DE4208252A1 - Induktive kochstellenbeheizung - Google Patents
Induktive kochstellenbeheizungInfo
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- H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
- H05B6/02—Induction heating
- H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
- H05B6/062—Control, e.g. of temperature, of power for cooking plates or the like
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- H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
- H05B6/02—Induction heating
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- H05B6/1209—Cooking devices induction cooking plates or the like and devices to be used in combination with them
- H05B6/1245—Cooking devices induction cooking plates or the like and devices to be used in combination with them with special coil arrangements
- H05B6/1263—Cooking devices induction cooking plates or the like and devices to be used in combination with them with special coil arrangements using coil cooling arrangements
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- H05B2213/00—Aspects relating both to resistive heating and to induction heating, covered by H05B3/00 and H05B6/00
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Description
Die Erfindung betrifft eine induktive Kochstellenbeheizung
für Kochgefäße o. dgl.
Induktionsbeheizungen haben den Vorteil einer sehr trägheits
armen Wärmeerzeugung unmittelbar im Kochgefäß, nämlich im
Kochtopfboden. Das Kochgerät selbst bleibt weitgehend kalt.
Ihr Nachteil ist der relativ hohe Bauaufwand und die schwie
rige Steuerbarkeit. Da zur notwendigen Hochfrequenzerzeugung
und ihrer Steuerung elektronische Bauteile benötigt werden
und andererseits durch die Verlustwärme in der Elektronik und
der Induktionsspule sich die Induktionserzeugungsmittel doch
stärker erwärmen, war es notwendig, die Umwandlungs- und
Steuerelektronik getrennt von der Kochstelle anzuordnen.
Dadurch wurde der Einbau in normale Kochherde oder Kochmulden
behindert und Induktionskochstellen waren daher meist in
Sondergeräten eingebaut.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Kochstellenbeheizung
eine verlustarme und daher mit geringer Eigenerwärmung arbei
tende, leicht Steuer- bzw. regelbare Kochstellenbeheizung zu
schaffen.
Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst.
Im Gegensatz zu der sonst üblichen Phasenanschnittsteuerung
hat die Schwingungspaketsteuerung nach der Erfindung keinen
Gleichspannungsanteil und ist daher praktisch ohne Netz-
Rückwirkung. Auch entfällt die Bildung von Oberwellen weit
gehend, so daß auch die Funkentstörung vereinfacht wird. Dazu
trägt auch bei, daß der Hochfrequenzwechselrichter frei
schwingend ausgebildet ist, d. h. seine Frequenz strom- und
dämpfungsabhängig ändert. Das ist insofern ungewöhnlich, als
der Schwingkreis durch eine Steuerungs-Taktfrequenz einer
phasengesteuerten Schleifenschaltung (PLL) gesteuert ist, die
jedoch im Leistungsbetrieb die Frequenz des Schwingkreises
übernimmt. Die elektronischen Schalter schalten dabei auch im
Nulldurchgang.
Durch das Steuerungsprinzip der vollen Halbwellensteuerung
arbeitet der Umrichter immer im Punkt des maximalen Wirkungs
grades. Er hat daher insbesondere einen hohen Fortkoch(Teil
leistungs)-Wirkungsgrad. Dadurch können auch die Leistungs
bauelemente entsprechend kleiner ausfallen und aus handelsüb
lichen Elementen bestehen. Das Steuerungsprinzip ist bezüg
lich der Netzrückwirkung optimiert. Auch der Einfluß auf
Herzschrittmacher ist minimiert.
Durch die Auswahl der Halbwellensteuerung im Grundmuster
(Teilintervallen), die wenige Netzperioden (z. B. sechs
Halbwellen) umfassen und die Varition, Wiederholung oder
Kombination dieser Teilintervalle innerhalb eines Gesamt
zeitintervalls in der Größenordnung von einigen Sekunden
(zwischen 1 und 10 s, vorzugsweise ca. 2 s) ergibt sich eine
große Variationsbreite von Leistungseinstellmöglichkeiten.
Dabei ist der Einstellbereich auch leicht nichtlinear über
den Einstellweg (Knebelstellung) auszubilden, so daß er
ergonomisch optimiert werden kann. Kleinere Leistungen können
feiner justierbar sein.
Durch den frei schwingenden Umrichter ergeben sich geringe
Schaltverluste. Es ist daher auch keine Überdimensionierung
der elektronischen Leistungsschalter (IGBT′s) notwendig. Es
ergibt sich auch keine konstante Frequenz, vielmehr tritt
durch Sättigungseffekte Frequenzmodulation auf.
An sich ist in einer Induktionskochstelle eine Temperatur
überwachung nicht notwendig, weil die Wärme erst außerhalb
der Kochstelle, nämlich im Kochgefäß, entsteht. Trotzdem
kann von dort aus Wärme auf die Platte übertragen werden und
somit die Glaskeramikplatte und unzulässig überhitzen. Ein
Abfühlen dieser Platte ist über herkömmliche Mittel nur
schwer durchzuführen. Daher wird gemäß der Erfindung eine
neuartige optische Meßeinrichtung zur Temperaturmessung der
Platte verwendet. Sie enthält einen Infrarot-Fühler, bei
spielsweise eine Silicium-Fotodiode, der eine Temperaturmes
sung unter Ausnutzung des Planck′schen Strahlungsgesetzes
durchführt. Mit steigender Temperatur der Glaskeramikplatte
erhöht sich auch das Maximum der Frequenz der abgestrahlten
Photonen (Wien′sches Verschiebungsgesetz). Ab einer bestimm
ten Temperatur entspricht die Energie der abgestrahlten
Photonen der spektralen Empfindlichkeit des Fühlers, so daß
ein auswertbares Signal entsteht, das zur Abschaltung oder
Leistungsreduzierung der Beheizung verwendet wird.
