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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Induktionserwärmungsvorrichtung,
wie etwa ein Induktionsheizungsherd oder ein Wasserkocher, und einen Luftbefeuchter,
der die Induktionserwärmung
nutzt, zur Verwendung im Haus, in Büros, Restaurants oder Betrieben.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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Nachstehend
wird ein Induktionsheizungsherd als Induktionserwärmungsvorrichtung
erläutert. Der
Induktionsheizungsherd weist eine Induktionsheizspule zum Erzeugen
eines Hochfrequenz-Magnetfelds auf, das Wirbelströme in einem
zu erwärmenden
Gegenstand, wie etwa einem in der Nähe der Induktionsheizspule
angeordneten Metall-Kochtopf 3, erzeugt.
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Nachstehend
wird ein herkömmlicher
Induktionsheizungsherd unter Bezugnahme auf 10 näher erläutert. Wie
in 10 gezeigt, weist der Herd einen Hochfrequenz-Wechselrichter 1 mit
zwei Schaltelementen (nicht dargestellt) und einer mit dem Hochfrequenz-Wechselrichter 1 elektrisch
verbundenen Induktionsheizspule 2 auf.
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Ein
von dem Hochfrequenz-Wechselrichter 1 eingespeister Hochfrequenzstrom
lässt die
Induktionsheizspule 2 ein Hochfrequenz-Magnetfeld erzeugen,
das Wirbelströme
zum Erwärmen
des Kochtopfes 3 erzeugt. Zum Einstellen und Stabilisieren
des Hochfrequenzstroms wird ein in den Hochfrequenz-Wechselrichter 1 eingespeister
Quellenstrom mit einem Stromwandler (nicht dargestellt) überwacht.
Entsprechend dem Ergebnis der Überwachung
des Hochfrequenzstroms wird eine Ansteuerfrequenz der Schaltelemente
(nicht dargestellt) oder eine Leistung zum Ansteuern der Schaltelemente
unter Beibehaltung der Ansteuerfrequenz geändert. Diese Operationen steuern
das Ausgangssignal des Hochfrequenz-Wechselrichters 1.
Außerdem
wird der in der Induktionsheizspule 2 fließende Strom
mit dem Stromwandler (nicht dargestellt) überwacht und das Ausgangssignal
des Hochfrequenz-Wechselrichters 1 wird entsprechend dem
Ergebnis der Überwachung
gesteuert. Beispielsweise kann das Ausgangssignal zur Verringerung
der Last für
Schaltelemente unterdrückt
werden, wenn der Kochtopf 3 aus nichtmagnetischem rostfreiem
Stahl besteht.
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Wenn
der zu erwärmende
Kochtopf 3 aus einem nichtmagnetischen Metall, wie etwa
Aluminium oder Kupfer, besteht, kann bei dem herkömmlichen Induktionsheizungsherd
eine Gegenkraft des Magnetfelds auf den Kochtopf 3 wirken.
Wenn der Kochtopf 3 Material mit einer geringen Gesamtmasse
enthält
oder wenn er stark erwärmt
wird, kann er sich seitlich verschieben und kann sich teilweise
von einer Deckplatte 4 abheben. 11 zeigt
das Profil der Beziehung zwischen der Eingangsleistung und der Abhebekraft
für den
Fall, dass der Kochtopf 3 aus dem nichtmagnetischem Metall
erwärmt
wird. In 11 stellt die Abszissenachse
die Eingangsleistung des Hochfrequenz-Wechselrichters 1 dar,
während
die Ordinatenachse die auf den Kochtopf wirkende Abhebekraft darstellt.
Wie in 11 gezeigt, nimmt die Eingangsleistung
mit steigender Abhebekraft zu. Mit anderen Worten, wenn die Abhebekraft
größer als die
Masse wird, wird der Kochtopf verschoben oder teilweise abgehoben.
