DE2611489A1

DE2611489A1 - Induktionserwaermungsvorrichtung mit einer saettigungsdrossel fuer die leistungssteuerung

Info

Publication number: DE2611489A1
Application number: DE19762611489
Authority: DE
Inventors: Keizo Amagami; Takao Kobayashi; Hideyuki Kominami; Masatatsu Nakamura; Tadao Toyooka
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1975-03-19
Filing date: 1976-03-18
Publication date: 1976-09-23
Also published as: SE422268B; DE2611489C3; FR2305089A1; SE7603455L; DE2611489B2; NL7602914A; AU1206876A; CA1066368A; US4055740A; GB1491415A; JPS51108343A; FR2305089B1

Description

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TlEDTKE - büHLING " IVlNNS "" V3RUPE Dipl.-Ing. Tiedtke

Dipl.-Chem. Bühling Dipl.-Ing. Kinne Dipl.-Ing. Grupe

1 1 /OQ 8000 München 2, Postfach 20 24

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Tel.: (0 89)53 96 53-56 Telex: 5 24845 tipat cable. Germaniapatent München 18.März .1976

B 7212

case PG5O-76O2

Matsushita Electric Industrial Company.Limited Osaka, Japan

Induktionserwärmungsvorrichtung mit einer Sättigungsdrossel für die Leistungssteuerung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Induktionserwärmungsvorrichtung und insbesondere auf eine Induktionserwärmungs· vorrichtung, die eine Sättigungsdrossel für die Leistungssteuerung enthält.

Eine Induktionserwärmungsvorrichtung weist einen Leistungswandler, der einen Speisestrom mit einer Frequenz in der Größenordnung von 20 bis 30 kHz erzeugt, und eine Induktionsheizspule auf, die von dem hochfrequenten Strom zum Induzieren von Wirbelströmen in einem magnetischen Kochgeschirr gespeist ist, das über der Induktionsheizspule angeordnet ist. Die Steuerung der Ausgangsleistung des Wandlers auf einen erwünschten Wert für unterschiedliche Kochbedingungen erfordert notwendigerweise die Steuerung des hochfrequenten Speisestroms. Bisher wurde für die Leistungs-

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V X /, IJ Dresdner Bank (München) Kto. 3939844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

steuerung ein Verfahren zum Steuern der Frequenz des Speisestroms vorgeschlagen Obgleich die Lösung durch Steuerung der Frequenz für eine automatische Leistungssteuerung geeignet ist, ist es wegen des begrenzten Bereichs der Frequenzen für induktive Erwärmung schwierig, einen breiten LeistungsSteuerbereich zu erreichen. Eine veränderbare Induktivität kann eine zweckmäßige Lösung für die Leistungssteuerung darstellen. Eine automatische Leistungssteuerung würde jedoch eine mechanische Kupplung einschließen, die die induktive Reaktanz der Induktivität im Ansprechen auf ein Steuersignal steuert.'Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion infolge mechanischer Abnutzung oder erfordert zusätzlichen Raum.

Aufgabe der Erfindung ist es,eine Induktionserwärmungsvorrichtung zu schaffen, die eine (als magnetischer Verstärker dienende) Sättigungsdrossel aufweist, welche eine allmählich ansteigende Sättigungscharakteristik auf einer Magnetisierungskurve für Hochfrequenzbetrieb besitzt.

Eine erfindungsgemäße Sättigungsdrossel enthält ein Paar rechteckiger Ferritkerne, um die in Reihe geschaltete Lastwicklungen zur Aufnahme des hochfrequenten Speisestroms und eine Steuerwicklung gewickelt sind. Die auf die Lastwicklungen zurückzuführende Magnetisierungsrichtung der Kerne ist derart, daß durch Erregung der Lastwicklungen kein Signal induziert wird. Jeder der Kerne enthält einen Luftspalt, der den magnetischen Widerstand des Ferritkerns vergrößert, so daß als Ergebnis die magnetische Feldstärke der Kerne allmählich mit dem durch den Steuergleichstrom induzierten Magnetfeld ansteigt. Bei manuellem Betrieb wird der

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Steuerstrom direkt mittels eines an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen veränderbaren Widerstands gesteuert. Bei automatischem Betrieb wird der Steuerstrom von einem Vergleicher abgegeben, der den tatsächlichen Leistungswert mit einem erwünschten Leistungswert vergleicht, der von dem Benutzer eingestellt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, bei der

Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 eine Sättigungsdrossel,

Fig. 3 eine Kurvendarstellung der Magnetisierungskurve der

Sättigungsdrossel nach Fig. 2

Fig. 4 eine Abwandlung der Sättigungsdrossel nach Fig. 2, Fig. 5 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels, Fig.- 6 eine Abwandlung eines Leistungsdetektors der Schaltung

nach Fig. 5 und

Fig. 7 eine weitere Abwandlung des Leistungsdetektors ist.

In der Fig. 1 ist eine Induktionserwärmungsvorrichtung gezeigt, in die eine neuartige Sättigungsdrossel für die Leistungssteuerung eingebaut ist und die einen aus 4 Dioden 12 gebildeten Vollweggleichrichter 10 aufweist, der zur Zuführung einer vollweggleichgerichteten, ungesiebten, gepolten Spannung an ein Leitungspaar 16 und 18 an eine Quelle 14 für aus einem Haushaltsstromanschluß entnehmbares Wechselstrompotential angeschlossen werden kann, wobei die Leitung 16 bezüglich der Leitung 18 positiv ist.

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An die positive Leitung 16 ist über eine Diode 22 eine Gleichspannungsquelle bzw. eine Spannungsstabilisierschaltung 20 angeschlossen, die zur Abgabe einer konstanten Gleichspannung an eine Leitung 28 aus einer Zenerdiode 24 und einem Transistor 26 in bekanntem Schaltungsaufbau gebildet ist.

