DE2504827B2

DE2504827B2 - Induktions-heizgeraet fuer kochzwecke

Info

Publication number: DE2504827B2
Application number: DE19752504827
Authority: DE
Inventors: Takao; Amagami Keizo; Mizukawa Takumi; Toyooka Tadao; Kadoma Osaka Kobayashi (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1974-02-05
Filing date: 1975-02-05
Publication date: 1977-11-24
Also published as: FR2260112A1; NL164387C; JPS5421983B2; CA1024216A; JPS50109537A; US4016392A; NL7501297A; IT1029439B; NL164387B; AU7773275A; GB1451183A; DE2504827A1; DE2504827C3; FR2260112B1

Description

)ie Erfindung betrifft ein Induktionsheizgerät nach η Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

iin Induktionsheizgerät dieser Art ist aus der DT-OS
17 565 bekannt. Bei dem bekannten Induktionsheizät ist die Heizspule Teil eines Schwingkreises, dessen
tcfaktor von der von der Heizspule aufzuheizenden
;t beeinflußt wird. Ein Lastdetektor erfaßt die Höhe 65 liegt. Der Ausgang des Komparators liefert also ein Laststroms sowie gleichzeitig die Änderung des Zweipunktsignal, das je nachdem, ob das Lastsignal über tefaktors und damit die Last selbst. Das diesem oder unter dem Bezugssignal liegt, zwei unterschiedlitdetektor entnommene Lastsignal wird mit einem ehe Signalzustände aufweisen kann. Ergibt der Ver-

Bezugssignal verglichen, um den Laststrom bei konstanter Last konstant zu halten und bei geringerer Last zu verringern. Der Leistungsthyristor ist bei diesem bekannten Induktionsheizgerät zusammen mit einem zweiten Leistungsthyristor Teil einer steuerbaren Gleichspannungsquelle. Die Gleichsparnungsquelle speist den als Wechselrichter dienenden Schwingkreis, der seinerseits die Induktionsspule erregt. Die steuerbare Gleichspannungsquelle bildet mit ihren Leistungsthyristoren und einem Steuerimpulsgenerator eine Phasenanschnittssteuerung. Der Steuerimpulsgenerator erzeugt abhängig vom Vergleich zwischen dem Lastsignal und dem Bezugssignal die Zündimpulse für die Leistungsthyristoren.

Aus der DT-OS 23 29 743 ist eine Induktions-Heizeinrichtung bekannt, bei der mittels eines Gleichrichters von einer Wechselstromquelle ein pulsierender Gleichstrom mit der doppelten Netzfrequenz erzeugt wird. Der pulsierende Gleichstrom speist einen Wechselrichter, der einen Thyristor enthält und die Heizspule mit einer ultraschallfrequenten Spannung erregt.

Bei Induktionsheizgeräten zur Erhitzung von Kochgeschirr aus magnetischem Metall erfolgt die Erhitzung durch Wirbelströme, die das Magnetfeld der Heizspule in der Last induziert. Infolge der Unsichtbarkeit des magnetischen Flusses besteht die Möglichkeit, daß unabsichtlich ein kleiner Gegenstand aus magnetischem Metall, etwa ein Löffel, eine Gabel od. dgl., über der Heizspule abgelegt und deren magnetischem Wechselfluß ausgesetzt wird. Unabhängig davon, wie klein ein solcher Gegenstand auch ist, wird er in starkem Maß erhitzt und kann Verletzungen verursachen, wenn jemand diesen Gegenstand mit der Hand berührt, um ihn zu entfernen. Bei den bekannten Induktionsheizgeräten ist es nicht möglich, diese unter Umständen gefährliche Aufheizung eines kleinen Gegenstandes, der an sich gar nicht erhitzt werden soll, zu verhindern. Bei dem erstgenannten bekannten Induktionsheizgerät ist es zwar möglich, Änderungen der Last zu erkennen und zu verarbeiten, jedoch nicht möglich, festzustellen, ob eine bestimmte Last einen bestimmten Wert unterschreitet und daher so wenig wie möglich aufgeheizt werden soll oder nicht. Darüberhinaus werden Kochtöpfe, Pfannen od. dgl. häufig von der Kochstelle, in diesem Fall der Heizspule, abgenommen und nach einer Weile wieder draufgestellt, während das Gerät eingeschaltet bleibt. Während dieser Zeiten, die relativ lang sein können, bleibt die Heizspule bei den bekannten Induktionsheizgeräten erregt, so daß sich ein unnötiger Energieverbrauch ergibt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Induktionsheizgerät zu schaffen, das sowohl energiesparend ist als auch verhindert, daß unbeabsichtigt über die Heizspule gelegte kleine Gegenstände in einem Verbrennungen ermöglichendem Maß erhitzt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Funktion einer solchen Vorrichtung geht davon aus, daß ein der Last über der Heizspule proportionales Signal im Komparator mit einem Bezugssingal verglichen wird und der Komparator ein Ausgangssignal

