DE2521941C3

DE2521941C3 - Induktions-Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2521941C3
Application number: DE2521941A
Authority: DE
Inventors: Mitsuyuki Kadoma Osaka Kiuchi (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1974-05-17
Filing date: 1975-05-16
Publication date: 1978-06-01
Also published as: DE2559502A1; GB1472492A; DE2559503C3; US4275281A; SE7505490L; DE2559503B2; FR2271735A1; US4320273A; SE408518B; DE2559503A1; FR2271735B1; AU8113975A; DE2521941B2; NL7505810A; CA1047120A; DE2521941A1; DE2559502B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Induktions-Heizvorrichtung mit einer mehrere Heizspulen aufweisenden Heizeinheii und mit einem statischen Umformer zwischen der Heizeinheit und einer Wechselstromquelle, der den zugeführten Wechselstrom in einen Hochfrequenzstrom umformt, der in den Heizspulen ein kommutierendes Hochfrequenz-Magnetfeld erzeugt, bei der der Umformer einen aus der Antiparallelschaltung eines gesteuerten Siliziumgleichrichters und einer Diode bestehenden Umschalter aufweist, und bei der die Steuerelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters mit dem Ausgang eines Triggerimpulsgenerators verbunden ist, dessen hochfrequente Triggerimpulse die Frequenz des Hochfrequenzstromes bestimmen.

Eine Induktions-Heizvorrichtung dieser Art ist aus der DE-OS 23 04 411 bekannt. Zum Schutz des aus der Antiparallelschaltung eines Thyristors und einer Diode bestehenden Umschalters vor Überlastung insbesondere bei Belastungsänderungen der Heizspule sieht die bekannte Heizvorrichtung verschiedene Schutzschaltungen vor. Bei einer dieser Schutzschaltungen wird die Frequenz des vom statischen Umformer gelieferten Speisestroms für die Heizspule ermittelt und mit einer Bezugsfrequenz verglichen. Überschreitet die Umformerfrequenz die Bezugsfrequenz, wie es der Fall sein kann, wenn die Heizspule mit einer ungeeigneten, nicht magnetischen Last belastet wird, dann wird der statische Umformer abgeschaltet. Bei der bekannten Induktions-Heizvorrichtung ist ferner vorgesehen, in Reihe mit der Heizspule eine veränderliche Induktivität zu schalten, die selbst keinen Beitrag zur Erhitzung eines Kochgeschirrs liefert, sondern insbesondere im Einschaltmoment den Wert der den statischen Umformer belastenden Gesamtimpedanz erhöhen soll, um Überströme zu verhindern.

Eine andere Induktions-Heizvorrichtung ist aus der DE-OS 23 17 565 bekannt. Bei dieser Heizvorrichtung wird eine einzige Heizspule verwendet, die von einem selbsterregten Oszillator mit einer im wesentlichen konstanten Resonanzfrequenz gespeist wird. Über die Höhe der dem Oszillator zugeführten Gleichstromenergie ist die der Heizspule vom Oszillator zugeführte Energie beeinflußbar. Die steuerbare Gleichspannungsqueile isi an einen Regelkreis angeschlossen, der mit

einem den Ist-Wert mit dem Soll-Wert vergleichenden Vergleicher ausgerüstet ist. Der Ist-Wert der der Heizspule zugefülirten Energie wird mit H'l^fe eines Stromtransformators aus einem künstlichen Lastkreis gewonnen.

Bei Induktions-Heizvorrichtungen treten besondere Schwierigkeiten auf, wenn die Heizeinheit mehrere parallel oder in Reihe geschaltete Heizspulen aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Induktions-Heizvorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß im Fall von mehreren Heizspulen der Strom in jeder einer Anzahl von in Reihe geschalteten Heizspulen bzw. die Spannung über jeder einer Anzahl von parallel geschalteten Heizspulen konstant gehalten werden, und die Ausgangsleistungen der einzelnen Heizspulen unabhängig voneinander bleiben.

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

Diese erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe beruht auf der Tatsache, daß die Impedanz einer Heizspule von der Frequenz des Speisestroms abhängt. Wenn nun mehrere Heizspulen in Reihe geschaltet sind und mit Hilfe einer Freqm /änderung dafür gesorgt wird, daß der alle Heizspulen durchfließende Strom — 'nabhängig von der Belastung einer oder mehrerer der Heizspulen mit Hilfe eines magnetischen oder nicht magnetischen Kochgeschirrs — konstant bleibt, dann ist es möglich, daß die von den einzelnen Heizspulen aufgenommene Wirkleistung bei unterschiedlicher Belastung der einzelnen Heizspulen unabhängig voneinander bleibt. Entsprechendes gilt, wenn bei einer Parallelschaltung mehrerer Heizspulen mit Hilfe der Frequenz der speisenden Spannung dafür gesorgt wird, daß diese Spannung konstant bleibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei wird im folgenden anstelle des Begriffs »gesteuerter Siliziumgleichrichter« auch der Begriff »Thyristor« verwendet. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung, zum Teil in Blockform, einer allgemeinen Anordnung einer erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung,

Fig.2a und 2b Beispiele für die Anordnung der Heizspulen in der Heizeinheit der in F i g. 1 dargestellten Induktions-Heizvorrichtung,

F i g. 3 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung des hier gezeigten, statischen Umformers darstellt,

F i g. 4 eine schematische Darstellung, die ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung zeigt,

F i g. 5 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführung des in F i g. 4 gezeigten Beispiels,

F i g. 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung,

F i g. 7 eine schematische Darstellung eines wiederum anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung,

F i g. 8 eine graphische Darstellung, die ein bevorzugtes Beispiel für die Beziehung zwischen der Triggerfrequenz, die an den statischen Umformer angelegt wird, und einer Signalspannung zeigt, die in der Steuerschaltung erzeugt wird, die in dem Ausführungsbeispiel von F i g. 7 enthalten ist,

F ί g. 9 eine schemaiische Darstellung, die ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßer. Induktions-Heizvorrichtung darstellt,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführung des Beispiels von F i g. 9,

S F i g. 11 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung der Schaltung der Steuereinrichtung, die in dem in Fig. 15 gezeigten Ausführungsbeispiel enthalten ist,

Fig. 12 eine schematische Darstellung, die eine

ίο abgewandelte Form der in F i g. 11 gezeigten Schaltung darstellt,

Fig. 13 eine schematische Darstellung, die eine andere Abwandlung der Steuereinrichtung darstellt, die in dem Ausführungsbeispiel von F i g. 9 enthalten ist, Jig. 14 eine Darstellung, die eine weitere Abwandlung der Schaltung zeigt, die Bestandteil der Steuerein richtung ist, die in dem Ausführungsbeispiel von F i g. 9 enthalten ist.

Fig. 15 eine schematische Darstellung noch eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung,

Fig. 16 eine Darstellung einer Heizeinheit, die in einer erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung eingesetzt werden kann, und

Fig. 17 eine Darstellung einer Abwandlung der in Fig. 16gezeigten Heizeinheit.

Fig. 1 zeigt die grundlegende Schaltanordnung der Induktions-Heizvorrichtung. Die Induktions-Heizvorrichtung weist einen statischen Umformer 30 mit einer Gleichrichtereinheit 32 auf, die an eine Wechselstromquelle 34 angeschlossen ist und einen positiven und einen negativen Ausgangsanschluß 36 bzw. 36' hat. Die Gleichrichtereinheit 32 is;t ein Vollwellenbrückengleichrichter, der aus den Dioden 32a. 32b, 32c und 32c/ besteht, die in einer diametralen Brücke zwischen den positiven und negativen Anschlüssen 36 und 36' angeschlossen sind. Zwischen den Anschlüssen 36 und 36' ist eine Reihenschaltung aus einer den Strom begrenzenden Spule 38 und einem Halbleiterumschalter 40 angeschlossen, der aus einer Parallelschaltung eines Thyristors 42 und einer Diode 44 besteht, die gegensinnig gepolt sind. Über dem Umschalter 40, der auf diese Weise aus dem Thyristor 42 und der Diode 44 aufgebaut ist, ist eine Reihenschaltung aus einer kommutierenden Spule 46 und einem kommutierenden Kondensator 48 angeschlossen, die einen Schwingkreis bilden. Der Thyristor 42 und die Diode 44 sind daher mit ihren entsprechenden Anoden- und Kathodenanschlüssen parallel durch die Strombegrenzerspule 38 mit dem positiven Ausgangsanschluß 36 der Gleichrichtereinheit 32 und durch die kommutierende Spule 46 mit einer Elektrode des kommutierenden Kondensators 48 verbunden. Die jeweils anderen Kathoden- und Anodenanschlüsse sind mit dem negativen Anschluß 36' der Gleichrichtereinheit 32 und mit der anderen Elektrode des kommutierenden Kondensators 48 verbunden.