Der Vollweggleichrichter 10 liefert das vollweggleichgerichtete Speisepotential für eine Leistungswandlerschaltung, die eine aus'einem für Leistung ausgelegten gesteuerten Siliciumgleichrichter bzw. Thyristor (SCR) 30 und einer gegenpolig parallel geschalteten Rückleitdiode 32 gebildete Thyristorschaltvorrichtung und eine Resonanz-oder Kommutier-Lastschaltung aufweist, die aus einer Kommutier-bzw. Schwingspule 36, einem Kommutier-bzw. Schwingkondensator 38, einem Filterkondensator 40, der Lastwicklung einer erfindungsgemäßen Sättigungsdrossel 42 und einer Induktionsheizspule 44 gebildet ist. Der Thyristor 30 und die Rückleitdiode 32 sind über eine in die Leitung 16 eingefügte Filterspule 46 an die Leitungen 16 und 18 angeschlossen und dienen zur Erregung der Kommutier-bzw. Schwingschaltung mit einer relativ hohen Frequenz in der Größenordnung von 20 bis 30 kHz.

Die Erregung der Schwingschaltung erfolgt mittels wiederholter Ein-Aus-Betätigung des Thyristors 30 durch Einleiten eines Vorwärtsstromflusses durch den leitenden Thyristor 30 während der ersten Halbperiode der Schwingung statt, der einen Gegenstromfluß durch die Rückleitdiode während der zweiten Halbperiode verursacht. Die Schwingspule 3 6 und der Schwingkondensator 38 sind in Reihe

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parallel zu der Thyristorschaltvorrichtung geschaltet. Der Filterkondensator 40, die Lastwicklung der Sättigungsdrossel 42 und die Induktionsheizspule 44 sind zusammen in Reihe parallel zu dem Schwingkondensator 38 geschaltet, um so einen Speisestromfluß durch die Induktionsheizspule 44 zu erzeugen, die elektromagnetisch mit einem Kochgeschirr 48 aus magnetischem Material koppelt, das über ihr angeordnet ist.

Die Ein-Aus-Schaltbetätigung des Thyristors 30 ist durch Auftastimpulse gesteuert, die über eine Torsteuerschaltung 34 zugeführt werden, welche wiederum mittels eines Nulldurchgangsdetektors 50 und einer Sperrverzogerungsschaltung 52 über eine Koinzidenzschaltung oder einen Triggerimpulsgenerator angesteuert ist, die durch ein D-Flipflop 53 gebildet ist. Der Nulldurchgangsdetektor 50 besitzt einen durch ein Paar in Reihe geschalteter Widerstände 54, 55 gebildeten Spannungsteiler, der zwischen die Leitungen 16 und 18 geschaltet ist, und einen Transistor 56, dessen Basis mit einem Verbindungspunkt der Widerstände 54 und 55, dessen Kollektor mit der Gleichstromversorgungs-Leitung 28 und dessen Emitter mit der negativen Leitung 18 verbunden ist. Wenn sich die vollweggleichgerichtete, ungesiebte Spannung einem Nullpotential nähert, wird der Transistor 56 gesperrt, was einen Potentialanstieg an der Kollektorelektrode ergibt. Dieses hohe Potential ist an den Takteingangsanschluß des D-Flipflops 53 angeschlossen. Dieses Flip-Flop kann nur auf den logischen binären Zustand wechseln, der an seinem Dateneingang zum Zeitpunkt des Auftretens des Taktimpulses vorliegt. Das Signal an dem Dateneingang des Flip-Flops 53 wird von der Sperrverzogerungsschaltung 52 zugeführt, die aus einem Wider-

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stand 57 und einem Kondensator 58 besteht, die in Reihe zwischen die Gleichstromversorgungs-Leitung 28 und die negative Leitung 18 geschaltet sind. Die über dem Kondensator 5 8 entstehende Spannung steigt mit einer durch die Zeitkonstante bestimmten Geschwindigkeit exponentiell von dem Moment an, an dem der Leistungswandler an die Stromversorgungsquelle 14 angeschlossen wird. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 57 und dem Kondensator 58 ist an den Dateneingang des Flip-Flops 5 3 angeschlossen. Na<sh Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer ändert sich der binäre Zustand des Dateneingangs auf "1". Das Flip-Flop 53 erzeugt daher ein Ausgangssignal aufgrund des Auftretens eines ersten Nullpotentials der Eingangsleistung nach dem Ablauf der vorbestimmten Zeitperiode vom Zeitpunkt der Speisung des Leistungswandlers ab. Dies stellt sicher, daß während der Inbetriebnahmeperiode der Vorrichtung der Thyristor 30 mangels ausreichender Energie aus dem Schwingkondensator 38 nicht falsch zündet.

Das Ausgangssignal des Flip-Flops 53 wird der Torsteuerschaltung 34 zugeführt, die einen Rechenverstärker 60 aufweist, bei dem sowohl der invertierende als auch der nicht invertierende Eingangsanschluß über Gegenkopplungswiderstände . _mit dem Ausgangsanschluß verbunden sind. Ein Ausgangstransistor 62 ist zum Anlegen eines verstärkten Signals an den invertierenden Eingang über einen Gegenkopplungswiderstand 64 geschaltet. Der Ausgangstransistor 62 ist zum Zuführen eines Auftast-Impulszuges in Emitterfolgeschaltung an das Steuertor des Thyristors 30 angeschlossen.

