DE2504827C3

DE2504827C3 - Induktions-Heizgerät für Kochzwecke

Info

Publication number: DE2504827C3
Application number: DE2504827A
Authority: DE
Inventors: Keizo Amagami; Takao Kobayashi; Takumi Mizukawa; Tadao Toyooka
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1974-02-05
Filing date: 1975-02-05
Publication date: 1978-07-20
Also published as: AU7773275A; FR2260112A1; GB1451183A; JPS50109537A; CA1024216A; JPS5421983B2; DE2504827B2; NL7501297A; FR2260112B1; NL164387C; US4016392A; NL164387B; IT1029439B; DE2504827A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Induktionsheizgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Induktionsheizgerät dieser Art ist aus der DE-OS 17 565 bekannt. Bei dem bekannten Induktionsheizgerät ist die Heizspule Teil eines Schwingkreises, dessen Gütefaktor von der von der Heizspule aufzuheizenden Last beeinflußt wird. Ein Lastdetektor erfaßt die Höhe des Laststroms sowie gleichzeitig die Änderung des Gütefaktors und damit die Last selbst. Das diesem Lastdetektor entnommene Lastsignal wird mit einem Bezugssignal verglichen, um den Laststrom bei konstanter Last konstant zu halten und bei geringerer Last zu verringern. Der Leistungsthyristor ist bei diesem bekannten Induktionsheizgerät »usammen mit einem zweiten Leistungsthyristor Teil einer steuerbaren Gleichspannungsquelle. Die Gleichspannungsquelle speist den als Wechselrichter dienenden Schwingkreis, der seinerseits die Induktionsspule erregt. Die steuerbare Gleichspannungsquelle bildet mit ihren Leistungsthy- ristoren und einem Steuerimpulsgenerator eine Phi,senanschnittssteuerung. Der Sleuerimpulsgenerator erzeugt abhängig vom Vergleich zwischen dem Lastsignal und dem Bezugssignal die 2'ündlimpulse für die Leistungsthyristoren.

Aus der DE-OS 23 29 743 ist eine Induktions-Heizeinrich>ung bekannt, bei der mittels eines Gleichrichters von einer Wechselstromquelle ein pulsierender Gleichstrom mit der doppelten Netzfrequenz erzeugt wird. Der pulsierende Gleichstrom speist einen WechseSrich ter, 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 Wechsel fluß 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 Induktionsheizge raten 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

so 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 Unteranspriichen 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 erzeugt, wenn das Lastsignal unter dem Bezugssignal liegt. Der Ausgang des Komparator:; liefert also ein Zweipunktsignal, das je nachdem, ob das Lastsignal über oder unter dem Bezugssignal liegt, zwei unterschiedliche Signalzustände aufweisen kann. Ergibt der Ver-

gleich im Komparator, daß das Lastsignnl unter dem Bezugssignal liegt, dann erzeugt der Impulsgenerator Impulse mit einer Frequenz, die sehr viel niedriger als die Frequenz des die Heizspule speisenden Stroms ist. Die Impulse des Impulsgenerators steuern ein Sperrglied, das in der Zuleitung zur Gate-Elektrode¹ eines Thyristors liegt, der Teil eines die Heizspule speisenden Wechselrichters ist. Das Pulsbreitenverhältriis der Impulse vom Impulsgenerator ist dabei so gewählt, daß das Sperrglied eine Durchsteuerung des Thyristors und damit eine Erregung der Heizspule im wesentlichen verhindert und nur kurzzeitig in der Frequenz des Impulsgenerators zuläßt Dieser intermittierende Betrieb der Heizspule ermöglicht zum einen, daß während dieser Betriebsphase des Induktionsheizgeräus nur wenig Energie verbraucht wird und daß zum anderen ein kleiner Gegenstand nicht so weit erhitzt werden kann, daß er Verbrennungen beim Anfassen verursacht. Andererseits wird aber durch das periodische Anschalten der Heizspule sichergestellt, daß immer wieder erneut geprüft werden kann, ob noch die niedrige Last vorhanden ist oder inzwischen vielleicht eine Lasländerung aufgetreten ist, die eine volle Erregu¹ g dei Heizspule erfordert

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

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

Fi g. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Induktionsheizgeräts mit Lastdetektor gemäß 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 Lastdetelktor zu erfassenden Stromes.