Da sich solche Überhitzung der Glaskeramikplatte praktisch
nur dann einstellen kann, wenn die Beheizung bestimmungs
widrig gebraucht wird, beispielsweise durch Aufstellen eines
leeren Topfes, sollte die Temperaturbegrenzung eine Sperr
funktion haben, d. h. nach Ansprechen der Temperaturbegren
zungsschaltung sollte die Kochstelle ausgeschaltet bleiben,
bis sie manuell ausgeschaltet und dann wieder eingeschaltet
wird. Dies ist durch die Steuerelektronik, beispielsweise
einen Mikro-Computer, leicht vorzusehen.
Diese und weitere Merkmale der Erfindung gehen außer aus den
Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen
hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein
oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer
Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten ver
wirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige
Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz bean
sprucht wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Bauelement zur induk
tiven Kochstellenbeheizung,
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch das
Bauelement,
Fig. 3 einen Querschnitt,
Fig. 4 ein Blockschaltbild der Steuerung und Lei
stungsversorgung von zwei Induktionsspulen,
Fig. 5 ein teilweise detaillierteres Schaltbild für
den Betrieb einer Induktionsspule,
Fig. 6 + 7 schematische Darstellungen einer Abschirmung,
Fig. 8a) - d) Darstellungen "Strom über Zeit" verschiedener
Impulsgrundmuster,
Fig. 9 eine tabellarische Darstellung der Zusammen
setzung einzelnen Leistungsstufen aus Grundim
pulsmustern,
Fig. 10 ein erläuterndes Diagramm eines
Strom/Zeitverlaufes,
Fig. 11a) + b) den Strom/Zeitverlauf und die zugehörigen
Einschaltzeiten eines Topferkennungs-Prüfzyk
lus und
Fig. 12 einen Querschnitt durch eine Litze, aus der
eine Induktionsspule aufgebaut ist.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Bauelement 11 für zwei Induk
tions-Kochstellen 10. Es ist zur Anordnung unter einer Platte
12 vorgesehen, beispielsweise einer Glaskeramik-Platte. Das
Bauelement bildet eine kompakte, relativ flache, handhabbare
Baueinheit, die mit Ausnahme des Netzanschlusses und eines
Einstell- und Regelorgans 27 mit Einstellknopf 26, das auch
eine Leistungssteuereinrichtung beinhalten kann, die alle zum
Betrieb notwendigen Elemente enthält. Das Bauelement kann
beispielsweise durch nicht dargestellte Federelemente von
unten an die Platte 12 angedrückt werden. Durch diese Anord
nung und den Einschluß aller wesentlichen Bauteile läßt sich
die Induktions-Beheizung auch anstelle und zusätzlich zu
üblichen Strahlungs-Kochstellen in einem Glaskeramik-Kochfeld
anordnen.
Das Bauelement enthält in einer Blechschale 23 einen Kühlkör
per 15, vorzugsweise ein Aluminiumformteil mit oben weit
gehend geschlossener Fläche und Kühlrippen 18 an der Unter
seite, die zwischen sich Kühlkanäle 19 bilden. Sie verlaufen
etwa längs einer die beiden Kochstellen 10 verbindenden Achse
9. An der Oberseite besitzt der Kühlkörper Ausnehmungen 29,
in denen Induktionserzeugungsmittel 14 angeordnet sind, die
jeweils einer Kochstelle 10 zugeordnet sind. An der Unter
seite des Kühlkörpers ist eine Platine 16 vorgesehen, bei
spielsweise mit den äußeren Kühlrippen verschraubt, so daß
die Kühlkanäle 19 und weitere, ebenfalls als Kühlkanäle
dienende größere Räume 28 an der Unterseite des Kühlkörpers
15 einschließen. In diesen sind, vorzugsweise in wärmeleiten
der Verbindung mit dem Kühlkörper 15, elektronische Lei
stungssteuerelemente 21 angeordnet. Die Platine trägt eben
falls elektronische Bauelemente, jedoch vorwiegend die zur
Steuerung eingesetzten, mit relativ kleinen Strömen und daher
geringerer Erwärmung arbeitenden Elemente. Das ganze ist
passend in eine Blechschale eingesetzt. Die Platine könnte
aber auch selbst die untere Abdeckung bilden. Im Bereich
einer kurzen Randseite 24 des langgestreckt rechteckigen
Bauelementes 11 sind Lüftungsöffnungen 25 vorgesehen, durch
die ein in einer Ausnehmung des Kühlkörpers 15 angeordneter
Ventilator 37 Luft ansaugt bzw. nach Durchströmen der Kühlka
näle 19, 28 ausbläst. Auch ein mittig auf dem Kühlkörper
angeordneter Ventilator mit einem Luftaustritt nach zwei oder
mehr Seiten ist möglich. Dadurch werden die Leistungssteuer
elemente und die Steuerelektronik unmittelbar vom Kühlluft
strom gekühlt und die Leistungssteuerelemente geben zudem
ihre Wärme durch Leitung an den luftgekühlten Kühlkörper ab.
Die Induktionserzeugungsmittel 14 bestehen aus einer Induk
tionsspule 30 in Form einer flachen, scheiben- bzw. ringför
migen Platte, darunter angeordneten Magnet-Rückschlußmitteln
31 und einer thermischen Isolierung 32 an der der Platte
zugekehrten Seite, in deren Bereich eine Abschirmung 33
vorgesehen sein kann.
Die Induktionsspule 30 enthält als Wendel und/oder Spirale
gewickelte Litzen 38, die aus Einzelleitern 39 (siehe Fig.
12) aufgebaut sind. Die Litze 38 ist aus mehreren, vorzugs
weise fünf bis neun, im vorliegenden Falle sieben Kardeelen
40 aufgebaut, die miteinander verseilt sind und ihrerseits
eine Anzahl zwischen fünf und neun, vorliegend sieben mitein
ander verseilter Einzeldrähte enthalten. Die Einzelleiter
sind auf übliche Weise, beispielsweise durch eine wärmebe
ständige Lackschicht, elektrisch gegeneinander isoliert.