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ι ' h im Komparator, daß das Lastsignal unter dem Rpzuessignal lieg¹· ^dann erzeugt der Impulsgenerator ι ulse mit einer Frequenz, die sehr viel niedriger als !T Frequenz des die Heizspule speisenden Stroms ist. rVe Impulse des Impulsgenerators steuern ein Sperr-

ι α Hts in der Zuleitung zur Gate-Elektrode eines

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Thvr'istors liegt, der Teil eines die Heizspule speisenden Wechselrichters ist. Das Pulsbreitenverhältnn der imDulse vom Impulsgenerator ist dabei so gewählt, daß Aι Sperrglied eine Durchsteuerung des Thyristors und laniit eine Erregung der Heizspule irn wesentlichen verhindert und nur kurzzeitig in der Frequenz des InDulsgenerators zuläßt. Dieser intermittierende Beb der Heizspule ermöglicht zum einen, daß während d'eser Betriebsphase des Induktionsheizgeräts nur ' nie Energie verbraucht wird und daß zum anderen ^W ι kleiner Gegenstand nicht so weit erhitzt werden Γ'ηη daß er Verbrennungen beim Anfassen verursacht. Andererseits wird aber durch das periodische Anschalten der Heizspule sichergestellt, daß immer wieder

t geprüft werden kann, ob noch die niedrige Last vorhanden ist oder inzwischen vielleicht eine Laständerung aufgetreten ist, die eine volle Erregung der Heizspule erfordert.

Bei einem Induktionsheizgerat, bei dem keine Regelung der abgebenen Leistung auf einen vorgegebenen Sollwert unabhängig von Versorgungsspannungsschwankungen vorgesehen ist, ändert sich die abgegebene Leistung und damit das Lastsignal entsprechend einer Änderung der Versorgungsspannung. In diesem M Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn das Bezugssignal dleichermaßen von der Höhe der Versorgungsspannung abhängt. Das Verhältnis zwischen Lastsignal und Bezugssignal ist dann von einer solchen Spannungsschwankung unabhängig. Im Falle einer Leistungsrege- lung und einem damit verbundenen versorgungsspannungsunabhängigen Lastsignal ist natürlich ein konstantes Bezugssignal vorzuziehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Induktionsheizgeräts mit Lastdetektor gemäS einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

F i g 2 ein schematisches Blockschaltbild eines Induktionsheizgeräts mit Lastdetektor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 3 Sinuswellenformen eines vom Lastdetektor zu erfassenden Stromes. „ . . ·

In F i g. 1 ist ein Lastdetektor 10 dargestellt, der in ein Induktions-Heizgerät 11 eingesetzt ist, das in einer Weise aufgebaut ist, die grundsätzlich ähnlich der in der US-PS 38 21 509 beschriebenen ist. Die Schaltung von Fig 1 wird mittels einer konventionellen kommerziellen oder häuslichen Wechselstromqeulle 12 betrieben, die an einen Doppelweggleichrichter 13 bekannten Aufbaus angeschlossen ist; der Doppelweggleichrichter 13 bewirkt eine Doppelweggleichrichtung des Versorgungswechselstroms und ist mit seinem Ausgang an ein Paar Sammelleitungen oder Anschlüsse 14 und 15 angeschlossen. Der Ausgangsstrom bzw. die Ausgangsspannung des Doppelweggleichrichters 13 ist ungefiltert, so daß die Spannung über den Anschlüssen 14 und !5 eine einseitig gerichtete Spannung in der Form einer Folge von gleichgerichteten, sinushalbwellenförmigen Impulsen hoher Spannung ist; zwischen jedem Halbwellenimpuls fällt die Spannung im wesentlichen auf Null und sie besitzt die doppelte Frequenz des Versorgungs-

wechselstroms.

