DE2535637B2 - Schaltungsanordnung für die Steuerung einer HF-Induktionsheizung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen. Eine solche Schaltungsanordnung läßt sich aus der DE-OS 23 04 411, insbesondere deren Figuren und 15 herleiten.

Bei der bekannten Schaltungsanordnung arbeitet die HF-Quelle mit einem festen Tastverhältnis unabhängig davon, wieviel Energie auf die Belastungen zu übertragen ist. Entsprechend sind auch die in der HF-Quelle selbst entstehenden Verluste unabhängig davon, wieviel Nutzleistung verbraucht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung gattungsgleichen Typs zu schaffen, bei der die Verluste der HF-Quelle nur während der Zeitperioden auftreten, in denen auch Nutzleistung auf mindestens eine Belastung übertragen wird, womit der Wirkungsgrad der gesamten Heizung verbessert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs. Das Tastverhältnis der HF-Quelle wird auf diese Weise an diejenige Belastung angepaßt, die maximalen Leistungsbedarf hat und mithin innerhalb eines Betriebszyklus zuerst einschaltet. Der hierfür erforderliche Aufwand ist verhältnismäßig gering, wie aus der nachfolgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen hervorgeht Hierfür wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.

F i g. 1 stellt eine erste Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung dar,

F i g. 2 ist ein Diagramm, in dem der zeitliche Verlauf von Spannungen der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 aufgetragen ist,

F i g. 3 und 4 zeigen abgewandelte Ausführungsformen der Schaltungsanordnung nach F i g. 1.

Die Schaltung nach F ϊ g. 1 weist eine Hochfrequenzenergiequelle 60 für die Lieferung von Energie an die Induktionsspule A und die Induktionsspule B zwecks Erhitzung der Behälter 61 bzw. 62 auf. Ein Paar von gesteuerten Siliziumgleichrichtern £4 und 65 ist vorgesehen für die Steuerung der Energie, die der Induktionsspule A zugeführt wird, und ein Paar von gesteuerten Siliziumgleichrichtern 66 und 67 für die Steuerung der Energie, welche der Induktionsspule B

ίο zugeführt wird. Dabei wird die Hochfrequenzenergiequelle 60, welche vorzugsweise periodisch ein- und ausgeschaltet wird mit einem Tastverhältnis von 90% ein und 10% aus, nur dann eingeschaltet, wenn es erwünscht ist, die Induktionsspule einzuschalten, die die höchste Energieeinstellung verlangt, und deshalb zuerst eingeschaltet wird. Zu diesem Zweck wird in ein Paar von Steuerwiderständen 68 und 69 Strom von einer Quelle 70 eingespeist, der parallel durch die beiden Widerstände und über eine Diode 71 zur Masse fließt Das Ausgangssignal von der Anzapfung 72 gelangt an die negative Klemme eines Komparators 74, während die von Anzapfung 75 an eine negative Klemme eines Komparators 76 gelegt ist. An die positiven Klemmen der Komparatoren 74 und 76 ist ein Sägezahn-Genera tor 71 angeschaltet, wobei das Sägezahnsignal die Wellenform 78 gemäß F i g. 2 hat Man kann erkennen, daß abhängig von der Einstellung der Anzapfung 72 der Komparator 74 ein Ausgangssignal für die Durchschaltung der Gleichrichter 64 und 65 liefert zu irgendeinem Zeitpunkt während der Periode 81 (F i g. 2). Da jedoch die Diode 71 der Ausganggsspannung von dem Steuerwiderstand 68 einen Spannungspegel V entgegensetzt, kann der Komparator 74 nicht ein Signal während der Periode 80 liefern und nur ein Signal während der Periode 79 abgeben. Demgemäß kann durch Einstellung des Steuerwiderstandes 68 der Einschaltwinkel der Gleichrichter 64 und 65 justiert werden. Auf diese Weise wird durch die Wahl der Spannung der Diode 71 die minimale 10% Ausschaltpe-

riode und 90% Einschaltperiode der Hochfrequenzquelle 60 vorgegeben.

In ähnlicher Weise kann durch Verstellen der Anzapfung 75 des Steuerwiderstandes 69 der Komparator 76 dazu gebracht werden, zu irgendeinem Zeitpunkt innerhalb der Zeitperiode 79 durchzuschalten, um die Gleichrichter 66 und 67 in den leitenden Zustand zu bringen. Die Ausgangssignale von den Komparatoren 74 und 76 werden einem Odergatter 82 zugeführt, das an die Hochfrequenzenergiequelle 60 angeschaltet ist.

Immer dann, wenn das Odergatter 82 ein Ausgangssignal oder Auf-Signal liefert, wird die Hochfrequenzquelle 60 eingeschaltet.