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Auf das Anlegen des Auftastimpulses an das Steuertor des Thyristors 30 hin schwingt die in dem Kondensator 38 gespeicherte Ladung über den nunmehr leitenden Thyristor 30 und die Schwingspule 36, um so den Schwingkondensator 38 gegenpolig zu laden und den Thyristor 30 auszuschalten. Nach dem Ausschalten des Thyristors ■30 bewirken die gegenpolige Ladung an dem Schwingkondensator 38 und die zusammenbrechenden Flußlinien an der Schwingspule 36 einen umgekehrten Rückstromfluß über die Rückleitdiode 32 zurück zu dem Schwingkondensator 38 zu dessen Ladung auf seinen im wesentlichen ursprünglichen Ladungszustand abzüglich irgendwelcher Verluste aufgrund der Belastung an der Induktionsheizspule 44. Während dieses Rückstromflusses ist der Thyristor 30 in Gegenrichtung vorgespannt und bleibt ausgeschaltet. Nach Beendigung des Rückstromflusses nimmt die Rückleitdiode 32 wieder ihren Sperrzustand ein, so daß dadurch eine Schwingung beendet ist. Auf das Anlegen eines weiteren AufSteuerimpulses an den Thyristor 30 hin wird der Zyklus wiederholt. Die Anlegefrequenz der AufSteuerimpulse ist durch die Zeitkonstante eines durch den Widerstand 64 und einen Kondensator 6 6 gebildeten RC-Netzwerks bestimmt und bestimmt wiederum die Frequenz des Spei sestroms durch die Schwingschaltung-Belastung.

Die in Fig. 2 gezeigte Sättigungsdrossel 42 weist einen E-förmigen magnetischen Kern 101 und einen langgestreckten Kern 102 auf, der parallel zu dem Stegteil _des "_E" angeordnet ist. Der mittlere Schenkel 103 des E-förmigen Kerns ist zur Bildung

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eines Paars symmetrischer magnetischer Schaltungsschleifen mit einem Punkt zwischen den Enden des langgestreckten Kerns 102 verbunden. Jede magnetische Schleife besitzt einen zwischen der Endfläche des jeweiligen Seitenschenkels 104 bzw. 105 und der angrenzenden Seite des langgestreckten Kerns 102 gebildeten Luftspalt 120. Um die Zunge bzw. den mittleren Schenkel 103 ist eine Steuerwicklung 106 gewickelt, die über Anschlüsse a und b mit einem Gleichstrom gespeist ist, welche gemäß der Darstellung in Fig. 1 über einen veränderbaren Widerstand 68 an die Gleichstromversorgungs-Leitung 28 bzw. an die negative Leitung 18 angeschlossen sind. Die Seitenschenkel 104 und 105 sind jeweils mit Lastwicklungen 107 und 108 bewickelt, die in Reihe über Zuleitungen 109 und 110 an Anschlüsse c und d angeschlossen sind, die wiederum gemäß der Darstellung in Fig. 1 mit dem Filterkondensator 40 und der Induktionsheizspule 44 verbunden sind. Der hochfrequente Speisestrom wird durch die Lastwicklungen 107 und 108 geleitet, um durch gestrichelte Linien dargestellte Feldlinien in Richtungen zu erzeugen, die beim Durchdringen durch den mittleren Schenkel 103 des Kerns einander entgegengesetzt sind. Die Amperewindungen der Lastwindungen 107 und 108 und der magnetische Widerstand einer jeden magnetischen Schaltungsschleife sind so eingestellt, daß die Feldlinien in dem mittleren Schenkel 103 des Kerns einander vollständig aufheben. Für den Betrieb mit Hochfrequenz besitzt das Material der die Sättigungsdrossel 42 bildenden Kerne im wesentlichen weder Hystereseverluste noch Wirbelstromverluste. Diese Eigenschaften werden durch Verwendung von Ferriten erzielt. Die Amperewindungen der Steuerwicklung 106 sind größer als diejenigen einer jeden Lastwicklung, so daß sie eine ausreichende Anzahl durch gestrichelte Linien 113 bezeichneter Feldlinien erzeugt, um auf den

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magnetischen Pfad in einem relativ weiten Bereich beherrschend einzuwirken. Wegen der Anbringung der Luftspalte 120 neigen die durch die Steuerv/icklur.g 106 erzeugten SChlußlinien abzufließen, so daß als Ergebnis die magnetische Feldstärke des Kerns allmählich als Funktion des magnetischen Gleichfelds ansteigt, bis sie einen Sättigungspunkt erreicht. Auf diese Weise entsteht eine Magnetisierungskurve, die gemäß der Darstellung in Fig. 3 einen allmählichen Anstieg vom Ursprungspunkt bis zur Sättigung aufweist. Durch Änderung des Magnetischen Gleichfelds in einem Bereich von dem Ursprungspunkt bis zu dem Knick der Kurve kann die Impedanz der Lastwicklungen und damit die Amplitude des Laststroms stufenlos gesteuert werden. Bei der in die Schaltung nach Fig. 1 eingeschalteten Sättigungsdrossel 42 werden die Steuergleichfelder in beiden magnetischen Schaltungsschleifen mittels des veränderbaren Widerstands 68 gesteuert, um so die Stärke des Speisestroms auf einen gewünschten Wert zu regeln. Wegen der stufenlosen Amplitudenänderung ist die Ausgangskurvenform des Leistungswandlers von Rundfunkstörungen frei, die ansonsten herbeigeführt werden würden, wenn plötzliche Änderungen in der Ausgangskurvenform auftreten würden.