Der auf diese Weise gebildete statische Umformer 30 hat einen positiven und einen negativen Ausgangsanschluß 50 bzw. 50' und ist mit einer Induktions-Heizeinheit 52 verbunden, die aus einer Parallelschaltung von Heizspulen 56a, 56b... 56 π bestehen kann, die jeweils in Reine mit Filterkondensatoren 54a, 546 ... 54 π geschaltet sind, wie in der in F i g. 2a gezeigten Anordnung dargestellt ist. Auch eine Reihenschaltung der Heizspulen 56a, 56b ... 56n, die an einen einzigen Filterkondensator 54 angeschlossen ist, kann vorgesehen sein, wie in F i g. 2b gezeigt ist. jede der Heizspulen

54a, 546... 54 η ist in Spiralform angeordnet. Während der Benutzung der lnduktions-Heizvorrichtung als Kochgerät wird eine Bratpfanne 58 oder dergleichen aus einem elektrisch leitenden und magnetischen Material in die Nähe einer Heizspule gebracht.

Die lnduktions-Heizvorrichtung weist ferner eine Steuereinheit 60 mit einem Triggerimpulsgenerator 62 und einer Ausgangssteuerschaltung 68 auf. Ein erster Ausgangsanschluß 62a des Triggerimpulsgenerators 62 ist mit dem Gate-Anschluß 42a des genannten Thyristors 42 verbunden, während sein zweiter Ausgangsanschluß 626 mit der Kathode des Thyristors 42 und der Anode der Diode 44 verbunden ist.

Im Betrieb wird die von der Vollwellengleichrichtereinhcit 32 gelieferte Spannung an den Thyristor 42 abgegeben, der leitfähig gemacht wird, wenn ein Triggerimpuls von dem Triggerimpulsgenerator 62 geliefert wird. Wenn der Thyristor 42 auf diese Weise getriggert wird, wird die Spannung über dem Thyristor 42 auf ein Niveau im wesentlichen gleich Null reduziert, so daß ein Wechselstrom, der durch die Gesamtimpedanz der Spulen 38 und 46, der Kondensatoren 48 und 54 und der Heizspulen 56 bestimmt ist, durch den Umschalter 40 fließt, der aus dem Thyristor 42 und der Diode 44 besteht. Durch den auf diese Weise erzeugten Wechselstrom wird über dem Kondensator 48 eine Spannung erzeugt, deren Frequenz gleich der Frequenz ist, mit der der Thyristor 42 getriggert wird. Ein Resonanzstrom mit einer Resonanzfrequenz, die durch die Kapazität des Filterkondensators 54 und die Induktivität der Heizspulen 56 bestimmt ist, fließt daher durch die Heizspulen 56, wobei der kommutierende Kondensator 48 als Stromquelle wirkt, !n der Kochpfanne 58, die dem sich ändernden Magnetfluß ausgesetzt ist, der durch die Heizspulen 56 erzeugt wird, werden daher Wirbelströme erzeugt, so daß die Kochpfanne 58 durch Induktion aufgeheizt wird.

Der Thyristor 42 wird durch die Triggerimpulse von dem Triggerimpulsgenerator 62 der Steuereinheit 60 zyklisch eingeschaltet und durch den Wechselstrom ausgeschaltet, der durch die Reihenschaltung der Spule 46 und des Kondensators 48 erzeugt wird. In diesem Fall bilden die Spule 46 und der Kondensator 48 einen Schwingkreis und sind so gewählt, daß sie eine Resonanzfrequenz /j-erzeugen, die etwa doppelt so groß wie die Frequenz f, ist, mit der der Thyristor 42 von dem Triggerimpulsgenerator 62 getriggert wird.

F i g. 3 zeigt Kurven, die die Spannung V und den Strom / darstellen, die durch den Umformer 30 erzeugt werden, wenn das Verhältnis fyfo zwischen der Resonanzfrequenz f_r, die in der Heizeinheit 52 erzeugt wird, und der Schwingungsfrequenz fo des Umformers 30 variiert wird. Aus diesen Kurven ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung Vund der Ausgangsstrom /des Umformers 30 sich im wesentlichen in ähnlicher Weise mit dem Wert von fJk ändern. Dies bedeutet, daß der in der Heizeinheit 52 fließende Oberstrom dadurch gemessen werden kann, daß man die Spannung über der Heizeinheit 52 mißt.

F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Induktionsheizvorrichtung, bei dem die genannte Ausgangssteuerschaltung 68 so angeordnet ist, daß sie die Spannung über dem Umformer 30 überwacht, um den Triggerimpulsgenerator 62 so zu steuern, daß der in der Heizeinrichtung 52 fließende Strom konstant gehalten wird.

In Fig.4 ist eine Ausführung gezeigt bei der die Heizeinheit 52 aus einer Reihenschaltung von drei Heizspulen 56a, 566 und 56cbesteht. Die Ausgangssteuerschaltung 68 weist einen Stromwandler 108 auf, dessen Primärwicklung in Reihe mit den Heizspulen 56a, 566 und 56c und dessen Skundärwicklung mit einem Strom-Spannungs-Wandler verbunden ist. Der Stromwandler erzeugt in seiner Sekundärwicklung einen Ausgangsstrom, der dem Strom in seiner Primärwicklung proportional ist. Der in der Sekundärwicklung des Stromwandlers 108 erzeugte Strom wird dem Strom-Spannungs-Wandler 110 zugeführt, der daher eine dem Eingangsstrom proportionale Ausgangsspannung abgibt. Die Ausgangssteuerschaltung 68 weist ferner einen Vergleicher 112 auf, dessen erster Eingangsanschluß mi) dem Ausgangsanschluß des Strom-Spannungswandlers l!0 und dessen zweiter Eingangsanschluß mit einem Bezugsspannungsgenerator 114 verbunden ist, der eine vorbestimmte Bezugsspannung an den Vergleicher 112 liefern kann. Der Vergleicher 112 vergleicht die Ausgangsspannung des Strom-Spannungswandlers HC mit der Bezugsspannung von dem Bezugsspannungsgenerator 114 und erzeugt eine Ausgangsspannung proportional zu der Differenz zwischen den beider Eingangsspannungen. Der Ausgangsanschluß des Vergleichers 112 ist mit einem Spannungs-Frequenzwandler 116 verbunden. Der Spannungs-Frequenzwandlei 116 ist so angeordnet, daß er Signale mit einet vorbestimmten festen Frequenz erzeugt, wenn die Ausgangsspannung des Vergleichers 112 gleich Null ist oder daß er eine Frequenz erzeugt, die gegenüber einen· fest vorgegebenen Niveau ansteigt oder abfällt, wenr die Ausgangsspannung des Vergleichers 112 von derr Niveau gleich Null ansteigt bzw. abfällt. Der Spannungs-Frequenzwandler 1!6 ist mit einem AusgangsanschluC mit dem Triggerimpulsgenerator 62 verbunden dei Triggerimpulse erzeugt, deren Frequenz proportiona oder nach einer anderen Gesetzmäßigkeit mit dei Frequenz der Ausgangssignale des Spannungs-Fre quenzwandlers 116 variiert. Wenn daher die Resonanz frequenz /_r, die durch die Reihenschaltung des Filterkondensators 54 und der Induktivität der Heizspu len 56a, 566 und 56c/ erzeugt wird, und die Frequenz f, der Schwingungen des Umformers 30 sind einandei nähern, steigt der Strom, der durch die Heizspulen 56a 566 und 56c fließt, an, und wenn im Gegensatz dazu die Frequenz /_r und die Frequenz /0 auseinanderlaufen, fäll der Strom in jeder der Heizspulen 56a, 566 und 56c ab Mit anderen Worten wird in jeder der Heizspulen 56« bis 56d der Heizeinheit 52 der Strom größer odei kleiner, wenn der Verhältnis fJk sich dem Wert 1 näher bzw. sich von diesem Wert entfernt Der Bezugsspan nungsgenerator 114 der Ausgangssteuerschaltung 68 wie er bisher anhand von Fig.4 beschrieben wurde sollte eine feste Bezugsspannung erzeugen. Gegebenen falls kann die Ausgangssteuerschaltung 68 jedoch mi einer Anordnung versehen werden, durch die dii Bezugsspannung mit der Eingangsspannung des Umfor mers 30, d. h. mit der Ausgangsspannung der Vollwel lengleichrichtereinheit 32, die Bestandteil des Umfor mers 30 bildet, variiert wird.

Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit eine Ausgangssteuerschaltung 68, die mit einer solchei Anordnung versehen ist Die Ausgangssteuerschaltunj 68 weist zusätzlich zu dem Stromwandler 110, den Vergleicher 112, dem Bezugsspannungsgenerator 11· und dem Spannungsfrequenzwandler 116 eine Kompen sationsschaltung 118 auf, deren Eingangsanschlüsse mi dem positiven bzw. dem negativen Ausgangsanschlul 36 bzw. 36' der Vollwellengleichrichtereinheit 32 um

deren Ausgangsanschluß mit dem Bezugsspannungsgenerator 114 verbunden ist. Die Kompensationsschaltung 118 bewirkt, daß der Bezugsspannungsgenerator 114 eine Ausgangsspannung erzeugt, die sich proportional zu der Spannung zwischen den Eingangsanschiüssen der Kompensationsschaltung 118 ändert. Die Frequenz /0 der Schwingungen des Umformers 30 ändert sich daher nur in Abhängigkeit von einer Änderung in der an der Heizeinheit 52 anliegenden Last, und wird nicht durch Schwankungen in der Eingangsspannung des j₀ Umformers 30 beeinflußt. Aus der vorhergehenden Beschreibung ist es ersichtlich, daß die Ausgangssteuerschaltung 68, die in den Ausführungsbeispielen gemäß den F i g. 4 und 5 vorgesehen ist, den Strom, der durch die Vielzahl der Heizspulen fließt, konstant halten und dadurch eine wechselseitige Beeinflussung zwischen den Spulen eliminieren kann, die in Reihe zueinander geschaltet sind. Aus diesem Grund ist die Frequenz der Schwingungen des Umformers 30 kleiner während des unbelasteten Zustandes als während des Lastzustandes, so daß ein Verlust, der während des unbelasteten Zustandes des Umformers auftreten kann, auf ein Minimum herabgesetzt wird. Wenn ferner nicht nur eine geeignete Last aus magnetischem Material, sondern eine ungeeignete Last aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise Aluminium, näher zu irgendeiner der Heizspulen hinbewegt wird und die Induktivität der Heizspule herabgesetzt wird, wird die Frequenz der Schwingungen des Umformers erhöht, so daß der Umformer in einem stabilen Zustand arbeiten kann, weil der durch die Heizspule fließende Strom konstant gehalten wird.

F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Induktions-Heizvorrichtung, bei der die Ausgangssteuerschaltung 68 so angeordnet ist, daß im wesentlichen die gleichen Vorteile wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den F i g. 4 und 5 erreicht werden. Während jedoch die Heizeinheit 52 eine Reihenschaltung aus Heizspulen aufweist und die Ausgangssteuerschaltung 68 dazu geeignet ist, den in der Heizeinheit 52 fließenden Strom in jedem der Ausführungsbeispiele, die in den F i g. 4 und 5 gezeigt sind, konstant zu halten, besteht bei dem Ausführungsbeispiel von Fig.6 die Heizeinheit 52 aus einer Parallelschaltung von Heizspulen 56a, 56b, 56c und 56c/, und die Ausgangssteuerschaltung 68 ist so angeordnet, daß die Spannung über der Heizeinheit 52, d. h. über jeder Heizspule 56a, 56i>, 56c und 56c/ in der Heizeinheit 52, konstant gehalten wird. In dem Umformer 30 in der Induktions-Heizvorrichtung von F i g. 6 ist es wichtig, daß der Filterkondensator 54, der mit der Parallelschaltung der Heizspulen 56a, 56b, 56c und 56c/ verbunden ist, so ausgewählt wird, daß die Schwingungsfrequenz. /0 des Umformers 30 und die Resonanzfrequenz f_r der Heizeinheit 52 in etwa gleich groß sind, so daß eine Abstimmung zwischen-den Frequenzgängen des Umformers 30 und der Heizeinheit 52 geschaffen wird. Da der Filterkondensator 54 so angeordnet ist, hat der Strom, der durch jede der Heizspulen 56a, 56b, 56c und 56c/ fließt, im wesentlichen eine Sinusform.

Wie oben im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel von Fig.4 beschrieben wurde, wächst der Ausgangsstrom des Umformers 30, wenn das Verhältnis zwischen der Resonanzfrequenz f_r der Reihenschaltung aus der Spule 46 und dem Kondensator 48 und die Frequenz /0 der Schwingungen des Uniformes 30 sich dem Wert 1 nähert Wenn man die Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom /und der Ausgangsspannung Vdes Umformers 30(F i g. 3) betrachtet, bedeutet dies, daß die Ausgatigsspannung des Umformers 30 d. h. die Spannung über jeder der Heizspulen 56a, 56£>, 56c und 56c/, steigt, wenn das Verhältnis fJk sich dem Wert 1 nähert. Daraus folgt, daß, wenn eine Last, beispielsweise eine Kochpfanne, näher zu einer der Heizspulen 56a, 566, 56c, und 56c/der Heizeinheit 52 bewegt wird, der durch eine bestimmte Heizspule fließende Strom und folglich die über der Heizspule anstehende Spannung größer wird, so daß der Strom in jeder der restlichen Heizspulen ebenfalls größer wird, wodurch die Ausgangsleistung von jeder der restlichen Spulen geändert wird. Wenn jedoch die Spannung über der Heizeinheit 52 auf einem festen Niveau gehalten wird, wird der Strom in einer Heizspule unverändert gehalten, wenn eine Last näher zu einer anderen Heizspule hin bewegt wird. Daher kann eine Wechselwirkung zwischen den einzelnen Heizspulen 56a, 56b, 56c und 56c/ verhindert werden. Die Ausgangssteuerschaltung 68 in dem Ausführungsbeispiel von F i g. 6 ist dazu geeignet, diesen Zweck zu erfüllen.

Die Ausgangssteuerschaltung 68 (F i g. 6) weist daher einen Spannungsdetektor 120 auf, dessen Eingangsanschlüsse über der Heizeinheit 52 angeschlossen sind, um eine Ausgangsspannung proportional zu der Meßspannung zu erzeugen, die an der Heizeinheit 52, d. h. über jeder der Heizspulen 56a, 56£>, 56c und 56c/ ansteht. Ein Vergleicher 122 ist mit einem ersten Eingangsanschluß an den Spannungsdetektor 120 und mit einem zweiten Eingangsanschluß mit einem Bezugsspannungsgenerator 124 verbunden, der eine vorbestimmte Bezugsspannung erzeugen kann. Der Vergleicher 122 vergleicht die Ausgangsspannung des Spannungsdetektors 120 mit der Bezugsspannung von dem Bezugsspannungsgenerator 124 und erzeugt eine Ausgangsspannung, die der Differenz zwischen den beiden anstehenden Eingangsspannungen entspricht. Die Ausgangsspannung des Vergleichers 122 wird an einen Spannungs-Frequenz-Wandler 126 geliefert, dessen Ausgangsanschluß mit dem genannten Triggerimpulsgenerator 62 verbunden ist. Der Spannungs-Frequenzwandler 126 ist mit einer negativen Rückkopplung (nicht gezeigt) versehen und steuert den Triggerimpulsgenerator 62 derart, daß Triggerimpulse mit einer Frequenz erzeugt werden, die größer wird, wenn die Eingangsspannung an dem Spannungs-Frequenzwandler 126 steigt, und kleiner wird, wenn die Spannung an dem Spannungs-Frequenz-Wandler 126 fällt. Um einen Betrieb des statischen Umformers 30 der hier beschriebenen Art in einem stabilen Zustand zu gestatten, ist es wichtig, daß die Elemente des Umformers 30 und der Heizeinheit 52 so ausgewählt werden, daß die Resonanzfrequenz f_r der letzteren kleiner als die Frequenz /0 der Schwingungen des ersteren ist Aus diesem Grund ist es bevorzugt, daß der Umformer 30 und die Heizeinheit 52 so aufgebaut werden, daß der Wert /j//o kleiner als 1,0 ist und daß der Spannungs-Frequenzwandler 126 der Ausgangssteuerschaltung 68 so angeordnet wird, daß der Triggerimpulsgenerator 62 Triggerimpulse mit einer Frequenz liefert, die sich in Obereinstimmung mit einem vorbestimmten Plan ändert der innerhalb eines Bereiches zwischen 0,5 und 1,0 des Wertes von Wk der durch die Kurve V in F i g. 3 dargestellten Beziehung zwischen fJk und der Ausgangsspannung folgt Wenn es jedoch erwünscht ist daß der Umformer 30 und die Heizeinheit 52 durch Elemente aufgebaut werden, die einen Wert von //Z₀ liefern, der größer als 1,0 ist sollte der Spannungs-Frequenzwandler 126 der Ausgangs-

steuerschaltung 68 (F i g. 6) so angeordnet sein, daß der Triggerimpulsgenerator 62 Triggerimpulse mit einer Frequenz erzeugen kann, die entsprechend einem vorbestimmten Plan, der innerhalb des Bereiches zwischen 1,0 und 1,5 des Wertes von fjfo der durch die Kurve V in F i g. 3 dargestellten Beziehung entspricht, erhöht und herabgesetzt wird, wenn die Eingangsspannung an dem Spannungs-Frequenzwandler 126 herabgesetzt bzw. erhöht wird.