Man erkennt demgemäß daß die Energiequelle ausgeschaltet bleibt, bis einer der Komparatoren 74 oder 76 durchschaltet. Dabei ist die Energiequelle immer während eines prozentualen Zeitintervalls ausgeschaltet, wie durch die Zeitdauer 80 in F i g. 2 angedeutet. Während dieser Zeitdauer gelangen die gesteuerten Siliziumgleichrichter 64, 65, 66 und 67 — wenn sie vorher durchgeschaltet hatten — in den nichtleitenden Zustand durch den Prozeß, der unter der Bezeichnung »starvation« bekannt ist. Demgemäß kann der Energiepegel an den Spulen A und B reguliert werden durch Betätigen der Steuerwiderstände 68 und 69 derart, daß der Pegel der an die entsprechenden Induktionsspulen gelieferten Energie vorgegeben wird. Die HF-Quelle wird jedoch während jedes Tastzyklus erst eingeschaltet, wenn die Leistungseinstellung der

;V Induktionsspule, die auf die höchste Leistungseinstel-

H lung gesetzt ist, erreicht wird. Demgemäß liefert die

[i Hochfrequenzqelle nur Ausgangsleistung, wenn dies

|| erforderlich ist, und alle begleitenden Verluste, die

■| normalerweise während des Betriebes der Quelle 60

H auftreten, selbst dann, wenn keine Energie an die

if Induktionsspule geliefert wird, werden vermieden. Es ist

|f offensichtlich, daß auch mehr als zwei Belastungen

i| durch die Hochfrequenzquelle 60 gespeist werden

|; könnten. Auch können Kondensatoren in Serie mit den

i| Belastungen geschaltet werden, um einen besseren

§ Leistungsfaktor zu erzielen. Die logischen Schaltkreise

|i nach F i g. 1 sind nur zur Erläuterung der Wirkungswei-

ff se angegeben worden, nicht jedoch als optimale

I Schaltungskomponenten zu verstehen (d. h. im allgemei-

Ij nen wurden nicht Komparatoren, wie der Komparator

Ii 74 benutzt werden, um die gesteuerten Siliziumgleich-

H richter 64 und 65 durchzuschalten, sondern man würde

J| andere ebenfalls an sich bekannte Komparatoren

s| verwenden).

|1 Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungr'orm des

* Gegenstandes der Erfindung, bei der eine besondere

Hochfrequenzenergiequelle 84 verwendet wird für die Einspeisung von HF-Energie in die Last A und/oder Last B. Die Quelle 84 umfaßt eine Gleichspannungsquelle 85, die in Reihe mit gesteuerten Siliziumgleichrichtern 86 und 87 geschaltet ist. Die Gattersignale für diese Gleichrichter werden geliefert von der Hochfrequenzgattersteuerung 88.

In diesem Falle wird der Energiepegel für die Last A

gesteuert durch einen gesteuerten Siliziumgleichrichter 91, der ein Gattersignal von der Gattersteuerung A erhält Eine Diode 92 ist vorgesehen für den

'■ Sperrzustand. In ähnlicher Weise steuert ein von

Gattersteuerung B gesteuerter Siliziumgleichrichter 94

I den Energiepegel für die Last B. Eine Diode 93 ist

I vorgesehen für die Rückwärtsleitung an Gleichrichter

'*: 94 vorbei.

;';■ In dieser Ausführungsform wird die Gauersteuerung

! · 88 verwendet und so eingestellt, daß sie den

\" Gleichrichter 86 und 87 mit hoher Freuqenzrate

U einschaltet und danach die Hochfrequenzquelle für eine

j; hinreichend lange Zeitperiode ausschaltet, um die

i. Gleichrichter 91 und 94 durch den Starvationsprozeß zu

K sperren. Wie oben erläutert, ist das Tastverhältnis der

^; Quelle 84 vorzugsweise bei 90% ein und 10% aus mit

; einer Kadenz von 1 Hz. Demgemäß wird durch

Einstellung der Gattersteuerung A der Energiepegel zur ί Last A gesteuert, indem man den Gleichrichter 91

i während irgendeines Zeitpunktes während des 1 Hz-

Zyklus' der Quelle 84 zum Durchschalten bringt. In ähnlicher Weise wird der Gleichrichter 94 gesteuert, um den Energiepegel zur Last B zu steuern. Man kann demgemäß erkennen, daß die Ausführungsform nach F i g. 3 in der gleichen Weise arbeitet wie oben erläutert, um Hochfrequenzenergie mit einstellbaren Energiepegel zu liefern durch Verwendung von Komponenten, die jeder Last zugeordnet sind, und die nur mit einer 1 Hz-Rate zu arbeiten brauchen.
Die Verwendung der Diode 92 anstelle eines gesteuerten Siliziumgleichrichters in der entsprechenden Position reduziert die Anzahl der Gleichrichter in der Schaltung, erhöht jedoch die Spannungsrate vom Gleichrichter 91 unter einigen Schaltkreisbedingungen.