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Um
die vorstehenden Nachteile zu beheben, sind einige Verfahren in
den japanischen Offenlegungsschriften Nr. 61-128492 und 62-276787
beschrieben worden, in denen Massensensoren zum Ermitteln der Verschiebung
von Kochtöpfen
verwendet werden. Die japanischen Offenlegungsschriften Nr. 61-71582
und 61-230289 beschreiben einen Magnetsensor bzw. ein Resonanzfrequenz-Messgerät zum Ermitteln
der Verschiebung. Die in den vorgenannten Veröffentlichungen beschriebenen
herkömmlichen
Verfahren verwenden jedoch notwendigerweise Sensoren, wie etwa den
Massensensor und den Magnetsensor, und das Frequenz-Messgerät zum Ermitteln
der Verschiebung von Kochtöpfen, sodass
die Gesamtkosten der Herstellung oder die Anzahl der Komponenten
steigen.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Mit
einer Induktionserwärmungsvorrichtung wird
durch ein von einer Induktionsheizspule erzeugtes Magnetfeld vermieden,
dass ein zu erwärmender Gegenstand
verschoben oder teilweise abgehoben wird. Die Verschiebung und das
Abheben werden entweder mit einem Quellenstromdetektor zum Steuern
eines Hochfrequenz-Wechselrichters oder mit einem Ausgangssignaldetektor
zum Prüfen
von Daten zur Größe eines
Ausgangssignals des Hochfrequenz-Wechselrichters, wie etwa Heizspulenstrom oder
Heizspulenspannung, vermieden. Die Induktionserwärmungsvorrichtung hat somit
einen einfachen Aufbau und ist auch dann kostengünstig, wenn sie einige zusätzliche
Komponenten enthält.
Die Erwärmungsvorrichtung
hat eine geringe Anzahl von Komponenten und kann dadurch eine bessere
Betriebszuverlässigkeit
haben.
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Die
Induktionserwärmungsvorrichtung
weist Folgendes auf: eine Induktionsheizspule zum Erzeugen eines
Hochfrequenz-Magnetfelds, um einen zu erwärmenden Gegenstand zu erwärmen; einen Wechselrichter
zum Einspeisen eines Hochfrequenzstroms in die Induktionsheizspule;
einen Ausgangssignal-Detektor zum Erfassen der Größe des Ausgangssignals
des Wechselrichters; einen Verschiebungsdetektor zum Erfassen der
Verschiebung des Gegenstands aufgrund der zeitlichen Änderung
der von dem Ausgangssignal-Detektor erfassten Größe des Ausgangssignals des
Wechselrichters und ein Steuergerät zum Steuern des Ausgangssignals
des Hochfrequenz-Wechselrichters entsprechend einem Erfassungsergebnis
des Verschiebungsdetektors.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Induktionserwärmungsvorrichtung
nach einer beispielhaften Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Blockschaltbild der Induktionserwärmungsvorrichtung der Ausführungsform
1.
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3 zeigt
Wellenformen an Teilen der Induktionserwärmungsvorrichtung der Ausführungsform
1.
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4A zeigt
die zeitliche Änderung
der Eingangsleistung der Induktionserwärmungsvorrichtung der Ausführungsform
1.
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4B zeigt
die zeitliche Änderung
des Quellenstroms, der in die Induktionserwärmungsvorrichtung der Ausführungsform
1 eingespeist wird.
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5A zeigt
die zeitliche Änderung
der Eingangsleistung, die in Reaktion auf die Erfassung der Verschiebung
oder des teilweisen Abhebens eines mit der Induktionserwärmungsvorrichtung
der Ausführungsform
1 zu erwärmenden
Gegenstands gesteuert wird.
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5B zeigt
die zeitliche Änderung
des Quellenstroms, der in Reaktion auf die Erfassung der Verschiebung
oder des teilweisen Abhebens eines mit der Induktionserwärmungsvorrichtung
der Ausführungsform
1 zu erwärmenden
Gegenstands gesteuert wird.
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6 ist
eine schematische Darstellung einer Induktionserwärmungsvorrichtung
nach einer beispielhaften Ausführungsform
2 der Erfindung.
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7 ist
ein Blockschaltbild der Induktionserwärmungsvorrichtung der Ausführungsform
2.