Die Ausgangssteuerschaltung 68 in dem Ausführungsbeispiel von F i g. 6 ist daher geeignet, die Spannung über der Heizeinheit 52 konstant zu halten und dadurch die Wechselwirkungen zwischen den Heizspulen 56a, 566, 56cund 56</zu eliminieren, die in der Heizeinheit 52 parallel geschaltet sind. Wenn beispielsweise eine Last, die nicht nur aus magnetischem Material, sondern auch aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise Aluminium, hergestellt ist, näher zu einer der Heizspulen 56a, 56b, 56c und 56t/ bewegt wird, wird die Anschlußspannung über der jeweiligen Heizspule 56a bis 56d schrittweise erhöht, um die Frequenz fo der Schwingungen des Umformers 30 zu erhöhen, so daß der Umformer 30 in einem stabilen Zustand arbeiten kann. Wenn die Heizspulen 56a, 56b, 56c und 56d nicht an eine Last gekoppelt sind, wird die Schwingungsfrequenz des Umformers 30 kleiner, so daß der Verlust an Schwingungsenergie bei unbelastetem Zustand auf ein Minimum herabgesetzt werden kann.

Während die Ausgangssteuerschaltung 68 des Ausführungsbeispiels von F i g. 6 durch alleinige Messung der Ausgangsspannung des Umformers 30 betrieben werden kann, kann die Steuerschaltung 68 auch so aufgebaut werden, daß sie durch Messung nicht nur der Ausgangsspannung, sondern auch der Eingangsspannung des Umformers 30 betrieben wird. Ein Beispiel für solch eine Steuerschaltung in Anwendung auf die Induktions-Heizvorrichtung ist in F i g. 7 gezeigt.

Das Ausführungsbeispiel der Induktions-Heizvorrichtung, das in F i g. 7 gezeigt ist, hat eine Heizeinheit 52, die etwas anders als die Heizeinheit von jedem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele aufgebaut ist. Die Heizeinheit 52 des Ausführungsbeispiels von F i g. 7 weist eine erste Reihenschaltung aus einem Filterkondensator 54a, einer Heizspule 56a und einem Schaltelement 128a und eine zweite Reihenschaltung aus einem Filterkondensator 546, einer Heizspule 566 und einem Schaltelement 1286 auf. Die erste und die zweite Reihenschaltung aus den Filterkondensatoren 54a und 54b, den Heizspulen 56a und 566 und den Schaltelementen 128a und 1286 sind zwischen dem positiven und negativen Ausgangsanschluß 50 und 50' des statischen Umformers 30 ρε.-allel zueinander angeschlossen. Die Filterkondensatoren 54a und 546 und die Heizspulen 56a und 566 sind vorzugsweise so ausgewählt, daß die Resonanzfrequenz jeder Reihenschaltung aus den Filterkondensatoren 54a und 546 und den Induktivitäten der Heizspulen 56a und 566 geringer als oder nahezu gleich der Frequenz der Schwingung des Umformers 30 ist, so daß der Umformer 30 in einem stabilen Zustand arbeiten kann.

Andererseits weist die Ausgangssteuerschaltung 68 des Ausführungsbeispiels von Fig.7 einen ersten Spannungsdetektor 130 auf, dessen erster Eingangsanschluß 130a parallel über die genannten Schaltelemente 128a bzw. 1286 mit den Heizspulen 56a und 566 verbunden ist, und dessen zweiter Eingangsanschluß 1306 parallel über die Schaltelemente 132a bzw. 1326 mit den anderen Enden der Heizspulen 56a und 566 verbunden ist. Jede Heizspule 56a und 566 ist daher an einem Ende mit dem ersten Eingangsanschluß 130a des Spannungsdetektors 130 über jedes der Schaltelemente 128a und 1286 und an dem anderen Ende mit dem zweiten Eingangsanschluß 1306 des Spannungsdetektors 130 über jedes der Schaltelemente 132a und 1326 verbunden. Die Schaltelemente 128a und 132a, die mit den entgegengesetzten Enden der Heizspule 56a verbunden sind, sind mechanisch miteinander gekoppelt, und auf ähnliche Weise sind die Schaltelemente 1286 und 1326, die mit den entgegengesetzten Enden der Heizspule 566 verbunden sind, mechanisch untereinander gekoppelt. Die Schaltelemente 128a und 1286 und die Schaltelemente 132a und 1326 werden von Hand so betätigt, daß die Heizspulen 56a und 566 mit dem Umformer 30 unabhängig voneinander verbunden werden, wenn die- zugehörigen Schaltelemente geschlossen werden. Wenn das aus den Schaltelementen 128a und 132a bestehende Paar und das aus den Schaltelementen 1286 und 1326 bestehende Paar gleichzeitig geschlossen werden, werden die Filterkondensatoren 54a und 546 und die Heizspulen 56a und 566 parallel zwischen dem positiven und dem negativen Ausgangsanschluß 50 und 50' des Umformers 30 angeschlossen. Die Resonanzfrequenz, die unter diesen Bedingungen in der Heizeinheit 52 eingestellt wird, ist im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz, die dann eingestellt wird, wenn nur eine der Reihenschaltungen aus den Filterkondensatoren 54a und 546 und den Heizspulen 56a und 566 mit dem Umformer 30 verbunden ist.

Dieser Spannungsdetektor 130 erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional zu der Spannung ist, die über jeder der Heizspulen 56a und 566 oder über beiden Heizspulen ansteht. Die Ausgangssteuerschaltung 68 (F i g. 7) weist ferner einen zweiten Spannungsdetektor 134 auf, dessen Eingangsanschlüsse mit dem positiven und negativen Eingangsanschluß 36 und 36' des Umformers 30 verbunden sind, um eine Ausgangsspannung proportional zu der Eingangsspannung des Umformers 30 zu erzeugen. Die Ausgangsspannungen des ersten und des zweiten Spannungsdetektors 130 und 134 werden an einen Vergleicher 136 abgegeben, der aus einer Brückenschaltung besteht, die so ausgeführt ist, daß negative und positive Potentiale an ihren Eingangsanschlüssen, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Spannungsdetektor 130 und 134 verbunden sind, erzeugt werden, so daß eine Ausgangsspannung gleich Null erzeugt wird, wenn die Brückenschaltung sich im Gleichgewichtszustand befindet Die Ausgangsspannung, die durch den Vergleicher 136 erzeugt wird, entspricht daher der Differenz zwischen den Eingangsund Ausgangsspannungen des Umformers 30. Die Ausgangsspannung des Vergleichers 136 wird an einen

SS Spannungs-Frequenzumsetzer 138 abgegeben, der mit dem Triggerimpulsgenerator 62 verbunden ist Der Spannungs-Frequenzumsetzer 138 kann den Triggerimpulsgenerator 62 so steuern, daß er Triggerimpulse mit einer Frequenz abgibt, die sich mit der Eingangsspan nung des Spannungs-Frequenzumsetzers 138 nach einem vorbestimmten Plan ändert, von dem ein Beispiel durch die Kurve F in F i g. 8 dargestellt ist Wie aus Fig.8 zu ersehen ist, hat die Frequenz /, der Triggerimpulse, die an den Thyristor 42 des Umschalters 40 in dem Umformer 30 zugeführt werden, eine untere und eine obere Grenze f\ und h und nimmt einen Wert f_c an, wenn die Eingangsspannung an dem Spannungs-Frequenzumsetzer 138 auf einem Nullniveau ist d. h. wenn

die Eingangs- und die Ausgangsspannung des Umformers 30 gleich groß sind. Die untere Grenze f\ der Trigger frequenz /, wird so gewählt, daß sie über dem hörbaren Frequenzbereich liegt. Andererseits wird die obere Grenze /2 der Triggerfrequenz f, unter Berücksichtigung der Tatsache gewählt, daß der Thyristor nicht abgeschaltet werden kann, wenn er mit einer Frequenz höher als eine bestimmte Frequenz getriggert wird, bei der die Temperatur an den Grenzflächen des Halbleiters so weit erhöht wird, daß schwerwiegende Schaltverluste auftreten.