In F i g. I 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 Auügangsspannung des Doppelweggleichrichters 13 ist ungefiltert, so daß die Spannung über den Anschlüssen 14 und 15 eine einseitig gerichtete Spannung in der Form einer Folge von gleichgerichteten, sinushalbwellenförmigen Impulsen hoher Spannung ist; zwischen jedem Hiiilbwellenimpuls fällt die Spannung im wesentlichen auf Null und sie besitzt die doppeltr Frequenz des Versorgungswechselstroms.

Der Doppelweggleichrichter 13 liefert die Erregerspannung für eine Wechselrichter-Schaltung, die eine Filterinduktivität 16, eine Kommutatorinduktivität 17, einen Filterkondensator 18, einen Kommutatorkondensator 19 sowie eine in zwei Richtungen leitende, Gate-gesteuerte Halbleiter-Thyristorschaltanordnung, die von einem Leistungsthyristor (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 Schaltvor^ang sorgender Nullspannungsschalter SCR 24 leitet. Der Nullspannungschalter SCR 24 wird mittels einer Nuilspannungsfühl- und Impulsgeneratorschaltung 25 leitend gemacht Der Zweck der Nullspannungsschaltsteuerung für einen stoßfreien Schaltvorgang besteht darin, sicherzustellen, daß die frregerspannung 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 26 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 20 gesperrt und die im Kommutatorkondensator 19 gespeicherte Energie über die Rückkopplungsdiode 21 entladen. Wenn sich über der Heizspule 22 keine Last 23 befindet, hat der Kommutatorstrom, der durch die Diode 21 fließt, die gleiche Größe wie der Strom, der während der positiven Halbpertode fließt, so daß im Wechselrichter im Mittel im wesentlichen kein Strom auftritt [siehe (a) in Fi g. 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) in Fig.3B dargestellten Weise ergibt. Da der Mittelwert des Stroms, der durch den Wechselrichter fließt, der elektromagnetischen Kopplung zwischen der Heizspule 22 und de 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 Sammelleifjngen 14 und 15 geschaltet ist und eine von der Einstellung des veränderlichen Widerstands 33 bestimmte Spannung an den Komparator 32 liefert. Ivinc l.cistungssteuerungseinrichtung als Laststellcr 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 Äusgangsspannung 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 F.rzeugung 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 Bezugszahien wie in F i g. 1 versehen sind. Bei dieser Ausführungsform wird der arithmetische Mittelwert des Stroms, der in die Wechselrichter-Schaltung fließt mittels eines Stromwandlers 40 erfaßt, der einen magnetischen Ringkern 41 enthalten kann. Eine Leitung der Wechselrichter-Schaltung, die das SCR/Dioden-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 G 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 G ist so ausgewählt, daß sie einen geeigneten Wert besitzt, um die mil der Ultraschallfrcquenz, 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 D₁ jede negative Halbperiode der Ultraschallfrcqucnzwel-Ie auf einen Kondensator Ci leitet, dessen Kapazitätswert ähnlich dem von G ist. Widerstände /?i und /?< sind im Nebenschluß zu den Kondensatoren G bzw. G vorgesehen und in Reihe geschaltet. Die Dioden D\ und D2 sind an entgegengesetzte Enden der in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen 42 und 43 angeschlossen, so daß die über den Widerständen /?i und /?< auftretenden Spannungen einander entgegengesetzt sind und die über den entgegengesetzten Enden der in Reihe geschalteten Widerstände R\ und R, auftretende resultierende Spannung ein Maß für den Mittelwert des Stroms der Wechselrichter-Schaltung ist. Die in dem gesirichelioi Rechteck 44 enthaltenen Schaltungskomponentsn, 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 kleiner 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

H) der Eingangsstrom dienen, der von der Wechselstromquelle in den Doppelweggleichrichter fließt, oder der Mittelwert von Slromkomponenten, d. h. der einen Komponente, die während der einen Halbwelle des ultraschallfrequenten Stromes in einer Richtung durch

• · den Thyristor fließt, minus der anderen, die während der anderen Halbwelle in entgegengesetzter Richtung durch die Rückkopplungsdiode fließt.

I lier/u 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Induktionsheizgerät für Kochzwecke mit einer von einer iiltraschallfrequenten Spannung erregten Heizspule, die mit einer elektrisch leitfähigen Last magnetisch koppelbar ist, mit einem Lastdetektor, 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 eimer den Erregungsgrad der Heizspule in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des (Comparators 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 de») Steuerimpulsgc^erator (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 !Comparators (32) liegt und Impulse mit einer weit niedriger als die Ultraschallfrequenz der Steuerimpulse liegenden Folgefrequenz erzeugt, wenn das vom Laststrom abgeleitete Lastsignal 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 arithmetischen 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.