Nach Fig. 4 ist die Ferritkern-Sättigungsdrossel 42 vorzugsweise aus einem umgekehrt U-förmigen Teil 200, einem ersten langgestreckten Teil 201 und einem zweiten langgestreckten Teil aufgebaut, daß sich zwischen einem Punkt zwischen den Enden des Stegteils des "U" und einem Punkt zwischen den Enden des ersten langgestreckten Teils 201 erstreckt. Zwischen dem Ende des zweiten langgestreckten Teils 202 und der Seitenfläche des ersten langgestreckten Teils 201 ist ein ferromagnetischer Abstandshalter

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mit einer vorbestimmten Dicke eingefügt. Ferner sind zwischen die Enden der Seitenschenkel des "U" und die Seitenfläche des ersten langgestreckten Teils 201 isolierende Abstandshalter 204 mit der gleichen Dicke wie der des ferromagnetischen Abstandshalters 203 eingefügt. Dies trägt nicht nur zur Verstärkung des Kernaufbaus bei, sondern entspricht auch den Genauigkeitsanforderungen hinsichtlich des Abstands zwischen den Enden der Seitenschenkel und dem ersten langgestreckten Teil 201, der innerhalb eines kleinen zulässigen Bereichs 'eingestellt werden muß. Um den zweiten langgestreckten Teil 202 des Kerns ist eine Steuerwicklung 205 und um die Seitenschenkel· des U-förmigen Teils 200 des Kerns sind in Reihe geschaltete Lastwicklungen 206 auf die gleiche Weise gewickelt, wie es in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben ist. Wegen des U-förmigen Kernaufbaus ist der mittlere zweite langgestreckte Teil 202 des Kerns quer zu seiner Länge gemäß der Darstellung durch den Pfeil in der Zeichnung um eine Strecke bewegbar, die irgendeine Unsymmetrie in dem Kern zwischen den beiden durch die Lastwindungen 206 errichteten entgegengesetzten Magnetfeidern kompensiert, so daß eine ansonsten in der Steuerwickiung entwickelte unerwünschte Spannung vollständig unterdrückt wird.

Die Fig. 5 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel dar, bei dem eine automatische Leistungssteuerung dadurch erzielt wird, daß durch die Drossel-Steuerwicklung ein Steuergleichstrom geleitet wird, der durch Vergleich festgeste^ter Leistungswerte mit vorbestimmten eingestellten Werten erhalten wird. In der Fig. 5 sind identische Teile mit zu den in Fig. 1 identischen Bezugszeichen bezeichnet. Zum Erzielen des Leistungspegelverglexchs sind durch

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Stromtransformatoren 301 und 302 gebildete Leistungspegeldetektoren für das jeweilige Erfassen der Eingangs-und der Ausgangsleistungspegel verwendet. Jeder der Stromtransformatoren besteht aus einem Ferritringkern, um den eine Wicklung gewickelt ist. Durch einen jeden Ringkern ist ein als Primärwicklung des Transformators dienender Teil des zu erfassenden Stromkreises geführt. Durch die Transformatorwirkung wird ein entsprechendes elektrisches Signal über der Wicklung des Transformators gebildet. Bei dem Ausführungsbeispiel 'ist der Schaltzweig zwischen der Stromversorgungsquelle 14 und eine der Gleichrichter-Dioden 12 durch den Ringkern des Stromtransformators 301 geführt, dessen Wicklung zwischen die negative Leitung 18 und eine Diode 303 geschaltet ist, während der Stromkreis zwischen der Induktionsheizspule 44 und der negativen Leitung 18 durch den Ringkern des Stromtransformators 302 geführt ist, dessen Wicklung zwischen die negative Leitung und eine Diode 304 geschaltet ist, deren Kathodenanschluß zusammen mit dem Kathodenanschluß der Diode 303 an die invertierenden Eingangsanschlüsse von Rechenverstärkern 305, 306 und 307 geschaltet ist. Zum Festlegen unterschiedlicher Einstellpegel sind Spannungsteiler 308. 309 und 310 vorgesehen. Der Spannungsteiler 308 mit Widerständen R. und R₂ ist an einen Spannungsregler 311 angeschlossen, der zu der Spannungsstabilisierschaltung 20 parallel geschaltet ist. Der Spannungsregler 311 enthält ein Paar in Reihe geschalteter Widerstände R₃ und R. und eine parallel zu dem Widerstand R₄ geschaltete Zeneriode D.. Von dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R, und R. wird dem Spannungsteiler 308 eine gesteuerte-Spannung zugeführt. Die Zeneriode D₁ dient dazu, die über dem Widerstand R, entstehende Spannung am übersteigen der Zenerspannung

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zu hindern, wenn die Eingangsquellenspannung auf einen ungewöhnlich hohen Spannungswert ansteigen sollte. Bevor die Zenerspannung erreicht ist, wird der Spannungsteiler 308 mit einer vollweggleichgerichteten, gesiebten gepolten Spannung gespeist, die sich in Übereinstimmung mit der Eingangsquellenspannung ändert.

Der Vergleicher-Rechenverstärker 305 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R₁ und R₂ angeschlossen, während sein Ausgang über einen Widerstand R₅ einer Verzögerungsschaltung 312 an den Anschluß a der Drossel-Steuerwicklung angeschlossen ist, die an dem Anschluß b mit der negativen Leitung 18 verbunden ist. Der Widerstand R-. ist ein veränderbarer Widerstand, der von dem Benutzer zur Abgabe des erwünschten Einstellwerts geregelt wird, auf den der Ausgangsleistungspegel gesteuert wird. Die Dioden 303 und 304 lassen an die invertierenden Eingänge der Vergleicher-Rechenverstärker 305 bis 307 eines der ermittelten Signale aus den Stromtransformatoren 301 und 302 durch, das größer als das andere ist. Der Vergleicher-Rechenverstärker 305 vergleicht das gewählte Signal für die Anzeige der ermittelten Leistung mit dem Einstellwert an seinem nicht invertierenden Eingang und erzeugt ein Ausgangssignal·, das die Differenz zwischen den beiden vergiichenen Parametern darstell·^