Im Betrieb wird der Thyristor 42 des Umschalters 40 zyklisch durch die Triggerimpulse von dem Triggerimpulsgenerator 62 eingeschaltet und von dem kommutierenden Strom ausgeschaltet, der durch die Strombegrenzerspule 38, die kommutierende Spule 46 und den kommutierenden Kondensator 48 erzeugt wird. Der Kondensator 48 wirkt daher als Quelle für einen Hochfrequenzstrom, und folglich fließt ein im wesentlichen sinusförmiger Strom in die Heizeinheit 52, wenn die Schaltelemente 128a und 132a, und/oder die Schaltelemente 1286 und 132fe geschlossen werden. Der auf diese Weise in der Heizeinheit 52 erzeugte Strom wird durch die Impedanz der Heizeinheit 52 vorgegeben. Wenn die Resonanzfrequenz f_r der Heizeinheit 52 sich mehr der Frequenz /"0 der Schwingung des Umformers 30 nähert, wird die Impedanz der Heizeinheit 52 kleiner, und die Spannung über der Heizeinheit 52 wird höher. Wenn umgekehrt die Frequenz /0 der Schwingung des Umformers 30 näher der Resonanzfrequenz f_r der Heizeinheit 52 gebracht wird, werden der in der Heizeinheit 52 fließende Strom und die Spannung über der Heizeinheit 52 vergrößert. Die Spannung über der Heizeinheit 52, d. h. über jeder der Hetzspulen 56a und 566, kann durch Variieren der Frequenz /, (die gleich der Frequenz /Ό ist) geregelt werden, mit der der Thyristor 42 des Umschalters 40 getriggert wird. Wenn die Triggerfrequenz f, des Thyristors 42 durch den Spannungs-Frequenzumsetzer 138 so gesteuert wird, daß die Ausgangsspannung des Vergleichers 136 zu Null wird, wird das Verhältnis zwischen der Spannung über jeder der Heizspulen 36a und 366 und der Eingangsspannung des Umformers 30 im wesentlichen konstant. Da die Klemmenspannung an jeder der Heizspulen 56a und 566 konstant gehalten wird, bleibt daher der Strom, der in einer der Heizspulen 56a und 566 fließt, unabhängig davon unverändert, ob das Schaltelement 128a und 1286, welches der anderen Heizspule 56a und 566 zugeordnet ist, offen ist, wenn die an die Heizeinheit 52 angelegte Last unverändert ist. Mit anderen Worten variiert die Last an dem Umformer 30 in breiten Grenzen, wenn das Schaltelement 128a oder 1286 ein- oder ausgeschaltet wird. Die Klemmenspannung an jeder Heizspule 56a und 566 bleibt jedoch unverändert, bis die Last an der Heizeinheit 52 geändert wird. Der Strom, der in jeder Heizspule 56a und 566 fließen soll, wird allein durch den Abstand zwischen der Heizspule und der in Wechselwirkung mit der Heizspule angeordneten Last bestimmt und nicht durch den Schaltzustand des Schaitelementes 128a oder 1286, die zu der anderen Heizspule gehören, und die Last beeinflußt, die auf die andere Heizspule wirkt

Fig.9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei der die Ausgangssteuerschaltung 68, die ähnlich ausgeführt ist wie in dem Ausführungsbeispiel von Fig.7, in Kombination mit der Heizeinheit 52 verwendet wird, die ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel von F i g. 6 ausgeführt ist Die Heizeinheit 52 in dem Ausführungsbeispiel von F i g. 9 besteht somit aus Heizspulen 56a, 566, 56c und 56c/, die parallel zu einem einzigen Filterkondensator 54 geschaltet sind, und die Ausgangssteuerschaltung 68 besteht aus einem ersten und einem zweiten Spannungsdetektor 130 und 134, um Ausgangsspannungen proportional zu den Ausgangs- und Eingangsspannungen des Umformers 30 zu erzeugen, einem Vergleicher 136, um eine Ausgangsspannung entsprechend der Differenz zwischen den jeweiligen Ausgangsspannungen des ersten und des zweiten Spannungsdetektors 130 und 134 zu erzeugen, und aus einem Spannungs-Frequenzumsetzer 138, um den Triggerimpulsgenerator 62 so zu steuern, daß Triggerimpulse für den Umformer 30 mit einer Frequenz erzeugt werden, die sich nach einem vorbestimmten Plan ändert, der durch die Beziehung vorgeschrieben sein kann, die durch die Kurve Kin F i g. 8 dargestellt ist. Wie oben im Zusammenhang mit F i g. 7 beschrieben wurde, ist der Vergleicher 136 als Brückenschaltung aufgebaut, in der negative und positive Potentiale an den Eingangsanschlüssen erzeugt werden, die mit dem ersten und dem Zweiten Spannungsdetektor 130 bzw. 134 verbunden sind. Der Spannungs-Frequenzumsetzer 138 steuert den Triggerimpulsgenerator 62 so, daß die Differenz zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen des Umformers 30 auf ein Minimum herabgesetzt wird. Der Strom, der durch jede der Heizspulen 56a, 566,56c und 56c/ fließt, und die Spannung über jeder der Heizspulen werden daher unabhängig von den Lasten konstant gehalten, die an den einzelnen Heizspulen angelegt sind.

F i g. 10 zeigt eine andere Abwandlung des in F i g. 7 gezeigten Ausführungsbeispiels. Die Ausgangssteuerschaltung 68 in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 10 ist ähnlich wie die entsprechende Schaltung in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7. Während die Heizeinheit 52 des Ausführungsbeispiels von F i g. 7 aus zwei Reihenschaltungen besteht die die Filterkondensatoren 54a und 546, die Heizspulen 56a und 566 und die Schalterelemente 128a und 1286 aufweisen, besteht die Heizeinheit 52 des Ausführungsbeispiels von Fig. 10 aus vier Reihenschaltungen, die die Filterkondensatoren 54a bis 54c/, die Heizspulen 56a bis 56c/ und die Schaltelemente 128a bis 128c/ aufweisen. Die vier Reihenschaltungen der Filterkondensatoren, Heizspulen und Schaltelemente sind parallel zwischen dem positiven und dem negativen Anschluß 50 und 50' des Umformers 30 angeschlossen. Die Heizspulen 56a, 566, 56c und 56c/sind über Schaltelemente 128a, 1286, 128c bzw. 128c/ mit dem ersten Eingangsanschluß des ersten Spannungsdetektors 130 der Ausgangssteuerschaltung 68 verbunden. Die Schaltelemente 128a, 1286,128c und 128c/ sind mechanisch mit den Schaltelementen 132a. 1326, 132c bzw 132c/ gekoppelt von denen jedes zwischen dem zweiten Eingangsanschluß des ersten Spannungsdetektors 130 und dem Verbindungspunkt zwischen der jeweiligen Heizspule 56a bis 56c/und dem zugehörigen Filterkondensator 54a bis 54c/ angeschlossen ist Jede Heizspule 56a bis 56c/ ist daher an einem Ende über je eines der Schaltelemente 128a bis 128c/ mit dem ersten Eingangsanschluß des Spannungsdetektors 130 und an dem anderen Ende über je eines der Schaltelemente 132a bis 132</ mit dem zweiten Eingangsanschluß des Spannungsdetektors 130 verbunden.

Wenn der statische Umformer 30, der in Kombination mit einer solchen Heizeinrichtung 52 verwendet werden soll, nur einen kommutierenden Kondensator 48 hat wie

es bei dem Umformer 30 in jedem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele der Fall war, muß der kommutierende Kondensator 48 so gewählt werden, daß er eine genügende Endmenge an kommutierender Energie erzeugen kann, damit alle Heizspulen 56a bis 56c/ gleichzeitig in einem stationären Zustand betrieben werden können. Wenn in diesem Fall wenigstens eine der Heizspulen 56a bis 56c/ abgeschaltet bleibt, wobei wenigstens eines der Schaltelemente 128a bis 128c/offen ist, wird die Menge an kommutierender Energie, die in dem Umformer 30 erzeugt wird, für die restlichen Heizspulen, die eingeschaltet bleiben, übermäßig groß, und die Schwingungsfrequenz des Umformers erhöht sich. Dadurch ergeben sich Anstiege in dem Strom und der Spannung, die an den Thyristor 42 des Umformers 30 angelegt werden, und folglich ein Anstieg in dem Schaltverlust des Thyristors 42 Wenn der Schaltverlust des Thyristors 42 auf ein kritisches Niveau erhöht wird, kann er nicht mehr abgeschaltet werden, weil an den Grenzflächen des Halbleiters die Temperatur extrem hoch wird, wie oben beschrieben wurde.

Um das beschriebene Problem zu vermeiden, weist der Umformer 30 bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 10 einen Satz zusätzlicher, kommutierender Kondensatoren 140a, 140£>, 140c und 140d auf, die parallel zwischen der kommutierenden Spule 46 und den Heizspulen 56a, 560, 56c bzw. 56c/ der Heizeinheit52 angeschlossen sind. Jede der Heizspulen 56a bis 56c/ ist mit einem Ende von je einem Filterkondensator 54a bis 54c/ und an dem anderen Ende mit je einem der zusätzlichen, kommutierenden Kondensatoren 140a bis 140c/ verbunden. Der kommutierende Kondensator 48, der somit parallel zu den zusätzlichen Kondensatoren 140a bis 140c/geschaltet ist, wird so gewählt, daß er eine kleinere Kapazität als die Kapazität des kommutierenden Kondensators 48 hat, der in dem üblichen Umformer mit nur einem kommutierenden Kondensator vorgesehen ist. Die Zahl der verwendeten, kommutierenden Kondensatoren wird in dieser Weise mit der Zahl der Heizspulen geändert, die durch den Umformer 30 mit Strom versorgt werden, so daß die Menge der kommutierten Energie, die von dem Umformer 30 erzeugt wird, je nach der Zahl der zu erregenden Heizspulen geregelt wird. Der Strom und die Spannung, die an den Thyristor 42 angelegt werden, werden im folgenden im wesentlichen konstant gehalten, unabhängig von der Zahl der eingeschalteten Heizspulen, so daß der Thyristor 42 auf jeden Fall durch den daran angelegten, kommutierenden Strom ausgeschaltet werden kann.