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8A zeigt
die zeitliche Änderung
der Eingangsleistung, die in Reaktion auf die Erfassung der Verschiebung
oder des teilweisen Abhebens eines mit der Induktionserwärmungsvorrichtung
der Ausführungsform
2 zu erwärmenden
Gegenstands gesteuert wird.
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8B zeigt
die zeitliche Änderung
des in einer Induktionsheizspule fließenden Stroms, der in Reaktion
auf die Erfassung der Verschiebung oder des teilweisen Abhebens
eines mit der Induktionserwärmungsvorrichtung
der Ausführungsform
2 zu erwärmenden
Gegenstands gesteuert wird.
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9 ist
ein Blockschaltbild einer Induktionserwärmungsvorrichtung nach einer
beispielhaften Ausführungsform
3 der Erfindung.
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10 ist
eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Induktionsheizungsherds.
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11 zeigt
ein Profil der Beziehung zwischen der Eingangsleistung und der Abhebekraft
des herkömmlichen
Induktionsheizungsherds.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Beispielhafte Ausführungsform
1
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines Induktionsheizungsherds nach
der beispielhaften Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung. 2 ist ein
Blockschaltbild des Induktionsheizungsherds. Wie in den 1 und 2 gezeigt,
ist auf der Oberseite eines Gehäuses 12 eine
Deckplatte 10 aus einem keramischen Werkstoff vorgesehen,
und auf der Deckplatte 10 ist ein zu erwärmender
Kochtopf 9 angeordnet. Ein Netzstecker 19 ist
mit einer Netzstromquelle 11 verbunden. Strom von der Stromquelle 11 wird
in einen Gleichrichtungs-/Glättungsabschnitt 13 in
dem Gehäuse 12 eingespeist. Der
Gleichrichtungs-/Glättungsabschnitt 13 weist
einen Vollweggleichrichter 13a mit einem Brückendiodenaufbau
und einen ersten Glättungskondensator 13b auf,
der zwischen Gleichstromausgänge
des Vollweggleichrichters 13a geschaltet ist.
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Die
beiden Enden des ersten Glättungskondensators 13b sind
mit einer Umkehrschaltung 7 verbunden, die mit einer Induktionsheizspule 8 verbunden
ist. Die Umkehrschaltung 7 und die Induktionsheizspule 8 bilden
einen Hochfrequenz-Wechselrichter. Die Umkehrschaltung 7 enthält eine
Anordnung mit einem ersten Schaltelement 7c [das bei dieser Ausführungsform
durch einen IGBT (Bipolartransistor mit integriertem Gate) implementiert
ist] und einem zweiten Schaltelement 7d (das bei dieser
Ausführungsform
durch einen IGBT implementiert ist), das mit dem Schaltelement 7c in
Reihe geschaltet ist. Das erste Schaltelement 7c ist zu
einer ersten Diode 7e antiparallel geschaltet, während das
zweite Schaltelement 7d zu einer zweiten Diode 7f antiparallel
geschaltet ist. Beide Enden der Anordnung aus den IGBTs 7c und 7d sind
mit einem zweiten Glättungskondensator 7b verbunden.
Eine Drosselspule 7a ist zwischen einen Knotenpunkt der
Anordnung und eine positive Klemme des Vollweggleichrichters 13a geschaltet.
Das Ende der Anordnung, das das niedrigere Potential hat, ist mit
einer negativen Klemme des Vollweggleichrichters verbunden. Die
Induktionsheizspule 8 ist mit einem Resonanzkondensator 7g so
in Reihe geschaltet, dass eine weitere Anordnung entsteht, die zwischen
den Knotenpunkt der Schaltelemente der Anordnung und die negative
Klemme des Vollweggleichrichters 13a geschaltet ist.
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Ein
Stromwandler 14 erkennt einen Quellenstrom, der von der
Netzstromquelle 11 in die Umkehrschaltung 7 eingespeist
wird, und stellt ein Erkennungssignal für einen Quellenstromdetektor 15 bereit.
Der Quellenstromdetektor 15 erzeugt ein Erkennungssignal,
das proportional zur Größe des Quellenstroms
ist, und gibt es an ein Steuergerät 18 und einen Quellenstromänderungsdetektor 16 aus.
