70 und schaltet den einen Unijunction-Transistor aufweisenden Oscillator 57 ab. Der Inverterbetrieb ruht deshalb so lange, wie der Thermostat 70 geöffnet ist. Indem ein Thermostatentyp verwendet wird, der sich wfeder schließt, wenn die abgetastete Temperatur unter einen vorbestimmten Wert abfällt, wird eine Ein/Aus-Leistungssteuerung des Inverters erhalten. Während der beabstandeten Betriebsintervalle des Inverters wird dem Kochgeschirr genügend Leistung zugeführt, um dessen Temperatur auf die auf dem Thermostaten eingestellte Temperatur zu erhöhen. Der Serienresonanzinverter ist einem Betrieb in dieser Art zugänglich, da das Wegnehmen von Steuerimpulsen den Inverterbetrieb beendet. Darüber hinaus fällt die Ausgangsfrequenz während des Anlaufens und Aussetzens des Inverters beim Ein- und Ausschalten nicht in den hörbaren Bereich ab.

Zusammenfassend zeigt ein Festkörper-Kochgerät eine statische Leistungswandlerschaltung, die eine Ausgangswolle mit Ultraschallfrequenz zur S. peisung einer rnduktionsheizspulo erzeugt. Die Induktionsheizspulo ist eine nominell ebene Scheibenspule, die nahe einem nicht-metallischen Träger für ein Kochgeschirr angebracht ist und ο in magnetisches Wechselfold erzeugt, das mit metallischen Teilen des auf dem Träger angeordneten Kochgeschirres gekoppelt ist, Fin weiteres Merkmal ist die im wesentlichen nicht unterbrochene, kalte, planare Trägeroberfläche für das Kochgeschirr, dip durch den effizienten Übergang von Leistung aiii das Kochgeschirr und das Fehl on von Reaktionskrnfton möglich gemacht wurde. Die Leistuu^swandlerschaltung enthält typischerweise einen Gleichrichter und einen" Festkörper-Invortor mit der Maßgabe, die dem Kochgeschirr und doshalb der Kochtemperatur zugel'ührte

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Leistung einzustellen. Die räumliche Größe und Anordnung der
Bauteile dieses Festkörper-Kochgerätes sind so, daß sie leicht in eine attraktive, üblich bemessene Kochstelleneinheit, einen Herd oder ein Ausgabetischgerät (counter-top appliance) eingefügt werden können.

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Claims

Patentanspj?i"jche

1. Kochgerät zur induktiven Erwärmung eines Kochgeschirres, gekennzeichnet durch einen im wesentlichen nicht-metallischen, plattenähnlichen Träger (16) mit einer im wesentlichen nicht unterbrochenen Auflagefläche, eine nominell ebene Induktionsheizspule (15), die nahe dem Träger (16) angeordnet ist zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, das sich über einen Luftspalt einschließlich des Trägers und über die Auflagefläche hinaus erstreckt, und eine statische Leistungswandlerschaltung (12) zur Umwandlung einer Speisespannung in eine Ultraschallausgangsfrequenz, die die Induktionsheizspule (15) erregt.

2. Kochgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die statische Leistungswandlerschaltung Klemmen (25, 26) für eine Gleichspannungseinspeisung und einen Festkörper-Inverter (1*0 zur Umwandlung der Gleichspannung in die Ultraschallausgangsfrequenz aufweist.

3. Kochgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daft der Inverter ein Paar Festkörper-Leistungsbauelemente (27, 2H) und Mittel aufweist, um diese Festkörper-Leistungsbauelemente abwechselnd für Leitfähigkeit»· Intervalle mit einer derartigen Geschwindigkeit leitend zu machen, daß die Ultraschallausgangsfrequenz erzeugbar 1st.

¹I, Kochgerät nach Anspruch ?, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktlonsheizspule (15) ein Paar Ln Reihe geschaltete I'llfsspulen (15a, 15b) aufweist, deren Verbindungspunkt (15c) miteinem in zwei Richtungen leitenden Zweig des Inverters (bei 29) verbunden ist.

5, Kochgerät nach Anspruch °, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktlonsheizspule (15) elmeinzige Spule ist, derer, beide Klemmen mit.einem 1n 7vj-I

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Richtungen leitenden Zweig des Inverters verbunden sind.

6. Kochgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennz e i c hn e t, daß ferner ein Temperatursensor (7O) zur Abtastung der Temperatur, auf die das Kochgeschirr (17) zu erwärmen ist, und Mittel zum Anschluß des Temperatursensors zur Steuerung des Inverterbetriebes vorgesehen sind.

7. Kochgerät nach Anspruch 1,- dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsheizspule (15) eine ferromagnetische Kernstruktur aufweist, der als ein Pfad (19) hoher I&ineabilität für den magnetischen Rückfluß dient.

8. Kochgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche L bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Inverter (14) zahlreiche Leistungshalbleiter und Mittel aufweist, durch die die Leistungshalbleiter abwechselnd für gewünschte Leitfähigkeitsintervalle mit einer gewählten Folgefrequenz leitend gemacht werden.

9. Kochgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Veränderung der Folgefrequenz der Leitfähigkoitsintervalle der Leistungshalbleiter vorgesehen sind, so daß die dem Kochgeschirr zugeführte Leistung und die Temperatur, auf die das Kochgeschirr zu erwärmen ist, regelbar ist.