F i g. 11 zeigt ein praktisches Beispiel für die Kombination des ersten und des zweiten Spannungsdetektors 130 und 134 und des Vergleichers 136 in der Ausgangssteuerschaltung 68, wie sie in jedem der bisher anhand der Fig.7, 9 und 10 beschriebenen Ausführungsbeispielen vorhanden ist. Die Heizeinheit 52 soll im wesentlichen ähnlich wie die des in F i g. 10 gezeigten Ausführungsbeispiels aufgebaut sein, obwohl nur 2 Reihenschaltungen aus Filterkondensatoren 54a und 54b, Heizspulen 56a und 56b und Schaltelementen 128a und 128b als Bestandteile der Heizeinheit 52 gezeigt sind. Der Umformer 30, der mit solch einer Heizeinheit 52 kombiniert ist, hat demnach zusätzliche, kommutierende Kondensatoren 140a und 140b, die parallel zu den Filterkondensatoren 54a und 54f> angeschlossen sind. Die Schaltelemente 128a und 128f>, die den Heizspulen 56a und 566 zugeordnet sind, sind mit den Schaltelementen 112a bzw. 132/jzusammeneeschaltet. wobei jedes an einem Ende mit dem Verbindungspunkt zwischen je einer der Heizspulen 56a und 566 und je einerr zugeordneten Filterkondensator 54a und 546 angeschlossen ist, wie dargestellt ist

Die Heizspulen 56a und 56b sind parallel zu einei Reihenschaltung aus Spannungsteilerwiderständen 142 und 144 über den Schaltelementen 132a und 132/ angeschlossen, die den Heizspulen 56a bzw. 56Z zugeordnet sind. Der Widerstand 144 wird durch einer Kondensator 146 nebengeschlossen. Über der Parallelschaltung aus dem Widerstand 144 und dem Kondensator 146 ist ein Kondensator 148 durch eine Diode 15t angeschlossen, deren Kathode mit dem Verbindungs· punkt zwischen den Widerständen 142 und 144 und derr Kondensator 146 und deren Anode mit einer Elektrode des Kondensators 148 so verbunden ist, daß die durch die Reihenschaltung des Kondensators 148 und dei Diode 150 gleichgerichtete Spannung eine negative Polarität gegenüber Erdpotential hat. Die gleichgerich tete Spannung ist näherungsweise proportional zu derr Spitzenwert der Klemmenspannung an jeder dei Heizspulen 56a und 56b. Die Widerstände 142 und 144 die Kondensatoren 146 und 148 und die Diode 15( bilden in dieser Kombination den ersten Spannungsde tektor 130, der eine negative Spannung proportional zi der Klemmenspannung von jeder der Heizspulen 56i und 566 der Heizeinheit 52 erzeugt.

Der zweite Spannungsdetektor 134 weist eine Reihenschaltung aus Spannungsteilerwiderständcn 15i und 154 auf, die zwischen dem positiven und den· negativen Eingangsanschluß 36 und 36' des Umformen 30 angeschlossen sind. Der Widerstand 154 ist durcr einen Kondensator 156 nebengeschlossen, so daß dei Teil der Spannung, der über den Widerständen 152 unc 154 ansteht, durch den Kondensator 156 von dei Welligkeit befreit wird. Der Spannungsdetektor 134, dei auf diese Weise aus den Widerständen 152 und 154 unc dem Kondensator 156 aufgebaut ist, erzeugt eine positive Spannung proportional zu der Eingangsspan nung des Umformers 30. Die Ausgangsanschlüsse 15} und 160 des ersten und des zweiten Spannungsdetektor: 130 und 134 sind durch einen variablen Spannungsteilei 162 miteinander verbunden, der so ausgeführt ist, daß ei von den negativen und positiven Ausgangsspannunget der Spannungsdetektoren 130 und 134 ein Ausgangssi gnal gleich Null anzeigt, wenn die Eingangs- unc Ausgangsspannungen des Umformers 30 gleich grot sind. Der Spannungsteiler 162 hat einen Abgriff 162a der mit dem ersten Eingangsanschluß 164 eine: Differentialverstärkers 166 verbunden ist, der einet zweiten Eingangsanschluß 168, an dem konstant eil festes, positives Potential erzeugt wird, und einei dritten Eingangsanschluß 170 hat, der geerdet ist. Dei Differentialverstärker 166 kann die Eingangsspannunj bei einem Niveau nahe bei Null verstärken und weis einen ersten und einen zweiten NPN-Transistor 172 um 174 auf, deren Kollektorelektroden parallel durcl Widerstände 176 bzw. 178 parallel mit dem eine konstante Spannung führenden Eingangsanschluß 161 verbunden sind, und deren Emitterelektroden durcl einen Widerstand 180 parallel mit dem geerdetei Anschluß 170 verbunden sind. Die Basis des erstei Transistors 172 ist über den Eingangsanschluß 164 de Verstärkers 166 mit dem Abgriff 162a des Spannungs teilers 162 verbunden, während die Basis des zweitei Transistors 174 geerdet ist. Der Differentialverstärke 166 ist mit einem Ausgangsanschluß 182 mit den Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des erstei

Transistors 172 und dem Widerstand 176 verbunden. Der variable Spannungsteiler 162 und der Differentialverstärker 166 bilden den obenerwähnten Vergleicher 136. Der Ausgangsanschluß 182 des Differentialverstärkers 166 ist mit dem Eingpngsanschluß des obengenannten Spannungs-Frequenzumsetzers 138 verbunden, dessen Ausgangsanschluß mit dem Triggerimpulsgenerator 62 verbunden ist Der Triggerimpulsgenerator 62 wird durch den Spannungs-Frequenzumsetzer 168 gesteuert, so da3 er Triggerimpulse mit einer Frequenz erzeugt, die entsprechend der Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 166 variiert wird. Die Triggerfrequenz /, des Thyristors 42 des Umschalters 40 und folglich die Frequenz k der Schwingungen des statischen Umformers 30 werden so variiert, daß die Ausgangsspannung des Umformers 30 und folglich die Klemmenspannung an jeder Heizspule 56a und 566 so variiert werden, daß die an dem Abgriff 162a des Spannungsteilers 162 des Vergleichers 136 auftretende Spannung gleich Null wird. Wenn in diesem Fall die Spannung, die an dem Eingangsanschluß 164 des Differentialverstärkers 166 ansteht, ansteigt, wird der Triggerimpulsgenerator 62 durch den Spannungs-Frequenzumsetzer 163 so gesteuert, daß er Triggerimpulse mit wachsender Frequenz erzeugt, so daß die Ausgangsspannung des Umformers 30 herabgesetzt wird. Die Ausgangsspannung des Umformers 30 wird in dieser Weise proportional zu der Eingangsspannung des Umformers 30 erhöht, so daß die Spannung im wesentlichen konstant gehalten wird, die an dem Eingangsanschluß 164 des Differentialverstärkers 166 ansteht Wenn jedoch ein Gegenstand aus Metall näher zu der Heizspule 56a oder 56b bewegt wird, wird die Klemmenspannung der Heizspule geändert, so daß die Triggerfrequenz des Thyristors 42 des Umschalters 40 derart geändert wird, daß die Klemmenspannung der Heizspule auf den Anfangswert zurückkehrt.