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Der
Quellenstromänderungsdetektor 16 erzeugt
ein Erkennungssignal und gibt es an eine Änderungsprüfeinheit 17 aus, die
ein Prüfsignal
für das Steuergerät 18 bereitstellt.
Der Quellenstromänderungsdetektor 16 und
die Änderungsprüfeinheit 17 bilden
einen Verschiebungsermittlungsabschnitt. Das Steuergerät 18 steuert
das erste Schaltelement 7c und das zweite Schaltelement 7d in
der Umkehrschaltung 7 an.
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Nachstehend
wird die Funktionsweise des Induktionsheizungsherds mit dem vorstehenden
Aufbau erläutert.
Die Netzstromquelle 11 wird mit dem Vollweggleichrichter 13a gleichgerichtet,
und der erste Glättungskondensator 13b setzt
den Hochfrequenz-Wechselrichter
mit der Umkehrschaltung 7 und der Induktionsheizspule 8 unter
Strom.
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3 zeigt
Wellenformen von Signalen bei dem Herd der Ausführungsform 1. Eine Wellenform (a)
stellt einen Strom Ic2 dar, der in dem zweiten Schaltelement 7d und
der zweiten Diode 7f fließt. Eine Wellenform (b) stellt
einen Strom Ic1 dar, der in dem ersten Schaltelement 7c und
der ersten Diode 7e fließt. Eine Wellenform (c) stellt
eine Spannung Vce2 zwischen einem Kollektor und einem Emitter des
zweiten Schaltelements 7d dar. Eine Wellenform (d) stellt
eine Spannung Vce1 zwischen einem Kollektor und einem Emitter des
ersten Schaltelements 7c dar. Eine Wellenform (e) stellt
einen Strom IL dar, der in der Induktionsheizspule 8 fließt.
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Wenn
das zweite Schaltelement 7d eingeschaltet wird, erzeugt
ein geschlossener Stromkreis mit der Induktionsheizspule 8,
dem Resonanzkondensator 7g und dem zweiten Schaltelement 7d (oder
der zweiten Diode 7f) einen Resonanzstrom, der in dem geschlossenen
Stromkreis fließt,
und gleichzeitig speichert die Drosselspule 7a Energie. Wenn
das zweite Schaltelement 7d ausgeschaltet wird, wird die
gespeicherte Energie über
die erste Diode 7e an den zweiten Glättungskondensator 7b abgegeben.
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Nachdem
das zweite Schaltelement 7d ausgeschaltet worden ist, wird
das erste Schaltelement 7c eingeschaltet und in der ersten
Diode 7e fließt
ein Strom. Dann fließt
ein Resonanzstrom in einem geschlossenen Stromkreis mit dem ersten
Schaltelement 7c (oder der ersten Diode 7e), der
Induktionsheizspule 8, dem Resonanzkondensator 7g und
dem zweiten Glättungskondensator 7b.
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Die
Ansteuerfrequenz für
das erste Schaltelement 7c und das zweite Schaltelement 7d wird
auf etwa 25 kHz eingestellt, und die Ansteuerleistung wird auf etwa
1/2 eingestellt, wie in 3 gezeigt. Die entsprechenden
Impedanzen der Induktionsheizspule 8 und des Resonanzkondensators 7g werden so
festgelegt, dass eine Resonanzfrequenz, die bestimmt wird, wenn
der Kochtopf 9 aus einem bestimmten Material (z. B. leitfähiges und
nichtmagnetisches Material, wie etwa Aluminium) auf eine Steile (z.
B. auf eine Heizfläche)
der Deckplatte 10 gestellt wird, etwa dreimal größer als
die Ansteuerfrequenz ist. Die Resonanzfrequenz beträgt somit
etwa 75 kHz.