Der Doppelweggleichrichter 13 liefert die Erregerspannung für eine Wechselrichter-Schaltung, die eine Filterinduktivität 16, eine Kommutatorinduktivita't 17, einen Filterkondensator 18, einen Kommutatorkondensator 19 sowie eine in zwei Richtungen leitende, Gate-gesteuerte Halbleher-Thyristorschaltanordnung, die von einem Leistungsthyris'.or \SCR) 20 und einer antiparallel geschalteten Rückkopplungsdiode 21 gebildet wird, aufweist. Der SCR 20 und die Rückkopplungsdiode 21 sind zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Induktivitäten 16 und 17 und den Anschluß 15 geschaltet und dienen der Erzeugung einer Spannung bzw. eines Stromes relativ hoher Frequenz in der Größenordnung von 20 bis 30 kHz; hiermit wird eine Heizspule 22 gespeist, die ihrerseits elektromagnetisch mit einer Pfanne bzw. Last 23 gekoppelt ist, die oberhalb der Heizspule 22 angeordnet ist.

Die Erregung der ultraschallfrequenten Wechselrichter-Schaltung findet nur während Intervallen statt, in denen ein für einen stoßfreien Schaltvorgang sorgender Nullspannungsschalter SCR 24 leitet. Der Nullspannungschalter SCR 24 wird mittels einer Nullspannungsfühl- und Impulsgeneratorschaltung 25 leitend gemacht. Der Zweck der Nullspannungsschaltsieuerung für einen stoßfreien Schaltvorgang besteht darin, sicherzustellen, daß die Erregerspannung nur an den Wechelrichter geliefert wird, wenn sie sich am oder nahe am Beginn einer Sinushalbwelle der am Ausgang des Doppelweggleichrichters 13 erscheinenden gleichgerichteten, ungefilterten Impulse hoher Spannung befindet. Auf diese Weise kann eine Stoßspannungsladung der Kommutatorkomponenten mit einer anfänglich hohen Spannung vermieden werden, die gewisse unerwünschte Folgen wie ein Fehlzünden des SCR 20 des Wechselrichters infolge des Fehlens eines ausreichenden Steuer- bzw. Zündsignals am erwünschten Einschaltpunkt nach sich ziehen würde. Ein Steuer- bzw. Zündimpulsgenerator liefert eine ultraschallfrequente Steuerimpulskette über ein Sperrglied 27, das normalerweise leitet, an die Steuerelektrode des SCR 20. Der SCR 20 wird daher während jeder positiven Halbperiode der ultraschallfrequenten Steuerimpulse von diesen durchgeschaltet; während der negativen Halbperiode wird der SCR gesperrt und die im Kommutatorkondensator gespeicherte Energie über die Rückkopplungsdiode entladen. Wenn sich über der Heizspule 22 keine Last befindet, hat der Kommutatorstrom, der durch die Diode 21 fließt, die gleiche Größe wie der Strom, der während der positiven Halbperiode fließt, so daß im Wechselrichter im Mittel im wesentlichen kein Strom auftritt [siehe (a) in Fig. 3A]. Wenn jedoch eine Last wesentlicher Größe angeordnet wird, steigt der Strom während der positiven Halbperiode an, während er während der negativen Halbperiode abnimmt, wodurch sich insgesamt im Mittel ein Ansteig des Stroms in der bei (b)m Fig.3B dargestellten Weise ergibt. Da der Mittelwert des Stroms, der durch den Wechselrichter fließt, der elektromagnetischen Kopplung zwischen der Heizspule 22 und der Last 23 proportional ist, ist auch der von der Wechselstromquelle 12 an den Doppelweggleichrichter 13 gelieferte Strom dieser elektromagnetischen Kopplung proportional; es ist erkennbar, daß dieser Strom zur Feststellung der Größe der von einer Pfanne od. dgl. dargestellten Last verwendet wird.

Gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform enthält der Pfannen- oder Lastdetektor 10 einen Stromfühler in Form eines Stromwandlers 30, dessen

Primärwicklung in Serie zur Wechselstromquelle 12 und dem Doppelweggleichrichter 13 liegt, während seine Sekundärwicklung an einen Gleichrichter 31 angeschlossen ist. Der Gleichrichter 31 bewirkt eine Doppelweggleichrichtung des in der Sekundärwicklung des Stromwandlers 30 induzierten Stromes und liefert seine gleichgerichtete Ausgangsspannung an einen Komparator 32. Eine Spannungseinstellschaltung enthält einen veränderlichen Widerstand 33, der in Reihe mit einem festen Widerstand 34 zwischen die Sammelleitungen 14 und 15 geschaltet ist und eine von der Einstellung des veränderlichen Widerstands 33 bestimmte Spannung an den Komparator 32 liefert. Eine Leistungssteuerungseinrichtung als Laststeller wie etwa eine veränderliche Induktivität 35 liegt in Reihe mit der Heizspule 22, damit der Betrag der in der Last erzeugten Wärme durch Einstellung der elektromagnetischen Kopplung zwischen der Heizspule 22 und der Last 23 steuerbar ist. Da sich die vom Gleichrichter 31 gelieferte Ausgangsspannung sowohl mit einer Änderung der elektromagnetischen Kopplung als auch mit einer möglichen Änderung der Spannung der Wechselstromquelle 12 ändert, ist es für den Zweck der Feststellung, ob eine kleine Last unter dem eingestellten Wert liegt, vorteilhaft, daß der eingestellte Spannungswert mit diesen Faktoren ebenfalls veränderlich ist. Daher ist der veränderliche Widerstand 33 vorteilhafterweise mit der veränderlichen Indktivität 35 mechanisch gekuppelt, so daß die Spannung am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 33 und 34 proportional dem Einstellungsbetrag zur Steuerung der elektromagnetischen Kopplung variiert. Da die Spannungseinstellschaltung zwischen die Sammelleitungen 14 und 15 geschaltet ist, ändert sich die eingestellte Spannung bzw. die Bezugsspannung auch entsprechend einer möglichen Variation der Spannung der Stromquelle.