Ein gesteuerter Süiziumgleichrichter und eine Diode erlauben vorteühafterweise, die relativen Positionen der Diode und der Gleichrichter vertauschen zu können, und gemeinsame Kathoden der zwei oder mehr regulierenden Gleichrichter zu haben. Mit entweder

ίο zwei gesteuerten Siliziumgleichrichtern »Rücken an Rücken« oder einem Gleichrichter und einer Diode kann die Hochfrequenzquelle mit niedriger Frequenzrate eingeschaltet werden mit einem Tastverhältnis gleich dem längeren Tastverhältnis der Gatterungssteuerung

is A oder -steuerung B. Auch könnten die Paare von Gleichrichter und Diode ersetzt werden durch einen Triac. Die Schaltung nach Fig.3 hat den Vorteil gegenüber den Schaltungen nach F i g. 1, daß die Last in F i g. 3 die Resonanz bestimmt und die Kommutations-

mittel für die Hochfrequenzquelle liefert, während in F i g. 1 eine viel kompliziertere Hochfrequenzquelle erforderlich ist, um Hochfrequenzspannungen unabhängig von der Last zu erzeugen.

Wie F i g. 4 zeigt, können auch mehr als zwei Belastungen von einer einzigen Hochfrequenzquelle gespeist werden. Da es weniger teuer ist, eine Hochfrequenzquelle von 10 kW zu bauen anstatt vier von 2,5 kW, hat die Schaltung nach F i g. 4 näherungsweise die Kosten eines Hochleistungssystemes mit vier

χι getrennt gesteuerten Belastungen durch Hinzufügung der billigen »Rücken an Rücken«-Gleichrichter und Diode oder eines Triac.

F i g. 4 zeigt eine Abwandlung von F i g. 3 dergestalt, daß Induktivitäten 97 und 98 hinzugefügt sind. Die

j'3 Belastung ist eine Vierlastkonfiguration unter Verwendung von Triacs anstelle von »Rücken an Rücken«- Gleichrichtern oder Gleichrichtern in Antiparallel-Schaltung mit Dioden. Die billigen Triacs haben sehr niedrige Durchschaltungsspannungsabfälle relativ zu

to der Stromfrequenz und -höhe. In einigen Anwendungsfällen hat der Triac die niedrigsten Verluste und Kosten aller Hochfrequenzschalter; so ist die Schaltung nach Fig.4 besonders, anwendbar für Küchenherde. Die Wirkungsweise ist dieselbe wie die der Schaltung nach

■45 Fig. 3, wobei jedoch vier Belastungen anstelle von zwei vorgesehen sind. Triacs werden verwendet anstelle der »Rücken an Rückenw-Gleichrichter und Dioden. Die Hinzufügung von Induktivitäten 97 und 98 erfolgt, um eine niedrige Spannungsanstiegszeit zu bewirken; die

w> grundsätzliche Leistungssteuerung erfolgt gemäß Fig. 1. Zwei der Belastungen können zwischen Punkte A und B anstelle von Punkten B und C geschaltet werden, um die Brummströme in der Gleichstromquelle 96 zu verringern. Es sollte festgehalten werden, daß

5^r) gleichgültig, ob die vier Belastungen gemäß F i g. 4 oder zwei Belastungen zwischen Punkt A und B verwendet werden, diese immer noch dynamisch parallel liegen durch die Gleichstromquelle 96, wenn die Triacs leitend sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaltungsanordnung für die Steuerung einer HF-Induktionsheizung, bei der der Leistungsausgang der HF-Quelle niederfrequent ein- und ausschaltbar ist, bei der ferner ein einstellbarer Sollwertgeber für die gewünschte abzugebende Leistung vorgesehen ist und bei der zwischen dem Leistungsausgang der Quelle und der Induktionsspule weitere steuerbare Unterbrecher geschaltet sind und bei der mehrere Induktionsspulen, deren abzugebende Leistung durch jeweils einen eigenen Sollwertgeber einstellbar ist, über Speiseleitungen an einer allen gemeinsamen ein- und ausschaltbaren HF-Quelle liegen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speiseleitung jeder Induktionsspule (A B) ein in den leitenden und in den nichtleitenden Zustand steuerbarer Unterbrecher (64, 65, 66, 67) vorgesehen ist, der über jeweils einen eigenen Komparator (74, 76) solange in den leitenden Zustand steuerbar ist, wie die am ersten Eingang des Kornparators liegende einstellbare Spannung des Sollwertgebers größer oder gleich dem am zweiten Eingang liegenden jeweiligen Spannungswert eines niederfrequenten Sägezahngenerators (77) ist und daß die HF-Quelle (60) nur dann eingeschaltet ist, wenn mindestens am Ausgang eines der Komparatoren (74, 76) ein Signal zum Leitendsteuern des zugeordneten Unterbrechers (64, 65, 66, 67) vorhanden ist.