Fig. 12 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Kombination der Spannungsdetektoren 130 und 134 und des Vergleichers 136, die Bestandteil der Ausgangssteuerschaltung 68 sind, die in dem Ausführungsbeispiel enthalten ist, das in den F i g. 7,9 oder 10 gezeigt ist. Der erste Spannungsdetektor 130 zur Messung der Ausgangsspannung des Umformers 30 weist einen Spannungswandler 182 auf, dessen Primärwicklung zwischen dem positiven und dem negativen Anschluß 50 und 50' des Umformers 30 angeschlossen ist und dessen Sekundärwicklung durch eine Reihenschaltung aus einer Diode 184 und einer Parallelschaltung eines Kondensators 186 und eines Widerstandes 188 nebengeschlossen ist, so daß eine negative Spannung proportional zu der Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 50 und 50' des Umformers 30 gegenüber dem Erdniveau erzeugt wird, das durch G angedeutet ist. Andererseits weist der zweite Spannungsdetektor 134 zur Messung der Eingangsspannung des Umformers 30 Spannungsteilerwiederstände 190 und 192 auf, die in Reihe zwischen dem positiven und dem negativen Eingangsanschluß 36 und 36' des Umformers 30 angeschlossen sind. Der Widerstand 192 wird durch eine Reihenschaltung aus einer Diode 194 und einem Kondensator 196 nebengeschlossen, der durch einen Widerstand 198 nebengeschlossen ist, so daß eine positive Spannung proportional zu der Spannung zwischen den EingangsanschlUssen 36 und 36' des Umformers 30 gegenüber dem Erdniveau G erzeugt wird. Der erste und der zweite Spannungsdetektor 130 und 134 sind miteinander durch einen variablen Spannungsteiler 200 verbunden, dessen Abgriff 200a mii einem Eingangsanschluß eines Differentialverstärker! 202 verbunden ist Der Differentialverstärker 202 is ähnlich wie der Differentialverstärker 16ö (Fig. 17 aufgebaut und weist zwei Transistoren 204 und 206 auf deren Kollektoren parallel durch Widerstände 210 bzw 212 an einen eine konstante Spannung führender Eingangsanschluß 208 angeschlossen sind, und derer Emitter über einen Widerstand 216 mit einen:

ίο Erdanschluß 214 verbunden sind Die Basis des einer Transistors 204 ist mit dem Abgriff 200a des variabler Spannungsteilers 200 verbunden, während die Basis de; anderen Transistors 206 geerdet ist Der Differential verstärker 202 hat damit einen Ausgangsanschluf zwischen dem Kollektor des Transistors 204 und derr Widerstand 210. Der Ausgangsanschluß 218 ist mit derr genannten Spannungs-Frequenzumsetzer 138 verbunden. Der variable Spannungsteiler 200 wird se eingestellt, daß eine Ausgangsspannung gleich NuI erzeugt wird, wenn das Verhältnis zwischen dei Eingangsspannung und der Ausgangsspannung de; Umformers 30 einen vorbestimmten Wert hat

Fig. 13 zeigt ein anderes Beispiel für den Vergleichei 136 in Kombination mit dem ersten und dem zweiter Spannungsdetektor 130 und 134 und dem Spannungs-Frequenzumsetzer 138, um die Ausgangssteuerschaltung 68 zu bilden. Der Vergleicher 136 weist einer ersten und einen zweiten Gleichrichter 220 und 222 auf deren Eingangsanschlüsse mit dem obenbeschriebenen ersten Spannungsdetektor 130 und dem obenbeschriebenen, zweiten Spannungsdetektor 134 verbunden sind so daß die Spannungen v\ und v₂ proportional zu dei Eingangsspannung Vi und der Ausgangsspannung V; des Umformers an den Gleichrichtern 220 und 222 erzeugt werden. Die Widerstände 224 und 226 sind ir Reihe über den Gleichrichtern 220 und 222 angeschlossen, so daß eine Spannung ιό proportional zu det Differenz zwischen den beiden Eingangsspannungen V| und V₂ zwischen dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Gleichrichter 220 und 222 und dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 224 und 226 erzeugt wird. Die Ausgangsspannung v₀ wird an den obenerwähnten Spannungsniedrigfrequenzumsetzer 138 weitergegeben. Wenn nun die Spannungsumset- zungskoeffizienten, die an dem ersten und dem zweiter Spannungsdetektor 130 und 134 eingestellt sind, k\ und ki sind, werden die Eingangsspannungen Vi und v₂ des Vergleichers 136 wie folgt ausgedrückt: vi = Jt, · Vi und V₂ = Ar₂ · V₂. Wenn in diesem Fall das Verhältnis der Ausgangsspannung V₂ zu der Eingangsspannung V, des Umformers Ar₃ ist, wird die Beziehung

V₂ = Ar₂-Ar₃- Vi-JIf₂- V₂

erhalten. Wenn daher die Ausgangsspannung vo des Vergleichers 136 gleich Null ist, gilt die folgende Beziehung:

V₂ = (V^ + V₂)- R)I (R\ +R₂),

wobei R\ und A₂ die Widerstandswerte der Widerstände 224 und 226 sind. Substituiert man die Gleichunger V₁ = Ar, . Vi und V₂ = A₂ · V₂ in die obige Gleichung, se erhält man folgende Gleichung:

(kx + k₂ ■ k₃) · V₁ · /?, /(R, + R₂) = k₂ ■ ki ■ V,, so daß gilt:

(Jt₁ + Jt₂ · k_}) ■ R_xI(R, + A₂) = Jt₂ · Jt₃. Wenn daher die Ausgangsspannung V₂ des Umfor-

niers 30 so gesteuert wird, daß die Ausgangsspannung v₀ des Vergleichers 136 im wesentlichen auf Null gehalten wird, wird das Verhältnis fa zwischen der Eingangsspannung Vl und der Ausgangsspannung V₂ des Umformers 30 unabhängig von der Eingangsspannung Vi konstant s gehalten. F i g. 14 zeigt die Einzelheiten einer Schaltung, die diese Funktion erfüllen kann.

Gemäß Fig. 14 weist der erste Spannungsdetektor 130 eine Reihenschaltung aus Spannungsteilerwiderständen 228 und 230 auf, die zwischen dem positiven und ι ο dem negativen Ausgangsanschluß des Umformers 30 angeschlossen sind. An dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 228 und 230 ist eine Reihenschaltung aus einer Diode 232 und einem Kondensator 234 angeschlossen, der durch einen Widerstand 236 nebengeschlossen ist Entsprechend besteht der zweite Spannungsdetektor 234 aus einer Reihenschaltung aus Spannungsteilerwiderständen 238 und 240, die zwischen dem positiven und dem negativen Eingangsanschluß des Umformers 30 angeschlossen sind. Eine Reihenschaltung aus einer Diode 242 und einem Kondensator 244 ist über dem Widerstand 240 angeschlossen. Die Anoden und Kathoden der Dioden 232 und 242 sind miteinander durch einen variablen Spannungsteiler 246 verbunden, dessen Abgriff 246a mit einem Differentialverstärker 248 verbunden ist Der Differentialverstärker 248 ist ähnlich wie sein Gegenstück in der Schaltung von Fig. Il oder 12 ausgeführt und weist daher einen ersten und einen zweiten Transistor 250 und 252 auf, deren jeweilige Kollektoren durch Widerstände 256 und 258 mit einem eine konstante Spannung führenden Eingangsanschluß 254 verbunden sind, und deren jeweilige Emitter parallel durch einen Widerstand 266 mit einem Erdanschluß 264 verbunden sind. Die Basis des ersten Transistors 250 ist mit dem Abgriff 246a des Spannungsteilers 246 verbunden, und die Basis des zweiten Transistors 252 ist geerdet. Der Differentialverstärker 248 hat einen Ausgangsanschluß 268 an dem Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des ersten Transistors 250 und dem Widerstand 256 und ist durch diesen Ausgangsanschluß mit dem obenerwähnten Spannungs-Frequenzumsetzer verbunden. Der variable Spannungsteiler 246 ist so ausgeführt, daß er eine Ausgangsspannung gleich Null erzeugt, wenn das Verhältnis zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung des Umformers 30 einen bestimmten Wert annimmt.

Fig. 15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung. Dieses Ausfuhrungsbeispiel hat eine Heizeinheit 52, die aus einer einzigen Heizspule 56 besteht, und ist durch eine Ausgangssteuerschaltung 68 gekennzeichnet, die nicht nur die Spannung über der Heizspule 56 konstant halten sondern auch den Umformer 30 veranlassen kann, den Betrieb einzustellen, wenn eine Last aus einem nicht magnetischen Material, beispielsweise Aluminium, in die Nähe der Heizspule 56 gebracht wird. Die Ausgangssteuerschaltung 68 (F i g. 15) ist weitgehend ähnlich wie die Ausgangssteuerschaltung (58 in den F i g. 7, 9 und 10 ausgebildet und weist einen ersten und einen zweiten Spannungsdetektor 130 und 134 auf, um Ausgangsspannungen proportional zu der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung des statischen Umformers 30 zu erzeugen. Ferner ist ein Vergleicher 136 vorgesehen, der eine Brückenschaltung aufweist, um eine Spannung entsprechend der Differenz der jeweiligen Ausgangsspannungen des ersten und zweiten Spannungsdetektors 130 und 140 zu erzeugen. Ein Spannungs-Frequenz- umsetzer 138 ist vergesehen, um den Triggerimpuls -generator 62 derart zu steuern, daß er Triggerimpulse mit einer Frequenz proportional ixt der Ausgangsspannung des Vergleichers 136 abgibt. Zusätzlich zu den Schaltungen 130,134, 136 und 138 weist die Ausgangssteuerschaltung 68 (Fig. 15) einen Abschalter 270 auf, dessen Eingangsanschluß an den Ausgangsanschluß des Spannungs-Frequenzumsetzers 138 und dessen Ausgangsanschluß mit dem zweiten Eingangsanschluß des Spannungsfrequenzumsetzers 138 verbunden ist. Der Abschalter 270 vergleicht die Frequenz des von dem Spannungs-Frequenzumsetzer 38 erzeugten Signals mit einem vorbestimmten Bezugswert und verhindert die Abgabe von Signalen von dem Umsetzer 138 an den Triggerimpulsgenerator 62, wenn die Frequenz der Signale des Umsetzers 138 über den Bezugswert ansteigt