Die aus Kupfer bestehenden Einzelleiter 39 haben einen Durch
messer d zwischen 0,1 und 0,4 mm, vorzugsweise 0,2 mm. Dieser
Wert gilt für die hier bevorzugte Frequenz des der Induk
tionsspule zugeführten Stromes zwischen 20 und 30 kHz, vor
zugsweise ca. 25 kHz. Im einzelnen läßt sich auch für andere
Frequenzen ein Basiswert D des Durchmessers des Einzelleiters
nach folgender Formel ermitteln:
wobei D in Metern ermittelt wird. Die elektrische Leitfä
higkeit µ des Einzelleitermaterials ist in A/V×m, dessen
Permeabilität µ in V×s/A×m einzusetzen ist und die Frequenz f
in 1/s. Die bevorzugt verwendete Drahtstärke d liegt vor
zugsweise zwischen einem Viertel und drei Viertel des nach
dieser Formel berechneten Basiswertes D. Es hat sich erstaun
licherweise gezeigt, daß bei diesen geringen Durchmessern des
Einzelleiters die Verlustleistung in der Induktionsspule 30
wesentlich gesenkt werden konnte.
Nach bisher vorliegenden Erkenntnissen, die auch durch theo
retische Rechnungen als erwiesen galten, sollten die Spulen
verluste zwar bei Verringerung des Durchmessers d bis zu
einem Wert gleich dem Basiswert D nach der o. g. Formel
abnehmen, danach aber kaum noch. Die theoretischen, bisher
als gesichert geltenden Erkenntnisse gingen von dem Skin-
Effekt eines Einzelleiters aus und ermittelten für den o. g.
Durchmesser D eine optimale Größe, weil dann der gesamte
Durchmesser trotz der Stromverdrängung zur Oberfläche hin
gleichmäßig durchflossen sei. Der Basiswert D entspricht der
Eindringtiefe des Stromes in eine Leiteroberfläche, wobei
wegen der runden Drahtform sich ein Eindringen von allen
Seiten gleichzeitig ergibt und somit eine gleichmäßige Strom
belegung über den Querschnitt. Die von dieser Theorie aus
gehende Überlegung wurde jedoch erstaunlicherweise durch
Versuche widerlegt. Bevorzugt wäre sogar ein Durchmesser von
weniger als 0,2 mm, d. h. geringer als der Hälfte des Basis
wertes D, jedoch setzen die mechanischen Möglichkeiten der
Verarbeitung einer Durchmesserverkleinerung irgendwann ein
Ende.
Versuche haben gezeigt, daß die Verluste durch Wirbelströme
und ohmsche Verluste in den Einzelleitern infolge der von der
Spule selbst erzeugten Induktion bei aufgrund der bisherigen
Theorie üblicherweise angewendeten Drahtstärken (gleich dem
Basiswert D von 0,4 mm bei 25 kHz Frequenz) bei 70 - 100 W
liegen, während sie bei einer Spule gleicher Leistung bei
einem Drahtdurchmesser d von 0,2 mm halbiert sind und nur
etwa 40 W betragen. Dadurch ist die Spulenerwärmung wesent
lich geringer und neben nicht unerheblicher Energieeinspa
rung können sonst auftretende Probleme mit der Spulenisolie
rung und der Wärmeabfuhr aus der Spule ausgeschaltet werden.
Unter der Spule liegt, ebenfalls als flache, ringförmige
Schicht mit einer mittleren Öffnung 35, das magnetische
Rückschlußmittel 31, das aus Ferritsegmenten aufgebaut ist.
Es schließt das an der Unterseite der Induktionsspule ent
stehende magnetische Feld mit geringem magnetischen Wider
stand, jedoch hohem elektrischen Widerstand, so daß auch dort
die Wirbelstromverluste gering bleiben. Daher entsteht an der
Unterseite der Induktionserzeugungsmittel 14 kein wesentli
ches Induktionsfeld. Die magnetischen Rückschlußmittel 31
bilden ferner eine Wärmeleitbrücke zwischen der Induktions
spule 30 und dem Kühlkörper, an dem sie anliegen, so daß die
Spulen-Verlustwärme unmittelbar in den Kühlkörper abgeführt
wird.
Die thermische Isolation 32 liegt in Form einer die Induk
tionsspule 30 abdeckenden Platte mit mittlerer Öffnung 35
zwischen dieser und der Glaskeramikplatte 12. Sie besteht
aus einem sehr gut wärmedämmenden und möglichst auch elek
trisch isolierenden Material, beispielsweise einem pyrogenen
Kieselsäure-Aerogel, das zu einer Platte verpreßt ist.
Es erscheint ungewöhnlich, das eigentliche Heizelement,
nämlich die Induktionsspule, thermisch gegenüber dem wärme
aufnehmenden Kochgefäß abzuschirmen. Selbst wenn man berück
sichtigt, daß die Energieübertragung durch Induktion und
nicht durch Wärmeübertragung selbst geschieht, so sollte man
meinen, daß zumindest für die Wärmeabfuhr der Verlustwärme in
der Induktionsspule ein möglichst guter Wärmeschluß zum
Verbraucher hin, dem Kochgefäß 13, vorteilhaft wäre. Es hat
sich aber gezeigt, daß die Induktionsspule, insbesondere bei
dem vorher erwähnten verlustarmen Spulenaufbau, so wenig
Wärme erzeugt, daß durch eine Wärmebrücke zum Verbraucher
diesem eher Wärme entzogen als ihm zugeführt würde. Durch die
Wärmedämmung wird die Induktionsspule auf einem niedrigeren
Temperaturniveau gehalten, was für die Spulenauslegung und
-isolation Vorteile hat. Es ergibt sich ferner eine Wirkungs
gradverbesserung dadurch, daß die Wärme des Kochgefäßes 13
nicht durch die Glaskeramikplatte nach unten abgeleitet wird.
Die thermische Isolation 32 bildet vorteilhaft auch
gleichzeitig eine elektrische Isolation gegen die Glaskera
mikplatte 12, die bei erhöhter Temperatur elektrisch leitfä
hig wird.