Während der anfänglichen Anlaufbetriebsperiode des Leistungswandl·ers erzeugen die beiden als Detektoren dienenden Stromtransformatoren 301 und 302 im wesentlichen kein Ausgangssignal, so daß dann als Ergebnis der Vergleicher-Rechenverstärker 305 ein positives Ausgangssignal beträchtlicher Größe erzeugt, das das

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Fließen eines großen Anfangsstroms durch die Steuerwindung verursacht; Dies verringert auf unerwünschte Weise die anfängliche induktive Reaktanz der Sättigungsdrossel 42 und bewirkt, daß der Leistungswandler einen starken Speisestromfluß durch die Induktionsheizspule 44 erzeugt. Zum Vermeiden dieses anfänglichen starken Stromflusses ist zwischen den Ausgang des Vergleicher-Rechenverstärkers 305 und die negative Leitung 18 die Verzögerungsschaltung 312 geschaltet. Diese Verzögerungsschaltung besitzt eine Diode D₂, deren Ano'denanschluß zwischen den Anschluß a der Sättigungsdrossel 42 und dem Widerstand Rj. geschaltet ist, und eine Parallelschaltung aus einem Widerstand Rg und einem Kondensator C. , die zwischen den Kathodenanschluß der Diode D₂ und die negative Leitung 18 geschaltet ist. Das anfängliche Ausgangssignal aus dem Vergleicher-Rechenverstärker 305 lädt den Kondensator C₁ über die Diode D₂ mit einer Geschwindigkeit auf, die durch die Zeitkonstante aus dem Widerstand R^ und dem Kondensator C-, bestimmt ist. Wegen des Aufladevorgangs wird der anfängliche starke Strom von der Drosselsteuerwicklung abgehalten. Die Diode D„ dient dazu, zu verhindern, daß der Kondensator C₁ seine gespeicherte Energie an die Steuerwicklung entlädt, wenn der vom Verbraucher geregelte Widerstand R₁ auf einen neuen Einstellwert verändert wird. Die in dem Kondensator C₁ gespeicherte Ladung wird über den Widerstand R_g entladen.

Der Spannungsteiler 310 weist ein Paar in Reihe geschalteter Widerstände R^ und Rg auf, die zwischen dem Ausgang der Spannungsstabilisierungsschaltung 20 und die negative Leitung 18 geschaltet sind, wobei die Verbindung zwischen den Widerständen R-, und R

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an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Vergleicher-Rechenverstärkers 307 angeschlossen ist. Die Spannung an diesem nicht-

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invertierenden Eingang bildet eine obere Leistungspegelgrenze. Solange die Spannung an dem invertierenden Eingang kleiner als die Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang ist, wird von dem Vergleicher ein positives Ausgangssignal abgegeben, während bei Erreichen der oberen Grenze die Polarität des Vergleicher-Ausgangssignals umgekehrt wird. Der umgekehrte bzw. gegenpolige Strom fließt über eine Diode. D3 und ergibt einen Kurzschlußweg zwischen den Eingangsanschlüssen der TorSteuerschaltung 34, so daß auf diese Weise deren Erzeugung von Auftastimpulsen unterbunden ist.

Der aus einem Paar in Reihe geschalteter Widerstände R9 und R10 gebildete Spannungsteiler 309 ist zwischen den Spannungsteiler 310 und den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R1 und R2 des Spannungsteilers 308 geschaltet. Der Vergleicher-Rechenverstärker 306 ist zur Bildung einer unteren Leistungspegelgrenze mit seinem nicht-invertierenden Eingang an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R9 und R10 angeschlossen, so daß er ein Steuersignal abgibt, wenn der Leistungswandler ohne Belastung oder mit einer falschen geringen Belastung wie einem Löffel oder einer Gabel betrieben wird. Der Vergleicher-Rechenverstärker 306 erzeugt ein positives Ausgangssignal, wenn der ermittelte Leistungspegel unterhalb des unteren Einstellpegels liegt, und legt dieses Ausgangssignal an eine zweite Verzögerungsschaltung 313 an. Diese Verzögerungsschaltung enthält einen n-p-n-Transistor T, dessen Kollektor-Emitter-Strecke über einen Widerstand R₁ - zwischen die Gleichstromversorgungs-Leitung 28 und die negative Leitung 18 geschaltet ist, sowie einen Kondensator C2, der zwischen die Basiselektrode und die Emitterelektrode des Transistors geschaltet ist.

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Wie vorstehend beschrieben, ist während der anfänglichen Anlauf-Betriebsperiode der erfaßte Leistungspegel niedrig, so daß der Vergleicher-Rechenverstärker 306 ein positives Ausgangssignal erzeugt, mit dem der Kondensator C2 geladen und der Transistor T für eine bestimmte Zeitdauer gesperrt wird, bis der Leistungsvandler für das Beginnen des Betriebs aufgewärmt ist. Bei normalem Leistungspegel erzeugt der Vergleicher-Rechenverstärker 306 ein negatives Ausgangssignal, das gegen das Anlegen an die Diode D3 gesperrt 'ist, da die Basis des Transistors T bezüglich des Emitters negativ vorgespannt ist. Wenn der ermittelte Leistungspegel unterhalb der unteren Leistungspegeleinstellung liegt, wird die Basis des Transistors T bezüglich des Emitters positiv vorgespannt und ergibt eine Leitungsbahn zwischen der Diode D3 und der negativen Leitung 18 nach der vollständigen Aufladung des Kondensators C2, um dadurch die TorSteuerschaltung 34 zu blockieren.