Der Komparator 32 erzeugt ein Ausgangssignal, wenn die Ausgangsspannung des Gleichrichters 31 unterhalb des eingestellten Wertes liegt. Das Ausgangssignal des Komparators gelangt zu einem Impulsgenerator 36, der einen astabilen Multivibrator zur Erzeugung einer Kette von Rechteckimpulsen bestimmter Pulsbreite enthalten kann, um den Durchgang von Steuerimpulsen für den SCR 20 zu blockieren; auf diese Weise wird der SCR 20 intermittierend erregt.

Wenn eine kleine Last unbeabsichtigt über die Heizspule 22 gelegt wird, dann ist der durch die Primärwicklung des Stromwandlers 30 fließende Eingangsstrom niedrig genug, um ein Ausgangssignal des Komparators 32 hervorzurufen, so daß die Heizspule 22 intermittierend erregt wird. Das Pulsbreitenverhältnis, d. h. das Verhältnis der wirksamen zu der nicht wirksamen Periode der vom Impulsgenerator 36 gelieferten Impulse ist danach ausgewählt, daß ein unabsichtlich hingelegter kleiner Gegenstand nicht übermäßig erhitzt wird, so daß die Bedienungsperson sich nicht die Finger verbrennt, wenn sie versucht, den Gegenstand aus der elektromagnetischen Kopplung mit der Heizspule 22 zu entfernen.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform ist in F i g. 2 dargestellt, wobei gleiche Teile mit den gleichen Bezugszahlen wie in F i g. 1 verschen sind. Bei dieser Ausführungsform wird der arithmetische Mittelwert des Stroms, der in die Wechselrichter-Schaltung fließt mittels eines Stromwandler 40 erfaßt, der einen magnetischen Ringkern 41 enthalten kann. Eine Leitung der Wechselrichter-Schaltung, die das SCR/Diodcn-Paar mit der Sammelleitung 15 verbindet, ist durch den Kern 41 geführt und dient als Primärwicklung. Wicklungen 42 und 43 sind in Reihe geschaltet und dienen als Sekundärwicklung. Die Wicklung 42 enthält im Nebenschluß einen Widerstand R\. Eine Diode D\ ist an den Widerstand R\ angeschlossen, um einem Kondensator Cl die Spannung aufzuprägen, die über dem Widerstand R\ während jeder positiven Halbperiode infolge des durch den SCR 20 fließenden Stromes

ίο erzeugt wird. Die Kapazität des Kondensators Ci ist so ausgewählt, daß sie einen geeigneten Wert besitzt, um die mit der Ultraschallfrequenz, mit der der SCR 20 an- und abgeschaltet wird, zufließende Ladung zu speichern. In gleicher Weise besitzt die Wicklung 43 einen Widerstand R₂ im Nebenschluß, während eine Diode D₂ jede negative Halbperiode der Ultraschallfrequenzwelle auf einen Kondensator C₂ leitet, dessen Kapazitätswert ähnlich dem von Q ist. Widerstände R₃ und Rt sind im Nebenschluß zu den Kondensatoren Q bzw. C₂ vorgesehen und in Reihe geschaltet. Die Dioden Di und D₂ sind an entgegengesetzte Enden der in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen 42 und 43 angeschlossen, so daß die über den Widerständen R₃ und A4 auftretenden Spannungen einander entgegengesetzt sind und die über den entgegengesetzten Enden der in Reihe geschalteten Widerstände R₃ und R4 auftretende resultierende Spannung ein Maß für den Mittelwert des Stroms der Wechselrichter-Schaltung ist. Die in dem gestrichelten Rechteck 44 enthaltenen Schaltungskomponenten, die an die Sekundärwicklungen des Stromwandlers 40 angeschlossen sind, dienen daher der Gleichrichtung jeder Halbperiode der hochfrequenten Erregerströme, der Glättung des gleichgerichteten Ausgangssignals für jede Halbperiode auf einen im wesentlichen konstanten Wert und der Substraktion der gleichgerichteten, im wesentlichen konstanten Spannungen zum Erhalt des Strommittelwerts. Der Komparator 32 gibt ein Ausgangssignal ab, wenn der Wert der Ausgangsspannung der Schaltung 44 unterhalb dem mittels der Widerstände 33 und 34 in vorher beschriebener Weise eingestellten Wert liegt. Bei Auftreten des Komparatorausgangssignals wird der Impulsgenerator 36 veranlaßt eine Impulskette zu erzeugen, die eine intermittierende Erregung der Heizspule 22 in einer Weise ermöglicht, die der in bezug auf das vorangegangene Ausführungsbeispiel beschriebenen gleich ist.