Im Bereich der mittleren Öffnung 35, die durch Isolation 32,
Induktionsspule 30 und Rückschlußmittel 31 hindurchgeht, ist
ein optischer Fühler 36 angeordnet, der die von der Glas
keramikplatte herkommende Strahlung aufnimmt. Er überwacht
somit mittelbar die der Glaskeramikplatte gefährlich werden
könnende Temperatur des Kochgefäßes mittels berührungsloser
Messung, die sonst im Magnetfeld einer Induktionskochstelle
nur schwierig durchzuführen wäre. Es handelt sich also um
eine Messung der Ursache für die Temperaturgefährdung der
Glaskeramikplatte, da diese nur vom Kochgefäß erwärmt wird.
Die Glaskeramik läßt die Strahlung weitgehend durch und ist
daher selbst kaum berührungsfrei zu messen. Bei anderen
Plattenmaterialien können diese auch selbst die Strahlungs
quelle sein.
Der optische Fühler ist ein Infrarot-Detektor, dessen spek
trale Empfindlichkeit im Infrarot-Bereich liegt. Bei steigen
der Temperatur des Kochgefäßes erhöht sich auch das Maximum
der Frequenz der abgestrahlten Photonen nach dem Wien′schen
Verschiebungsgesetz. Ab einer vorgegebenen Temperatur ent
spricht die Energie der abgestrahlten Photonen der spektralen
Empfindlichkeit des IR-Detektors, so daß ein auswertbares
Signal entsteht, das dann zur Abschaltung oder Verringerung
der Leistung der Induktionsbeheizung verwendet wird. Dazu
wirken die optischen Fühler 36 jeder Induktions-Kochstelle
über Komparatoren 41 auf einen Mikro-Computer 42 ein (Fig.
4), von denen je einer zur Steuerung und Regelung einer
Induktions-Kochstelle vorgesehen ist. Er ist jeweils über das
Einstellorgan mit dem Einstellknopf 26 auf eine bestimmte
Temperatur oder Leistungsstufe einstellbar. Die optischen
Fühler 36 können Silicium-Dioden sein.
Alternativ könnten auch Meßwiderstände an die Platte angelegt
werden, z B. zwischen Isolation und Platte im Spulenbereich,
wenn die Meßwiderstände vom Magnetfeld nicht oder nur wenig
beeinflußt werden und eine Beeinflussung schaltungstechnisch
oder im Meßprogramm kompensiert wird.
Die Abschirmung 33 ist zwischen Induktionsspule 30 und Glas
keramikplatte 12 vorgesehen. Sie kann an der Unter- oder
Oberseite der thermischen Isolierung 32 liegen oder vorteil
haft in sie eingebettet sein. Die Abschirmung besteht aus
einem beispielsweise in den Fig. 4 und 6 dargestellten
Draht- oder Bandgebilde, das wirbelstromarm ausgebildet ist.
Das bedeutet einerseits, daß die Dicke der einzelnen Struk
turelemente 45 (Drähten Streifen o. dgl.) geringer ist als
die Strom-Eindringtiefe bei der verwendeten Frequenz und
andererseits die Strukturen keinesfalls elektrisch geschlos
sen sind. Es ist daher in Fig. 6 ein offener Ringleiter 46
mit nach innen ragenden Ästen 45 vorgesehen, die unterschied
lich lang sind, so daß die gesamte Fläche gleichmäßig belegt
wird. Der Ring 46 ist mit einer Erdung 34 verbunden, bei
spielsweise durch Anschluß an die geerdete Blechschale 23 des
Bauelementes 11 (Fig. 1).
Fig. 7 zeigt eine Struktur, bei der von einem Mittelpunkt,
an dem die Erdung angreift, Äste mit Leiterstrukturen 45
nach außen reichen, die ebenfalls so verästelt sind, daß sie
das Kochfeld möglichst gleichmäßig abschirmen.
Durch diese Abschirmung wird, ohne daß wesentliche Verluste
entstehen, das um die Induktionsspule herum ausgebildete
elektrische Feld nach oben hin abgeschirmt und damit die
elektrische Störstrahlung. Ferner können die Ableitströme vom
Kochgefäß reduziert werden. Die Abschirmung könnte auch durch
eine geerdete Schicht aus einem Widerstandsmaterial gebildet
sein. Wesentlich ist, daß das Material unmagnetisch ist und
zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten einen gegenüber
metallischen Leitern relativ hohen elektrischen Widerstand
hat.
In Fig. 4 ist im Blockschaltbild und in Fig. 5 etwas detail
lierter die Energieversorgung, Regelung und Steuerung der
Induktionsspulen 30 dargestellt. Fig. 4 zeigt, daß der von
dem Netzanschluß 22 kommende Wechselstrom über eine Funkent
störung 50 und Gleichrichtung 51 einem gemeinsamen Zwischen
kreis 52 zugeführt wird, von dem aus beide Umrichter 53, die
man auch als Hochfrequenz-Generatoren bezeichnen könnte, für
jede Induktionsspule 30 versorgt werden. Zwischenkreis und
Umrichter werden von einer Steuerung 54 gesteuert, die ihrer
seits von den Mikro-Computern (MC) 42 Signale erhält.
In Fig. 5 ist die Schaltung einer Induktionsspule 30 detail
lierter dargestellt, wobei Steuerung, Umrichter 53 und Induk
tionsspule 30 einer zweiten Kochstelle, die auch an den
Zwischenkreis 52 angeschlossen ist, der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellt ist. Wegen der Einzelheiten der
Schaltung wird ausdrücklich auf Fig. 5 hingewiesen.