Die Fig. 6 zeigt eine abgewandelte Form des Ausgangsleistungspegeldetektors bew. Stromtransformators 302, der in diesem Fall einen Ferritringkern und ein Paar um den Kern gewickelter, in Reihe geschalteter Sekundärwicklungen besitzt. An jeweils eine der Wicklungen des Stromtransformators 402 sind Gleichrichterschaltungen 400 und 401 angeschlossen. Durch den Ringkern des Transformators ist der Stromkreis geführt, der das Paar aus Thyristor 30 und Rückleit'diode 32 mit der negativen Leitung 18 verbindet. Der Vorwärtsstromfluß durch den Thyristor 30 während der ersten Halbwelle der hochfrequenten Schwingung erzeugt einen Strom, der über eine Diode 403 fließt und mittels eines RC-Siebs 404 gefiltert wird, während der Rückstromfluß während der zweiten

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Halbwelle der Schwingung einen Strom erzeugt, der über eine Diode 405 fließt und mittels eines RC-Siebs 406 gefiltert wird. Die Filter-Siebe 404 und 405 sind in Reihe zwischen die negative Leitung 18 und die Diode 304 geschaltet, um ein Gleichstrom-Ausgangs signal zu erzeugen, das den Unterschied zwischen den Spannungen ^an den jeweiligen RC-Sieben darstellt. Das Gleichstrom-Ausgangssignal stellt auf diese Weise die tatsächliche Leistung dar, die infolge der Belastung von der Induktionsheizspule 44 abgezogen wird. Zur Bildung einer allmählich ansteigenden Sättigungscharakteristik an der Magnetisierungskurve des Ferritkerns sind parallel zu den Wicklungen Widerstände 407 und 408 geschaltet, so daß sich die induzierte Spannung an den jeweiligen Eingängen der Gleichrichterschaltungen 400 und 401 proportional zu der Amplitude des Speisestroms verändert.

Alternativ kann gemäß der Darstellung in Fig. 7 der Ausgangsleistungspegel durch Anschließen eines Paars in Reihe geschalteter hoher Widerstände 500 und 501 parallel zu der Induktionsheizspule 44 ermittelt werden. Von dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen ist eine Leitung zu der Diode 304 geführt.

Die vorstehende Beschreibung zeigt nur vorzugsweise gewählte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Für den Fachmann sind verschiedene Modifikationen ohne Abweichung von der Grundidee der Erfindung augenscheinlich. Zum Beispiel kann die Sättigungsdrossel 42 parallel zu der Induktionsheizspule 44 geschaltet werden oder es kann an einem einzigen Leistungswandler eine Mehrzahl von Induktionsheizspulen mit einem gesonderten mechanischen Bewegungs-

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system für jede der Induktionsheizspulen verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

Induktionserwärmungsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Induktionsheizspule (44), einen zum Anschluß an eine Wechselspannungsquelle (14) geeigneten Leistungswandler zum Umsetzen der Frequenz der Quellenspannung in einen Speisestrom höherer Frequenz, mit dem die Induktionsheizspule gespeist wird, eine Sättigungsdrossel (42) mit einem Paar von Kernen geringer Hysterese und geringer Wirbelstromverluste, deren Magnetisierungskurve einen allmählichen Anstieg vom Ursprungspunkt bis zu dem Sättigungspunkt aufweist, eine um die Kerne gewickelte Steuerwicklung (1O6;2O5) und ein Paar in Reihe geschalteter Lastwicklungen (107,108;206), die um die Kerne so gewickelt sind, daß die Magnetisierungsrichtung der Kerne eine aufhebende Wirkung an der Steuerwicklung erzeugt, wobei der Speisestrom durch die Lastwicklungen geleitet wird, eine Vorrichtung (20) zum Speisen der Steuerwicklung mit einem unipolaren Strom und eine Vorrichtung (68) zum Steuern des unipolaren Stroms für die Steuerung der magnetischen Feldstärke der Kerne in einem Bereich zwischen dem Ursprungspunkt und dem Sättigungspunkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsdrossel (42) ein Schleifenpaar magnetischer Kerne (104,105;200) mit einem einen Teil der Schleifen bildenden gemeinsamen Kern (103;202), eine um den gemeinsamen magnetischen Kern gewickelte Steuerwicklung (106;205) zum Erzeugen unipolarer magnetischer Felder (113) in den Kernen der Schleifen und einem Paar jeweils um jeden Kern der Schleifen in einer Richtung gewickelter, in Reihe geschalteter Lastwicklungen (107,108;206) aufweist, die

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in dem gemeinsamen magnetischen Kern magnetische Felder (111,112) in entgegengesetzten Richtungen erzeugen können, wenn sie erregt werden, wobei jeder Kern der Schleifen eine Störstelle (120,-204) enthält, die einen magnetischen Widerstand besitzt, der größer ist als derjenige des eigentlichen Kerns.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne aus Ferrit hergestellt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, "dadurch gekennzeichnet, daß die Störstelle (120) durch einen Luftspalt gebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsdrossel (42) einen allgemein U-förmiges Kernteil (200), ein erstes längliches Kernteil (201) parallel zu dem Steg des "U", ein zweites längliches Kernteil (202), das zwischen einen Punkt zwischen den Enden des Stegs des "U" und einem Punkt zwischen den Enden des'ersten länglichen Kernteils eingeschaltet ist, wobei das zweite längliche Kernteil und die Arme des "U" gleich lang sind, und einen magnetischen Abstandshalter (203) aufweist, der zwischen das Ende des zweiten länglichen Kernteils und die angrenzende Seite des ersten länglichen Kernteils zur Bildung von Luftspalten (204) zwischen den Enden der Arme des "U" und den angrenzenden Seiten des ersten länglichen Kernteils eingefügt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspalte (204) mit einem isolierenden Material hoher