10. Kochgerät nach Anspruch 8, dadurch g ο k e η η zp i c h η ο t, daß dio statische LRistungswandlereohalt ung ferner nine variable Gleichspannunfcsquollo" zur Speisung eic?« Inverters aufweist, so daß die? mil dom Kochgeschirr gekoppelte Leistung vfrändorba'r ist.

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11. Kochgerät nach Anspruch 8, dad'urch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Leistungshalbleiter (27,28) ein Thyristor ist und die Mittel zur abwechselnden Herstellung der Leitfähigkeit der Leistungshalbleiter für gewünschte Leitfähigkeitsintervalle Einschaltmittel für den Thyristor und eine Kommutierungsresonanzschaltung umfassen, die einen Kommutierungskondensator

und eine Kommutierungsinduktivität aufweist, wobei ein wesentlicher Teil der Kommutierungsinduktivität durch die Induktionsheizspule (15) gebildet ist.

12. Kochgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,. dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktionsheizspule zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes zur Erwärmung eines Kochgeschirres (17) vorgesehen ist und der Inverter (14) der statischen Leistungswandler--'., schaltung ein Serienresonanzinverter ist, der wenigstens ein Paar abwechselnd leitender Festkörper-Leistungsbauelemente, eine Zündschaltung zur Einschaltung von wenigstens einem der Festkörperbauelemente mit einer gewählten Folgefrequenz und eine Kommutierungsschaltung aufweist, die einen in Serie geschalteten Kommutierungskondensator und eine Kommutierungsinduktivität enthält, welche auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt sind, die größer als die Ultraschallausgangsfrequenz ist.

13. Kochgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündschaltung einstellbar ist und wenigstens einen der Festkörper-Bauelemente mit einer variablen Folgefrequenz einschaltet, so daß die Ausgangsleistung des Inverters veränderbar ist, und die Zündschaltung einei einstellbare Zeitschaltung ait einem von einem Benutzer einstellbaren Steuerelement zur Einstellung der Folgefrequenz enthält.

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14. Kochgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle zur Veränderung der Ausgangsleistung des Inverters eine variable Gleichspannung in den Inverter einspeist,

15. Kochgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Konunut ierungskondensator zahlnsLche Kondensatoren umfaßt, die wahlweise einander parallel schaltbar sind, so daß die gesamte Kommutierungskapazität variierbar und dadurch die Ausgangsleistung des Inverters modulierbar ist.

16, Kochgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennz e i c hn e t, daß die Induktionsheizspule zahlreiche Spulenabschnitte aufweist, die wahlweise miteinander in Reihe schaltbar sind, so daß die gesamte Kommutierungsinduktivität variierbar und dadurch die Ausgangsleistung des Inverters modulierbar ist.

17, Kochgerät nach einem ader mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Inverter ein durch einen Serienkondensator komrautierter Sinuswelleninverter ist, der wenigstens ein Paar abwechselnd leitender Festkörper-Leistungsbauelemente, eine einstellbare Zündschaltung zur Einschaltung von wenig-stens einem der Festkörper-Leistungsbauelemente mit einer variablen Folgefrequenz, um die Ausgangsleistung und deshalb die Temperatur zu ändern, auf die das Kochgeschirr erwärmt wird, und eine Kommutierungsschaltung enthält, die einen in Reihe geschalteten Kommutierungskondensator und eine Kommutierungsinduktivität aufweist, welche auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt sind, die größer als die maximale Ultraschallausgangsfrequenz ist.

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18. Kochgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsheizspule mit den Festkörper-Leistungsbauelementen in Reihe geschaltet ist und die doppelte Funktion besitzt, auch ein wesentlicher Teil der Kommutlerungsinduktivität zu sein.

19. Kochgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsheizspule ein Paar in Reihe geschalteter Hilfsspulen aufweist, deren Verbindungsstelle mit der Kommutierungskapazität verbunden ist.

20. Kochgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Zündschaltung eine spannungsgesteuerte Zeitschaltung zur Bestimmung der Folgeffequenz der Erzeugung von Einschaltsignalen aufweist.

21. Kochgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß beide Festkörper-Leistungsbaueleraente torgesteuerte Thyristoren sind und die Zündschaltung beiden Thyristoren abwechselnd Einschaltsignale zuführt,

22. Kochgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter ein phasengesteuerter Gleichrichter ist, der dem Inverter zur Steuerung seiner Ausgangsleistung eine variable Gleichspannung zuführt.

23. Kochgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungskondensator von einem Paar in Serie geschalteter Kondensatoren gebildet ist, die Kommutierungsinduktivität eine in der Mitte angezapfte Kommutierungs induktivität ist und die Induktionsheizspule mit der Verbindungsstelle der Kommutierungskondensatoren und der Mittelanzapfung der Kommutierungsinduktivität verbunden ist.

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24. Kochgerät naGh Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungskondensator von zahlreichen Kondensatoren gebildet ist, die selektiv einander parallel schaltbar sind, so daß die gesamte Kommutierungskapazität veränderbar und dadurch die Ausgangsleistung des Inverters modulierbar ist.

25. Kochgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsheizspule von zahlreichen Spulenabschnitten gebildet ist, die selektiv miteinander in Reihe schaltbar sind, so daß die gesamte Kommutierungsinduktivität veränderbar und dadurch die Ausgangsleistung des Inverters modulierbar ist.

26. Kochgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennz e i c hn e t, daß der Temperatursensor ein Thermostat ist, der die einstellbare Zündschaltung betätigt, um den Inverterbetrieb bei einer eingestellten Temperatur zu beenden und bei einer vorbestimmten Temperatur erneut in Gang zu bringen.

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