Die intermittierende Erregung der Heizspule 22 ermöglicht es dem Lastdetektor 10, intermittierend zu prüfen, ob ein unerwünschter kleine; Gebrauchsgegenstand oder Metallobjekte über die Heizspule 22 gelegt sind oder nicht; nach Entfernen solcher Gegenstände wird die Wechselrichter-Schaltung sofort in einen Erregungszustand für einen nachfolgenden Kochbetrieb versetzt.

Der zu ermittelnde Strom kann insoweit an jedem Punkt des Gerätes erfaßt werden, als dieser Strom ein Maß für die elektromagnetische Kopplung zwischen der Heizspule und der Last darstellt. Als solcher Strom kann

w) der Eingangsstrom dienen, der von der Wcchselstronv qucllc in den Doppelwcggleichrichter fließt, oder der Mittelwert von Stromkomponenten, d. h. der einen Komponente, die während der einen Halbwolle des ullraschallfrcqucntcn Stromes in einer Richtung durch

ι- ■ den Thyristor fließt, minus der anderen, die während der anderen Halbwolle in entgegengesetzter Richtung durch die Rückkopplungsdiodc fließt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

A/ i Patentansprüche:

1. Induktionsheizgerät für Kochzwecke mi', einer von einer ultraschallfrequenten Spannung <. en Heizspule, die mit einer elektrisch leitfähig Last magnetisch koppelbar ist, mit einem Lastdciektor, der ein der magnetischen Kopplung zwischen der Heizspule und der Last entsprechendes Lastsignal abgibt, mit einem das Lastsignal mit einem von der Einstellung eines Laststellers abhängigen Bezugssignal vergleichenden Komparator und mit einer den Erregungsgrad der Heizspule in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Komparator beeinflussenden Steuerschaltung, die die Erregung der Heizspule bei geringerer Last verringert und einen Steuerimpulsgenerator aufweist, der Steuerimpulse an die Steuerelektrode eines Leistungsthyristors liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung ein Sperrglied (27) enthält, das den Steuerimpulsgenerator (26) mit der Steuerelektrode des Leistungsthyristors (20) verbindet und in seinem Sperrzustand die Verbindung zwischen dem Steuerimpulsgenerator (26) und dem Leistungsthyristor (20) unterbricht, daß der Sperreingang des Sperrglieds (27) mit dem Ausgang eines Impulsgenerators (36) verbunden ist, der seinerseits am Ausgang des Komparators (32) liegt und Impulse mit einer weit niedriger als die Ultraschallfrequenz der Steuerimpulse liegenden Folgefrequenz erzeugt, wenn das vom Laststrom abgeleitete Lasisignal kleiner als das Bezugssignal ist, und daß diese Impulse das Sperrglied (27) in den Sperrzustand versetzen.

2. Induktionsheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lastsignal dem arithmetisehen Mittelwert des Stroms proportional ist, der durch den Wechselrichter, welcher den Leistungsthyristor (20) und eine dazu antiparallel geschaltete Diode (21) enthält, fließt.

3. Induktionsheizgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastdetektor (10) elektromagnetisch einen ersten durch den Leistungsthyristor (20) und einen zweiten durch die Diode (21) fließenden Strom erfaßt und zur Bildung des arithmetischen Mittelwerts die Differenz zwischen der Höhe des ersten Stroms und der des zweiten Stroms bildet.

4. Induktionsheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Lastsignals aus dem Lastrom ein Stromwandler (30,40) vorgesehen ist.

5. Induktionsheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Bezugssignals abhängig von der Spannungshöhe der Wechselstromquelle (12) ist.