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Permeabilität gefüllt sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsdrossel (42) ein allgemein U-förmiges Kernteil (200), ein in nächster Nähe der Enden der Arme des "U" zu dem Steg des "U" paralleles erstes längliches Kernteil (201) und ein zwischen einem Punkt zwischen den Enden des Stegs des "U" und einem Punkt zwischen den Enden des ersten länglichen Kernteils angeschlossenes zweites längliches Kernteil aufweist, wobei jede der Lastwicklungen (206) um jeden Arm des "U" gewickelt ist und die Steuerwicklung (205) um das zweite längliche Kernteil gewickelt ist und wobei das zweite längliche Kernteil (202) quer zu seiner Länge so bewegbar ist, daß die darin durch die Lastwicklungen erzeugten magnetischen Felder vollständig aufgehoben sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswandler eine Torschaltvorrichtung (30,32), eine die Induktionsheizspule (44) als ein induktives Element enthaltende, an die Torschaltvorrichtung angeschlossene Resonanzschaltung (36, 38,40), eine Torsteuerschaltung (34) -zur Abgabe von AufSteuerimpulsen, die die Torschaltvorrichtung aufeinanderfolgend leitend schalten, wodurch in der Induktionsheizspule ein Speisestrom erzeugt wird, einen Null-Durchgangsdetektor (50) für das Erfassen des Moments, an dem die Wechselspannung im wesentlichen bei Null ist, um so die Torsteuerschaltung zur Erzeugung eines Auftastimpuls-Zugs zu triggern, und eine Vorrichtung (52) zum Verzögern der Erzeugung der Auftastimpulse für eine vorbestimmte

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Zeitdauer von dem Augenblick an aufweist, an dem der Leistungswandler an die Wechselstromquelle (14) angeschlossen wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unipolare Strom von Hand einstellbar ist.
10. Induktionserwärmungsvorrichtung, gekennzeichnet durch einen zum Anschließen an eine Wechselspannungsquelle (14) geeigneten Leistungswandler zum Umsetzen der Frequenz der Quellenspannung auf eine höhere Frequenz, der eine Torschaltvorrichtung (30,32), eine eine Induktionsheizspule (44) enthaltende, an die Torschaltvorrichtung angeschlossene Resonanzschaltung (36,38,40), eine
TorSteuerschaltung (3 4) für die Abgabe von Auftastimpulsen, die die Torschaltvorrichtung aufeinanderfolgend leitend schalten, wodurch ein Speisestrom mit der höheren Frequenz in der Induktionsheizspule erzeugt wird, einen Null-Durchgangsdetektor (50) für das
Erfassen des Moments, an dem die Wechselspannung im wesentlichen bei Null liegt, um dadurch die Torsteuerschaltung zur Erzeugung eines Zugs von Auftastimpulsen zu triggern, eine Vorrichtung (52) zum Verzögern der Erzeugung der Auftastimpulse für eine vorbestimmte Zeitdauer von dem Moment das Anschließens des Leistungswandlers an die Wechselspannungsquelle an, wobei die Induktionsheizspule elektromagnetisch mit einem über ihr angeordneten zu erwärmenden Kochgeschirr (48) aus magnetischem Material gekoppelt ist, und
eine Leistungssteuerschaltung besitzt, welche eine Sättigungsdrossel (42) mit einem Paar von Kernen niedriger Hysterese und geringer Wechselstromverluste, deren Magnetisierungskurve einen allmählichen Anstieg von dem UrSprungspunkt zu dem Sättigungspunkt aufweist,

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mit einer um die Kerne gewickelten Steuerwicklung (1O6;2O5) und einem Paar in Reihe geschalteter Lastwicklungen (107,1O8;2O6), die um die Kerne so gewickelt sind, daß die Richtung der Magnetisierung der Kerne eine aufhebende Wirkung an der Steuerwicklung erzeugt, wobei der Speisestrom durch die Lastwicklungen geleitet wird, eine Detektorvorrichtung (302,304) zum Ermitteln des Pegels der elektromagnetischen Kopplung, eine Vergleichsvorrichtung (305) zum Vergleichen de s ermittelten Pegels mit einem Bezugspegel, um ein steuersignal zu erzeugen, mit dem die Steuerwicklung (106) gespeist wird, und eine von Hand betätigte Einstellvorrichtung (R1) zum Steuern des Bezugspegels aufweist, um so die magnetische Feldstärke der Kerne innerhalb eines Bereichs zwischen dem Ursprungspunkt und dem Sättigungspunkt auf der Magnetisierungskurve zu steuern.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine zwischen die Vergleichsvorrichtung (305) und die Steuerwicklung (106) geschaltete zweite Verzögerungsvorrichtung (312) zum Verzögern des Anlegens des Steuersignals für eine vorbestimmte Zeitdauer vom Augenblick des Anschließens des Leistungswandlers an die Quellenspannung an.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung (305) einen Rechenverstärker aufweist, dessen nicht invertierender Eingang an den Bezugspegel und dessen invertierender Eingang an die Detektorvorrichtung (302) angeschlossen ist, und daß die zv/eite Verzögerungsvorrichtung (312) ein RC-Zeitkonstanten-Netzwerk (RS,C1), eine in Richtung zum Laden des kapazitiven Elements (C1) des RC-Netzwerks gepolte Diode D2 und einen über das kapazitive Element geschalteten