Jede Induktionsspule 30 liegt in einem Schwingkreis mit einer
Halbbrücken-Schaltung, d. h. es sind zwei Zweige 55, 56
vorgesehen, in denen jeweils ein Kondensator 57, 58 und ein
elektronischer Schalter 60, 61 liegt. Dabei kann es sich um
IGBT-Bauelemente handeln, d. h. elektronische Halbleiter-
Bauelemente, die mehrere Transistorfunktionen beinhalten und,
von der Steuerung 62 angesteuert, außerordentlich schnell
schalten können. Parallel zu diesen Leistungsschaltern 60, 61
ist je eine Freilaufdiode 63, 64 und ein Widerstand 65, 66
geschaltet. Diese Elemente bilden den als Schwingkreis ausge
bildeten Umrichter 53, dem der Zwischenkreis 52 und die
Gleichrichtung 51 vorgeschaltet ist. Eine Gleichrichterbrücke
erzeugt eine pulsierende Gleichspannung, bei der also durch
Gleichrichtung des Netz-Wechselstroms Sinus-Halbwellen der
jeweils gleichen Polarität aneinandergereiht sind. Die Aus
gänge der Gleichrichterbrücke 51 sind an die beiden Zweige
55, 56 gelegt. Im Zwischenkreis ist ein gemeinsamer Konden
sator 67 zwischen den beiden Zweigen und ein von einem elek
tronischen Schalter 69 geschalteter Widerstand 68 vorhanden.
Bei dem Schalter 69 kann es sich um einen MOS-FET handeln,
der im Zusammenwirken mit dem Widerstand vermeidet, daß beim
Einschalten des Umrichters Knackgeräusche auftreten. Er
entlädt den Zwischenkreis.
Im Ansteuerungsweg zu den Schaltern 60, 61 ist je eine An
steuereinheit 80 vorgesehen, die eine galvanische Trennung
zwischen dem Niederspannungsteil 54 und der Leistungsseite
enthält, beispielsweise durch Optokoppler. Ferner werden
darüber die Schalter mit der Steuerenergie versorgt. Diese
wird über Versorgungseinheiten 81 zugeführt, die in den
Zweigen der Widerstände 65, 66 liegen und die je eine Zener-
Diode 82 und eine Diode 83 sowie einen Kondensator 84 ent
hält. Die Zener-Diode begrenzt die Spannung auf die für die
Schalter 60, 61 erforderliche Steuerspannung und Diode und
Kondensator wirken als Gleichrichtung. Es wird dadurch ein
einfaches "Netzgerät" für die Schalter-Ansteuer-Energie
geschaffen, das seine Energie aus dem Widerstandszweig be
zieht, d. h. aus einer ohnehin zur Verfügung stehenden Ener
giequelle. Die Widerstände werden dadurch geringere Verlust
energie erzeugen und trotzdem werden die übrigen Verhältnisse
nicht beeinträchtigt, z. B. der Stromwert am Punkt 70.
Der dargestellte Schwingkreis im symmetrischen Schaltungs
aufbau könnte auch durch einen mit unsymmetrischem Aufbau
ersetzt werden, bei dem statt der beiden Schwingkreiskonden
satoren 57, 58 nur einer vorgesehen ist. Der Schwingkreis
nimmt dann nur halbseitig Energie aus dem Netz auf. Insbeson
dere in Fällen, in denen es nicht auf die Einhaltung bestimm
ter Funkentstörwerte ankommt, könnte dieser schaltungstech
nisch einfachere Aufbau vorteilhaft sein.
An einem Abgreifpunkt 70 zwischen der Induktionsspule 30 und
den Kondensatoren 57, 58 des Schwingkreises ist eine Schalt
steuerung 71 für den Umrichter 53 angeschlossen, die ein
Abtaste-Halteglied 72, einen Grenzwertspeicher 73, einen
Komparator 74 und einen Ja/Nein-Speicher 75 enthält.
Diese Schaltsteuerung ist dazu vorgesehen, die Induktions
beheizung sofort abzuschalten, wenn keine Leistungsabnahme
erfolgt, beispielsweise wenn das Kochgefäß 13 von der Koch
stelle entfernt ist und sie erst wieder einzuschalten, wenn
ein Kochgefäß vorhanden ist. Dazu wird in relativ kurzen
Zeitabständen eine Überprüfung vorgenommen, ob ein Abnehmer
vorhanden ist. Dies geschieht durch eine Messung der Dämpfung
der Induktionsspule 30.
Die Einschaltung des Schwingkreises erfolgt grundsätzlich im
Nulldurchgang der Netzspannung, und zwar nach einem bestimm
ten Schema, das vom Mikro-Computer 42 vorgegeben wird und im
folgenden noch erläutert wird. Der Schwingkreis wird über die
elektronischen Leistungsschalter 60, 61 gesteuert, und zwar
von der Steuerung 62 aus. Vor jeder Halbwelle der erzeugten
Hochfrequenz-Spannung, die in der Größenordnung von 25 kHz
liegt, erfolgt im Nulldurchgang eine Umschaltung zwischen den
Leistungsschaltern 60, 61. Es entsteht damit ein vollkommen
freischwingender Umrichter bzw. Wechselrichter 53, der gerin
ge Schaltverluste hat. Zur Leistungseinstellung bzw. -rege
lung wird, wie noch erläutert wird, keine Phasenanschnitt-
Steuerung verwendet, die in einer erzwungenen Schwingung
resultieren würde. Die Frequenz ist nicht konstant und kann
sich entsprechend der Sättigungseffekte durch Frequenzmodula
tion einstellen. Dadurch ist keine Überdimensionierung der
elektrischen Leistungsschalter 60, 61 notwendig und es folgt
auch eine geringe Oberwellenerzeugung.
Die Leistungseinstellung erfolgt durch eine Schwingungspaket
steuerung. Der Umrichter ist dabei im normalen Betrieb immer
für eine volle Netzhalbwelle eingeschaltet. Grundlage der
Leistungseinstellung ist, daß unterschiedliche Leistungsstu
fen durch Einschaltmuster bestimmt sind, die aus einer Anein
anderreihung bzw. Kombination gleicher oder auch unterschied
licher, in sich symmetrischer Grundmuster von Wellenpaketen
bestehen. Durch die vollständige Symmetrie wird eine Netz
rückwirkung minimiert.