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Die
Induktionsheizspule 8 erzeugt einen Hochfrequenzstrom von
etwa 75 kHz und erwärmt den
Kochtopf 9 aus Aluminium wirksam. Der Hochfrequenz-Wechselrichter
der Ausführungsform
1 ermöglicht
ein effizientes Erwärmen,
da ein Rückkopplungsstrom,
der in der ersten Diode 7e und der zweiten Diode 7f fließt, in den
zweiten Glättungskondensator 7b,
nicht aber in den ersten Glättungskondensator 13b eingespeist
wird. Da der zweite Glättungskondensator 7b die
Hüllkurve
des in die Induktionsheizspule 8 einzuspeisenden Hochfrequenzstroms stärker als
bei einem herkömmlichen
Kochgerät
glättet,
wird eine unerwünschte
Komponente bei einer kommerziellen Frequenz bei Schwingungen des Kochtopfes
während
des Erwärmens
verringert.
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Der
Hochfrequenz-Wechselrichter dieser Ausführungsform hat den Vorteil,
dass die Eingangsleistung abnimmt, wenn die magnetische Kopplung zwischen
der Induktionsheizspule 8 und dem Kochtopf 9 unter
den gleichen Ansteuerbedingungen (wie etwa Ansteuerfrequenz und
Ansteuerleistung) sinkt.
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Wenn
das Steuergerät 18 das
von dem Quellenstromdetektor 15 ausgegebene Signal, das
zum Quellenstrom proportional ist, empfängt, steuert das Steuergerät 18 die
Eingangsleistung (das Ausgangssignal des Hochfrequenz-Wechselrichters)
so, dass sie einen vorgegebenen Wert hat, indem es die Ansteuerfrequenz
oder die Ansteuerleistung zum Ansteuern des ersten Schaltelements 7c und
des zweiten Schaltelements 7d einstellt.
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Bei
der Inbetriebnahme stellt das Steuergerät 18 die Ansteuerfrequenz
oder die Ansteuerleistung so ein, dass das Ausgangssignal des Hochfrequenz-Wechselrichters
von einem niedrigen Wert auf den vorgegebenen Wert verstärkt wird,
die in 4A durch eine Volllinie 1A bzw.
eine Strichlinie 1A dargestellt sind. Der Quellenstrom
steigt auf einen Wert, der dem Einstellwert für die Leistung entspricht,
der in 4B durch eine Linie A2 dargestellt
ist.
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Der
aus einem gut leitenden nichtmagnetischen Material, wie etwa Aluminium,
bestehende Kochtopf 9 kann durch Rückstoßkräfte verschoben oder teilweise
angehoben werden. Der an die Heizspule 8 angelegte Strom
nimmt zu, und somit nimmt auch der in dem Kochtopf 9 induzierte
Strom zu.
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Die
Verschiebung oder das teilweise Abheben des Kochtopfes 9 tritt
auf, bevor bei der Inbetriebnahme die Leistung von einem niedrigeren
Wert auf den Einstellwert steigt. Dann nimmt die Anstiegsgeschwindigkeit
der Eingangsleistung ab, wie durch eine Kurve B1 in 4A dargestellt
ist, und die Anstiegsgeschwindigkeit des Quellenstroms nimmt ebenfalls
ab, wie durch eine Kurve B2 in 4B dargestellt
ist.
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Der
Quellenstromänderungsdetektor 16 misst
die Änderungsgeschwindigkeit
des Quellenstroms aufgrund des von dem Quellenstromdetektor 15 ausgegebenen
Signals und übermittelt
die Geschwindigkeit an die Änderungsprüfeinheit 17.
Die Änderungsprüfeinheit 17 entscheidet,
dass der Kochtopf 9 durch die Rückstoßkräfte verschoben wird, wenn die
Geschwindigkeit der Änderung
des Quellenstroms eine vorgegebene Zeit in einem ersten Bereich
bleibt. Das Entscheidungssignal wird an das Steuergerät 18 übermittelt.
Nach Empfang des Entscheidungssignals unterbricht das Steuergerät 18 den
Betrieb der Umkehrschaltung 7 und steuert das Ausgangssignal
der Umkehrschaltung 7 so, dass die Verschiebung des Kochtopfes 9 verhindert
wird.