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Entladeweg (R6) mit hohem Widerstand aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine zweite Leistungssteuerschaltung, die eine Vergleichsvorrichtung (306) zum Vergleichen des ermittelten Pegels mit einem Bezugspegel für das Erzeugen eines Sperrsignals, wenn der ermittelte Pegel unterhalb des Bezugspegels liegt, eine Sperrvorrichtung (D3_fT) zum Sperren der Torsteuerschaltung (34) im Ansprechen auf das Sperrsignal und eine Verzögerungsvorrichtung (313) zum Verzögern des Sperrvorgangs für eine vorbestimmte Zeitdauer vom Augenblick des Anschließens des Leistungswandlers an die Spannungsquelle an aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leistungssteuerschaltung einen Rechenverstärker (306)_; dessen nicht invertierender Eingang an eine Bezugs spannung und dessen invertierender Eingang an die Detektorvorrichtung (302, 304) angeschlossen ist, einen mit der Kollektor-Emitter-Strecke an die Torsteuerschaltung (34) zum Bilden eines Kurzschlusses für das Sperren des Triggersignals von dem Null-Durchgangsdetektor

(50) angeschlossenen Transistor (T), dessen Steuerelektrode an den Ausgang des Rechenverstärkers (306) angeschlossen ist, und einen Kondensator (C2) aufweist, der zwischen die Steuerelektrode und die Emitterelektrode des Transistors geschaltet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine dritte Leistungssteuerschaltung (307), mit einer Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen des ermittelten Pegels mit einem

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Bezugspegel für die Erzeugung eines Sperrsignals, wenn der ermittelte Pegel oberhalb des Bezugspegels liegt, und mit einer Sperrvorrichtung (D3) zum Sperren der TorSteuerschaltung (34) im Ansprechen auf das Sperrsignal.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1O, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsdrossel (42) ein Schleifenpaar magnetischer Kerne (104,105; 200) mit einem einen Teil der Schleifen bildenden gemeinsamen magnetischen Kern (103;202), eine um den gemeinsamen magnetischen Kern gewickelte Steuerwicklung (106;205) zum Erzeugen unipolarer magnetischer Felder in den Kernen der Schleifen und ein Paar in Reihe geschalteter Lastwicklungen (107,108;206) aufweist, die jeweils um jeden Kern der Schleifen in einer Richtung gewickelt sind, die in dem gemeinsamen magnetischen Kern magnetische Felder (111,112) entgegengesetzter Richtungen hervorrufen kann, wenn die Lastwicklungen erregt werden, wobei jeder Kern der Schleifen eine Störstelle (120) mit einem magnetischen Widerstand enthält, der größer als derjenige des eigentlichen Kerns ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne aus Ferrit hergestellt sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstelle durch einen Luftspalt gebildet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsdrossel (42) ein allgemein U-förmiges Kernteil

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(200), ein zu dem Steg des "U" paralleles erstes längliches Kernteil (201)_/ ein zwischen einen Punkt zwischen den Enden des Stegs des "U" und einen Punkt zwischen den Enden des ersten länglichen Kernteils angeschlossenes zweites längliches Kernteil (202), das gleich lang wie die Arme des "U" ist, und einen magnetischen Abstandshalter

(203) aufweist, der zwischen das Ende des zweiten länglichen Kernteils und die angrenzende Seite des ersten länglichen Kernteils zur bildung von Luftspalten (204) zwischen den Enden der Arme des "U" und der angrenzenden Seite des ersten länglichen Kernteils eingefügt ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspalte (204) mit einem isolierenden Material hoher Permeabilität gefüllt sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsdrossel (42) ein allgemein U-förmiges Kernteil (200), ein in enger Nachbarschaft zu den Enden der Arme des "U" zu dem Steg des "U" paralleles erstes längliches Kernteil

(201) und ein zwischen einen Punkt zwischen den Enden des Stegs des "U" und einen Punkt zwischen den Enden des ersten länglichen Kernteils angeschlossenes zweites längliches Kernteil (202) aufweist, wobei jede der Lastwicklungen (206) um jeden Arm des "U" gewickelt ist und die Steuerwicklung (205) um das zweite längliche Kernteil"gewickelt ist, das quer zu seiner Länge so bewegbar ist, daß die in ihm durch die Lastwicklungen erzeugten magnetischen Felder vollständig aufgehoben sind.

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22. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegel-Detektorvorrichtung (303,304) einen an die Leistungs eingangsseite des Leistungswandlers angeschlossenen ersten Stromtransformator (301) und einen an die Leistungsausgangsseite des Leitungswandlers angeschlossenen zweiten Stromtransformator (302) enthält.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stromtransformator (302) mit einem Ferrit-Ringkern und einer um diesen gewickelten Wicklung versehen ist, und daß durch den Ringkern hindurch der Speisestrom geleitet ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stromtransformator (402) mit einem Ferrit-Ringkern und in Reihe geschalteten Wicklungen versehen ist, wobei durch den Ringkern hindurch der Speisestrom geleitet ist, und daß ferner ein an eine der in Reihe geschalteten Wicklungen angeschlossener erster Gleichrichter (400) und ein an die zweite der in Reihe geschalteten Wicklungen angeschlossener zweiter Gleichrichter (401) vorgesehen sind, wobei der erste und der zweite Gleichrichter so geschaltet sind, daß der erste Gleichrichter ein die erste Halbwelle der Hochfrequenz des Speisestroms darstellendes Signal erzeugt und der zweite Gleichrichter ein die zweite Halbwelle der Hochfrequenz darstellendes Signal erzeugt, wobei die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Gleichrichters so verbunden sind, daß sie einander zur Erzeugung eines Signals aufheben ., das ihrem Unterschied entspricht.

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25. Vorrichtung nach Anspruch 1Ό, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegel-Detektorvorrichtiing ein Paar parallel zu der Induktionsheizspule (44) in Reihe geschalteter Widerstände (500,501) und eine Vorrichtung (304) zum Verbinden des Schaltknotens zwischen den Widerständen und der Vergleichsvorrichtung (305) aufweist.

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