Wenn im Betrieb ein nicht magnetisches Material, beispielsweise Aluminium, näher zu der Heizspule 56 gebracht wird, wird die Induktivität der Heizspule 56 kleiner, so daß die Resonanzfrequenz f_r ansteigt die durch die Reihenschaltung des Filterkondensators 54 und der Heizspule 56 bestimmt wird. Das Verhältnis zwischen der Resonanzfrequenz f_r und der Frequenz fa der Schwingungen des Umformers 30 wird folglich zu dem Wert 1 hin geändert, wie oben in Zusammenhang mit F i g. 3 beschrieben wurde, so daß die Spannung über der Heizspule 56 ansteigt Die Schwingungsfrequenz /0 des Umformers 30 wird unter der Steuerung der Ausgangssteuerschaltung 68 erhöht, wenn die Ausgangsspannung des Umformers 30 gegenüber der Eingangsspannung des Umformers 30 erhöht wird, wie oben beschrieben wurde. Wenn daher die Heizspule 56 einer List aus nicht magnetischem Material, beispielsweise aus Aluminium, ausgesetzt wird, wird die Schwingungsfrequenz /Ό des Umformers 30 erhöht, um die Spannung an der Heizspule 56 zu reduzieren. Dadurch ergibt sich ein Anstieg in der Ausgangsspannung des Vergleichers 136, so daß der Spannungs-Frequenzumsetzer 138 den Triggerimpulsgenerator 62 derart steuert, daß er Triggerimpul.se mit einer höheren Frequenz abgibt. Wenn die auf diese Weise durch den Spannungs-Frequenzumsetzer 138 bestimmte Frequenz einen bestimmten Bezugswert erreicht, der an dem Abschalter 270 eingestellt ist, gibt der Abschalter 270 ein Ausgangssignal an den Spannungs-Frequenzumsetzer 138 ab und verhindert, daß der Spannungs-Frequenzumsetzer 138 Ausgangssignale erzeugt. Der Umformer 30 wird folglich außer Betrieb genommen.

F i g. 16 zeigt eine Anordnung, bei der die Ausgangsleistung jeder der Heizspulen, die in Reihe geschaltet sind, durch eine Steuereinrichtung in der Heizeinheit selbst gesteuert wird. Die Heizspulen, beispielsweise die beiden gezeigten Heizspulen 56a und 56b, sind mit Spulen 272a bzw. 2720 mit variabler Induktivität parallel geschaltet. Ein statischer Umformer, der mit der auf diese Weise aufgebauten Heizeinheit 52 kombiniert wird, ist mit einer Steuereinrichtung versehen, um den durch jede der Heizspulen 56a und 56b fließenden Strom konstant zu halten. Wenn die Induktivität von einer Spule 272a so geändert wird, daß die Ausgangsleistung der zugehörigen Heizspule 56a geändert wird, bleibt die gesamte Impedanz der anderen Spule 2726 und der zugehörigen Heizspule 56b unverändert, weil der in der Heizspule 56b und in der Spule 2726 fließende Strom konstant gehalten wird. Die Ausgangsleistung der letzteren Heizspule 56b, wird daher unverändert gehalten, obwohl die Induktivität der Spule 272a

geändert wird. Wenn jedoch die Induktivität der Spule 272a geändert wird, ist die Gesamtimpedanz der Heizspule 56a und der zugehörigen Spule 272a geändert, so daß die Ausgangsleistung lier Heizspule 56a geändert wird, obwohl der durch die Heizspule 56a und die zugehörige Spule 272a fließende Strom konstant gehalten wird. Die Ausgangsleistung von jeder der Heizspulen 56a und 566 kann daher ohne Beeinflussung der Ausgangsleistung der anderen Heizspule 56a oder 56b einfach dadurch variiert werden, daß man die to Induktivität jeder der in ihrer Induktivität variablen Spulen 272a und 272b ändert.

Fig. 17 zeigt eine abgewandelie Ausführung der in

Fig. 22 gezeigten Anordnung. Die hier gezeigte Heizeinheit 52 weist Heizspulen 56a und 566, die parallel zu dem Filterkondensator 54 geschaltet sind, und in ihrer Impedanz variable Spulen 272a und 272i· auf, die in Reihe mit den Heizspulen 56a bzw. 566 geschaltet sind. Der statische Umformer, der mit der auf diese Weise augebauten Heizeinheit 52 kombiniert wird, ist mit einer Steuereinrichtung vergehen, um die Spannung über jeder der Heizspulen 56a und 56£ konstant zu halten, so daß ein Effekt ähnlich wie der Effekt bei der Anordnung von Fig. 16 erzielt werden kann.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Induktions-Heizvorrichtung mit einer mehrere Heizspulen aufweisenden Heizeinheit und mit einem statischen Umformer zwischen der Heizeinheit und einer Wechselstromquelle, der den zugeführten Wechselstrom in einen Hochfrequenzstrom umformt, der in den Heizspulen ein kommutierendes Hochfrequenz-Magnetfeld erzeugt, bei der der Umformer einen aus der Antiparalleischcltung eines gesteuerten Siliziumgleichrichters und einer Diode bestehenden Umschalter aufweist, und bei der die Steuerelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters mit dem Ausgang eines Triggerimpulsgenerators verbunden ist, dessen hochfrequente Triggerimpulse die Frequenz des Hochfrequenzstromes bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß alle eingeschalteten Heizspulen (56a, 56b ...) der Heizeinheit (52) elektrisch miteinander verbunden sind und zwischen dem Umschalter (40) und der Heizeinheit (52) eine Steuereinrichtung (68) vorgesehen ist, die eine Detektoreinrichtung (108,110; 120; 130) zur Ermittlung der Höhe der der Heizeinheit vom statischen Umformer (30) gelieferten elektrischen Energie und zur Erzeugung eines der festgestellten Höhe der Energie entsprechenden Ausgangssignals aufweist und die eine allen Heizspulen (56a, 566...) jeweils gemeinsame elektrische Größe mißt, die ferner einen Vergleicher (112; 122, 136) aufweist, der das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung mit einem vorgegebenen Bezugssignal eines Bezugsspannungsgenerators (114) vergleicht und ein dem Unterschied zwischen beiden Signalen entsprechendes Ausgangssignal erzeugt, und die einen Steuersignalgenerator (116; 126; 138) aufweist, der zwischen den Vergleicher und den Triggerimpulsgenerator (62) geschaltet ist und -.bhängig vom Ausgangssignal des Vergleichers Steuersignale an den Triggerimpulsgenerator liefert, der im Fall eines fehlenden Ausgangssignals des Vergleichers (102) Triggerimpulse mit einer bestimmten Frequenz erzeugt und der Triggerimpulse mit einer Frequenz oberhalb der bestimmten Frequenz erzeugt, wenn das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung höher als das Bezugssignal ist, und der Triggerimpulse mit einer Frequenz erzeugt, die unter der bestimmten Frequenz liegt, wenn das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung niedriger als das Bezugssignal ist, und daß eine auf Änderungen der Eingangsspannung des statischen Umformers (30) ansprechende und mit dem Bezugsspannungsgenerator (114) verbundene Kompensationseinrichtung (118) vorgesehen ist.

2. Induktions-Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspulen (56a, 56b...) in Reihe geschaltet sind und die Detektoreinrichtung einen den Strom durch die Heizspulen erfassenden Stromdetektor (108) und einen Strom-Spannungs-Umsetzer (110) aufweist, der eine dem Strom proportionale Ausgangsspannung erzeugt, welche das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung darstellt.

3. Induktions-Heizvorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspulen (56a, 56b...) parallel geschaltet sind und die Detektoreinrichtung einen an die Heizspulen angeschlossenen Spannungsdetektor (120; i5ö) aufweist, der eine der Spannung an den Heizspulen proportionale Spannung erzeugt

4. Induktions-Heizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung einen zweiten Spannungsdetektor (134) aufweist, der eine der Eingangsspannung des statischen Umformers (30) proportionale Ausgangsspannung erzeugt, und daß die Ausgangsspannungen des ersten und des zweiten Spannungsdetektors (130, 134) am Vergleicher (136) liegen, dessen Ausgangsspannung der Differenz zwischen seinen beiden Eingangsspannungen proportional ist

5. Induktions-Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (68) eine Abschalteinrichtung (270) besitzt, die abhängig von den Triggerimpulsen des Triggerimpulsgenerators (62) den Steuersignalgenerator (138) abschaltet, wenn die Frequenz der Triggerimpulse außerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs liegt.