Die Fig. 8 und 9 zeigen ein Beispiel eines Musterbele
gungsplans für eine solche Schwingungspaketsteuerung:
Ein Gesamt-Zeitintervall Z von 2,1 Sekunden Dauer ist in 35
Teilintervalle T von je 60 Millisekunden, d. h. sechs Netz-
Halbwellen bei einer Frequenz von 50 Hz unterteilt. Es gibt
insgesamt vier Grundmuster von Teilintervallen T, die in Fig.
8 a) bis d) als Diagramme "Spannung über Zeit" dargestellt
sind:
Fig. 8 a) zeigst ein Teilintervall T mit der Bezeichnung
"*", in dem alle sechs Netzhalbwellen vorhanden sind. Es ist
also ein "Volleistungs"-Intervall.
Fig. 8b) zeigt ein Teilintervall T mit der Bezeichnung "X",
bei dem insgesamt vier Netzhalbwellen so verteilt sind, daß
sich insgesamt eine symmetrische Verteilung ergibt. Gegenüber
dem "Volleistungs"-Muster nach Fig. 8 a) fehlt die dritte und
sechste Netzhalbwelle (je eine positive und eine negative),
so daß dieses Teilintervall "X" mit zwei Drittel Leistung
belegt ist.
Fig. 8 c) enthält insgesamt nur zwei Netzhalbwellen, und
zwar die erste als positive und die vierte als negative.
Auch hier ergibt sich eine symmetrische Aufteilung. Dieses
Teilintervall T mit der Bezeichnung "Y" hat also einen Lei
stungsanteil von einem Drittel.
Fig. 8 d) zeigt die Nulleistung, d. h. während dieses Teil
leistungsintervalles "0" wird keine Leistung freigegeben.
Fig. 9 zeigt nun die Belegungspläne unter Verwendung der
insgesamt 35 Teilintervalle T, die zusammen das Zeitinter
vall Z von 2,1 Sekunden Dauer bilden. Es sind dort lediglich
beispielsweise verschiedene Leistungsstufen, beispielsweise
entsprechend der Knebelstellung des Einstellknopfes 44,
dargestellt, denen die unterschiedlichsten Kombinationen der
Grundmuster entsprechend Fig. 8, jeweils hintereinanderge
reiht, zugeordnet sind. Aus den dahinter angegebenen Prozent
sätzen der Leistungsfreigabe ist zu erkennen, daß auf diese
Weise die Leistungskennlinie bei einer leistungsgesteuerten
Induktionskochstelle beliebig den Praxisforderungen angepaßt
werden kann. So ist beispielsweise die Leistung in den unte
ren Einstellstufen viel feiner regulierbar als in den oberen,
was den Anforderungen der Praxis entspricht. Da jedes Grund
muster "Y" nach Fig. 8 c) nur weniger als einem Prozent
Leistung innerhalb des Zeitraumes Z entspricht, kann die
Leistung also prozentweise angepaßt werden. Es können dabei
auch durchaus völlig unregelmäßige oder auch unstetige Ver
läufe erzielt werden, wenn sich dies als zweckmäßig heraus
stellt. Trotzdem ist jeweils eine Schaltung im Nulldurchgang
der Spannung sichergestellt.
Fig. 8 zeigt positive und negative Netzhalbwellen, wie sie
vor der Gleichrichtung vorliegen, um die Rückwirkungsfrei
heit auf das Stromnetz zu demonstrieren. Im Schwingkreis
liegen Netzhalbwellen in Form von gleichgerichtetem Wech
selstrom vor.
In dem Zeitintervall Z, das beim erläuterten Beispiel 2,1
Sekunden beträgt, jedoch beliebig lang sein kann und in
beliebig bemessene Teilintervalle T unterteilt sein kann,
werden also die Grundmuster durch den Mikro-Computer ge
steuert beliebig gemischt und erzeugen so eine netzseitig
gleichstromfreie Steuerung bzw. Regelung in relativ kurzen,
jedoch jeweils eine ganze Netzhalbwelle enthaltenen Impulsen.
Die Einstellung kann über die Einstellelemente 43, wie in
Fig. 9 dargestellt, rein leistungsabhängig sein, es können
jedoch auch Regeleinflüsse von Temperaturfühlern o. dgl. mit
auf den Mikro-Computer einwirken, so daß ein Regelkreis
entsteht.
Der Start des Schwingkreises zur Erzeugung der die Induk
tionsspule 30 speisenden Hochfrequenz beginnt also grund
sätzlich im Nulldurchgang der Netzspannung und Amplitude wie
Frequenz im Schwingkreis ändern sich mit dem Ansteigen und
Abfallen von Strom und Spannung über die einzelnen Netzhalb
wellen. Die Frequenz ist also am Beginn jeder Halbwelle
größer und nimmt im Bereich von deren Maximum ab, weil der
Umrichter frei schwingt. Ferner ändert sich die Frequenz
nicht nur mit dem Strom, sondern auch mit dem Topfmaterial,
weil beispielsweise durch magnetische Sättigung im Topfboden
die Induktivität nicht konstant ist. Wenn die Induktivität
der Gesamtanordnung kleiner wird, ergibt sich eine höhere
Frequenz. Diese Anordnung hat auch Vorteile bezüglich der
Funkentstörbarkeit, weil breitbandige Störer leichter zu
entstören sind. Außerdem werden weniger Oberwellen erzeugt,
weil Phasenanschnitt nicht nötig ist.
Die anhand von Fig. 5 dargestellte Topferkennung, die auch
einen Schutz der Umgebung gegen zu starke Induktionsfelder
und einen Selbstschutz des Umrichters bewirkt, arbeitet wie
folgt:
Wenn bei eingeschalteter Kochstelle das Kochgefäß von dieser
entfernt wird, so steigt der Strom im Schwingkreis stark an,
weil die Dämpfung abnimmt. Der Strom im Umrichter wird im
Punkt 70 abgegriffen und von dem Abtast-Halteglied 72 detek
tiert. Überschreitet er einen in dem Grenzwertspeicher 73
gespeicherten Grenzwert, so wird der Umrichter über die
Steuerung 62 ausgeschaltet, indem die Leistungsschalter 60,
61 geschlossen bzw. nicht mehr geöffnet werden. Dies kann
auch innerhalb-einer Netzhalbwelle geschehen. Die im Schwing
kreis dann vorhandene Energie wird über die Freilaufdioden
63, 64 in den Zwischenkreis 52 zurückgeleitet. Die Abschal
tung arbeitet also in Abhängigkeit vom Strom im Schwingkreis
außerordentlich schnell und verlustfrei.