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5 zeigt die Funktionsweise der Steuerung. Ähnlich wie 4 zeigt 5 die
zeitliche Änderung
der Eingangsleistung und die zeitliche Änderung des Eingangsstroms.
Wie in 5 gezeigt, wird ein Abfall
des Eingangsstroms, der von der Verschiebung oder dem teilweisen
Abheben des Kochtopfes 9 verursacht wird, etwa 0,1 Sekunden
nach dem Auftreten der Änderung
erkannt, und dann wird die Eingangsleistung auf einen Wert gesteuert,
der niedriger als der Einstellwert ist.
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Wenn
die Umkehrschaltung 7 für
die Leistungssteuerung schnell anspricht, kann das Steuergerät 18 schnell
auf eine Änderung
der magnetischen Kopplung reagieren und die Ansteuerbedingungen so
einstellen, dass die Eingangsleistung steigt. Durch dieses schnelle
Ansprechen kann die Erkennung der Änderung des Quellenstroms,
die durch die Verschiebung oder das teilweise Abheben des Kochtopfes 9 verursacht
wird, entsprechend unterbrochen werden. Um das zu korrigieren, legt
das Steuergerät 18 dieser
Ausführungsform
die Anstiegsgeschwindigkeit der Eingangsleistung je Zeiteinheit
so fest, dass sie dicht an der oder kleiner als die Geschwindigkeit
ist, mit der die Änderung
des Quellenstroms erkannt werden kann.
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In
einem Versuch wurde nachgewiesen, dass die Zeit, die zum Erkennen
der Verschiebung oder des teilweisen Abhebens eines Kochtopfes erforderlich
ist, kürzer
als etwa 0,1 Sekunden ist. Wenn die zum Erkennen der Verschiebung
oder des teilweisen Abhebens eines Kochtopfes erforderliche Zeit nicht
länger
als etwa 0,1 Sekunden ist, ist die Verschiebung oder das teilweise
Abheben des Kochtopfes nicht sichtbar, sodass ein Benutzer problemlos kochen
kann. Als in von einem Erfinder durchgeführten Versuchen die zum Erkennen
der Verschiebung oder des teilweisen Abhebens eines Kochtopfes erforderliche
Zeit 1 Sekunde betrug, konnte die Verschiebung oder das teilweise
Abheben des Kochtopfes 9 stärker wahrgenommen werden. Daher
beträgt die
zum Erkennen der Verschiebung oder des teilweisen Abhebens erforderliche
Zeit vorzugsweise nicht mehr als eine Sekunde, besser nicht mehr
als 0,1 Sekunden. Durch diese Bedingung wird vermieden, dass die
Verschiebung oder das teilweise Abheben wahrgenommen wird.
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Wie
vorstehend dargelegt, weist der Induktionsheizungsherd dieser Ausführungsform
den Quellenstromdetektor 15 zum Erfassen des Quellenstroms,
der in den Hochfrequenz-Wechselrichter
mit der Induktionsheizspule 8 und der Umkehrschaltung 7 eingespeist
wird, den Quellenstromänderungsdetektor 16 zum
Ermitteln der Verschiebung oder des teilweisen Abhebens des Kochtopfes 9 und
die Änderungsprüfeinheit 17 auf.
In Reaktion auf das Ausgangssignal der Änderungsprüfeinheit 17 bestimmt das
Steuergerät 18 das
Ausgangssignal des Hochfrequenz-Wechselrichters. Durch diese Gestaltung kann
der Induktionsheizungsherd eine geringe Anzahl von Grundkomponenten
haben, wodurch die Kosten gesenkt werden. Durch Überprüfen des Ausgangssignals des
Quellenstromdetektors 15 zum Festlegen der Eingangsleistung
kann der Herd auch dann, wenn der Benutzer den Topf bei der Inbetriebnahme
der Heizung nicht berührt,
vermeiden, dass der Kochtopf 9 verschoben oder teilweise
angehoben wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird der in den Hochfrequenz-Wechselrichter eingespeiste Quellenstrom
von dem Ausgangssignal-Detektor zum Erkennen der zeitlichen Änderung
des Ausgangssignals des Hochfrequenz-Wechselrichters problemlos
gemessen und wird für
einen Verschiebungsdetektor verwendet. Der Quellenstromdetektor
wird häufig zum
Einstellen des Ausgangssignals des Hochfrequenz-Wechselrichters
verwendet und kann so eingerichtet werden, dass er die zeitliche Änderung
der Größe des Ausgangssignals
des Hochfrequenz-Wechselrichters
erfasst. Dadurch kann die Induktionserwärmungsvorrichtung dieser Ausführungsform
kostengünstig
sein und braucht nur eine geringe Anzahl von Grundkomponenten zu
haben.