Trotz eingeschalteter Kochstelle wird dann keine Leistung
freigesetzt, bis wieder ein geeignetes Kochgefäß aufgesetzt
wird. Diese Einschaltüberprüfung findet am Beginn jedes
Zeitintervalls Z (im Beispiel 2,1 Sekunden) statt. Der Prüf
vorgang läuft wie folgt ab:
In der Steuerung 62 gibt eine phasengesteuerte Schleifen
schaltung (PLL "Phase Locked Loop") die Steuerungstaktfre
quenz für die Leistungsschalter 60, 61 vor. Während des
Betriebs des Schwingkreises stellt sie sich auf die Frequenz
des Hauptschwingkreises ein und schaltet die Leistungsschal
ter 60, 61 abwechselnd um. Im Leerlauf, d. h. während der
Prüfphase gibt die Schleifenschaltung auf Anstoß durch den
Mikro-Computer durch Schließen eines der beiden Leistungs
schalter 60 oder 61 eine Halbschwingung frei. Vorher war über
die Widerstände 65, 66 der Abgreifpunkt 70 auf eine bestimmte
Spannung aufgeladen und damit eine gewisse Energie im
Schwingkreis vorhanden. Bei der Einschaltung eines der Lei
stungsschalter fließt demnach für eine Hochfrequenz-Halbwelle
Strom. Das Abtast-Halteglied, z. B. ein Spitzenwert-Detektor,
das auch einen Stromwandler enthält, um die tatsächlich
fließenden Ströme in Meßströme umzuwandeln, mißt den Strom
während dieses Anschwingens und speichert das Ergebnis. Es
entspricht dem Wert imax in Fig. 10. In dem Schwingkreis
klingt nun die Amplitude entsprechend dem Energieverbrauch
durch die Dämpfung nach einer bestimmten Funktion (entspre
chend einer e-Funktion) ab. Falls dieses Abklingen zu langsam
vor sich geht, ist die Dämpfung zu niedrig und die Bedingun
gen für eine Leistungseinschaltung sind nicht gegeben. Dies
ist an Fig. 10 beispielsweise demonstriert, wo eine abklin
gende Schwingung gezeigt ist und die Grenzwerte G1, G2, G3
und G4 beispielsweise die Werte angeben, die im Grenzwert
speicher 73 gespeichert sein könnten. Werden sie überschrit
ten, so bedeutet dies "keine ausreichende Dämpfung" und es
wird ein Signal an den Mikro-Computer: "Keine Einschaltung"
gegeben.
Die Topferkennung arbeitet also nach dem Prinzip der Dämp
fungsmessung, wobei die Prüfung nur mit einer Hälfte des
Umrichters arbeitet, so daß der Leistungsschwingkreis nicht
anläuft, wozu eine wechselweise Einschaltung der beiden
Leistungsschalter 60, 61 nötig wäre.
Beim Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Fig. 4 und 5
findet der Prüfvorgang so statt, daß aus der ersten
Schwingung beim Einschalten eines der Leistungstransistoren
60 oder 61 für einen sehr kurzen Zeitraum E von beispiels
weise 20 Mikrosekunden (etwa eine Halbschwingung in Leer
lauffrequenz) der Stromwert gemessen, durch das Abtast-Halte
glied 72 festgehalten und daraus im Grenzwertspeicher 73 die
nachfolgenden Grenzwerte, z. B. G1 bis G5 abgeleitet werden.
Unter Steuerung durch den Mikro-Computer legt die Schleifen
schaltung PLL danach Pausen P in gleicher Größenordnung ein
und schaltet dann wiederum den Leistungstransistor ein. Aus
dem Stromabfall in der nächsten Schwingung (siehe Fig. 11a)
kann nun durch Vergleich mit den Grenzwerten, was über den
Komparator 74 erfolgt, festgestellt werden, ob der Strom
diese Grenzwerte (hier G2 und G3) überschritt. Das Ergebnis
dieser Überprüfung wird im Speicher 75 zwischengespeichert.
Es erfolgt dann noch eine zweite Einschaltung, wo die Grenz
werte G4 und G5 zum Vergleich herangezogen werden. Diese
zweite Messung erfolgt sicherheitshalber, um eine Verfäl
schung durch starke Frequenzabweichung, z. B. bei einem
Aluminium- oder Kupfergegenstand statt eines Kochgefäßes
Fehler zu vermeiden. Ergibt diese Messung ebenfalls kein
Überschreiten der Grenzwerte, so ist die Dämpfung ausreichend
und es erfolgt eine Leistungseinschaltung des Schwingkreises
durch die Steuerung 62. Da die ganze Messung sich im Bereich
von Mikrosekunden abspielte, klang die Energie im Schwing
kreis ab, weil sie über den den Leistungsschaltern 60, 61
parallel geschalteten hochohmigen Spannungsteiler 65, 66 in
dieser Zeit nicht ersetzt werden konnte. Bis zum nächsten
Prüfzyklus am Beginn des nächsten Zeitintervalls Z (nach 2,1
Sekunden) ist jedoch der Schwingkreis über diesen Spannungs
teiler wieder mit der entsprechenden Prüfspannung versorgt
und eine erneute Prüfung kann beginnen, falls eine Über
schreitung der Grenzwerte festgestellt und damit "zu wenig
Dämpfung" detektiert wurde und der Schwingkreis nicht im Lei
stungsbetrieb geschaltet wurde.
Die Prüfung kann mit einem sehr geringen Prüfstrom statt
finden, beispielsweise mit einem Zehntel des Nennstroms bei
Leistungsbetrieb. Da außerdem durch die sehr geringen Ein
schaltzeiten von beispielsweise 20 Mikrosekunden innerhalb
des Prüfzyklus von 2 Sekunden der Schwingkreis im Prüfbetrieb
ca. nur 1/100.000stel der Gesamtzeit in Betrieb ist, beträgt
die Gesamtleistungsfreigabe während der Prüfung nur einen
völlig unbedeutenden Bruchteil der Gesamtleistung der Koch
stelle und kann sowohl energetisch als auch von der Beein
flussung der Umgebung her vernachlässigt werden. Es liegt
beispielsweise bei einer Kochstelle von 2.000 W in der
Größenordnung von 1 bis 4 mW.
Durch diese Topferkennung mittels Überprüfung der möglichen
Leistungsabnahme (Dämpfung) findet also eine sehr zuverlässi
ge, kurzfristig zugreifende und prüfenergiearme Messung
statt. Statt der Strommessung im Schwingkreis kann beispiels
weise auch eine Spannungsmessung am Schwingkreiskondensator
verwendet werden, um durch Messung des Abklingens der Span
nungsamplitude einen Vergleich mit den aufgrund der Anfangs
messung ermittelten Grenzwerten die Prüfung durchzuführen.
Die Prüfung arbeitet jedenfalls nur mit einer Hälfte des
Umrichters, daher läuft der Leistungsschwingkreis während
der Prüfphase nicht an. Ergeben bei den beiden aufeinander
folgenden Messungen (zweite und dritte Einschaltung des PLL)
die im Speicher 75 gespeicherten Werte beide "Dämpfungaus
reichend" (Grenzwerte nicht überschritten), so wird in der
Steuerung 72 unter Taktgabe der Schleifenschaltung PLL der
Schwingkreis durch wechselseitiges Einschalten der Leistungs
schalter 60, 61 mit vollem Strom in Gang gesetzt. Die Lei
stungsfreigabe selbst erfolgt dann entsprechend dem anhand
der Fig. 8 und 9 erläuterten Leistungsschema so lange, bis
entweder die Kochstelle über das Einstellglied 43 ausgeschal
tet wird oder durch Wegnahme des Topfes der Selbstschutz zu
greift und die Leistung abgeschaltet wird, so daß sie wieder
in die Prüfphase übergeht.
Claims (14)
1. Induktive Kochstellenbeheizung mit Induktionserzeugungs
mitteln (14) und einer elektronischen Steuerung dafür,
gekennzeichnet durch eine Schwingungspaketsteuerung.
2. Kochstellenbeheizung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Schwingungspaket aus wenigstens einer
vollständigen Netz-Halbwelle besteht.
3. Kochstellenbeheizung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn
zeichnet durch einen freischwingenden Hochfrequenz-
Umrichter (53) mit sich ändernder Ausgangsfrequenz.
4. Kochstellenbeheizung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Ein- und Ausschaltung des Hochfre
quenz-Umrichters (53) jeweils im Nulldurchgang der
Netzspannung erfolgt.
5. Kochstellenbeheizung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schwingkreis mit
zwei jeweils das Induktionserzeugungsmittel (14) enthal
tenden gesonderten Zweigen (55, 56) mit je einem elek
trischen Leistungsschalter (60, 61), vorzugsweise
IGBT′s, die abwechselnd bei jeder Hochfrequenz-Halbwelle
einen Zweig (55, 56) zu- bzw. abschalten.
6. Kochstellenbeheizung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch eine über eine geringe
Anzahl von Netzspannungsperioden phasensymmetrische
Steuerung der Schwingungspakete.
7. Kochstellenbeheizung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Zwi
schenkreis (52) für mehrere, vorzugsweise zwei Hochfre
quenz-Umrichter (53), der diesen gleichgerichtete Netz
spannung zuführt.
8. Kochstellenbeheizung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche
Leistungsstufen durch Einschaltmuster bestimmt sind, die
aus einer Aneinanderreihung bzw. Kombination gleich
und/oder unterschiedlicher, in sich symmetrischer Grund
muster von Netzspannungs-Halbwellen, vorzugsweise inner
halb eines bestimmten tempkonstanten Zeitintervalls (Z)
bestehen.
9. Kochstellenbeheizung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische
Steuerung (62) Schwingkreissteuerungsmittel enthält, die
eine phasengesteuerte Schleifenschaltung (PLL) aufweist,
die elektronische Leistungsschalter (60, 61) steuert und
die vorzugsweise in einer Leerlaufsteuerungs-Taktfre
quenz arbeitet, wenn der Schwingkreis nicht im Lei
stungsbetrieb arbeitet und nach dessen Anlaufen dessen
Frequenz übernimmt.
10. Induktive Kochstellenbeheizung, insbesondere nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine
optische Meßeinrichtung (36, 41) zur Temperaturmessung
einer Platte (12), unter der die Beheizung angeordnet
ist.
11. Kochstellenbeheizung nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Meßeinrichtung berührungslos arbeitet
und einen im Bereich des Magnetfeldes eines Induktions
erzeugungsmittels (14), vorzugsweise in dessen Mitte,
wirksame, jedoch gegebenenfalls außerhalb dieses Berei
ches angeordneten Fühler (36) aufweist.
12. Kochstellenbeheizung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Fühler (36) einen bestimmten
spektralen Empfindlichkeitsbereich aufweist, der vor
zugsweise im Bereich infraroter Strahlung liegt.
13. Kochstellenbeheizung nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zum
Schutz der Platte (12) gegen Überhitzung vorgesehen und
auf die induktive Beheizung leistungsmindernd bzw.
-abschaltend einwirkt, sowie mit einer Wiedereinschalt
sperre versehen ist.
14. Kochstellenbeheizung nach einem der Ansprüche 5 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschalter (60,
61) über je eine Ansteuereinheit (80) angesteuert wer
den, die ggf. eine galvanische Trennung enthält und
vorzugsweise über eine Versorgungseinheit (81) mit
Steuerenergie versorgt wird, die aus einem Schaltungs
teil (65, 66) abgezweigt wird, der dem Schwingkreis eine
definierte Anfangsenergie zuführt.
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