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Bei
dieser Ausführungsform
weist die Umkehrschaltung 7 einen Wechselrichter mit zwei
Schaltelementen auf, aber sie kann auch einen Spannungsresonanz-Wechselrichter
mit nur einem Schaltelement aufweisen, bei dem sich der Eingangsstrom proportional
zur Änderung
der magnetischen Kopplung mit der Last (der zu erwärmende Gegenstand) ändert. Zweckmäßigerweise
kann der Wechselrichter 7 der Ausführungsform den Kochtopf 9,
der aus einem Material mit einer guten Leitfähigkeit und einer geringen
magnetischen Permeabilität,
wie etwa Aluminium, besteht, erwärmen.
Während
des Erwärmens
des Materials hat der Resonanzkreis, der aus der Induktionsheizspule 8,
dem Resonanzkondensator 7g und dem Kochtopf 9 besteht,
einen großen Q-Wert
(scharfe Resonanz), wodurch die Änderung des
Ausgangssignals des Wechselrichters 7 und der Spule 8 entsprechend
der Änderung
der magnetischen Kopplung zwischen der Heizspule 8 und
dem Kochtopf 9 unter den gleichen Ansteuerbedingungen vergrößert wird.
Dadurch kann die Verschiebung oder das teilweise Anheben des Topfes 9 exakt
(und reagierend) erfasst werden. (Diese vorteilhaften Wirkungen
werden in den nachstehenden Ausführungsformen
erzielt.)
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Das
Ausgangssignal des Wechselrichters wird unter anderem durch Einstellen
der Ansteuerfrequenz der Umkehrschaltung 7 oder der Ansteuerleistung
zwischen den Schaltelementen dieser Ausführungsform geändert. (Das
wird in den folgenden Ausführungsformen
beschrieben.)
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Wenn
einige oder alle Funktionen des Quellenstromänderungsdetektors 16,
der Änderungsprüfeinheit 17 und
des Steuergeräts 18 durch
einen Mikrocomputer implementiert werden, kann die Induktionserwärmungsvorrichtung
eine geringe Größe haben,
besser gehandhabt werden und vor der Verschiebung des Topfes geschützt werden.
Die Schaltungsanordnung oder das Programm zum Bereitstellen der
Funktionen des Mikrocomputers ist nicht auf die der Ausführungsform
beschränkt.
(Das wird in den folgenden Ausführungsformen
beschrieben.)
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In
der vorstehenden Beschreibung der Ausführungsform wird der Kochtopf,
d. h. der zu erwärmende
Gegenstand, bei der Inbetriebnahme der Heizung verschoben oder teilweise
abgehoben. Das Erkennen bei dieser Ausführungsform ist auch auf einen
anderen Fall anwendbar, in dem der Gegenstand während des Heizens verschoben
oder teilweise angehoben wird (beispielsweise wenn der Inhalt in
einem Kochtopf verdampft und sich seine Masse verringert). in dem
letztgenannten Fall erkennt der Detektor, dass der Eingangsstrom
von seinem Festwert verringert wird. (Das wird in den folgenden
Ausführungsformen
beschrieben.)
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Bei
der Ausführungsform
1 misst der Ausgangssignal-Detektor die (maximale oder mittlere) Größe des Ausgangssignals
des Hochfrequenz-Wechselrichters und erfasst dadurch eine Änderung
der magnetischen Kopplung zwischen der Induktionsheizspule und dem
Gegenstand auf der Induktionserwärmungsvorrichtung
unter den gleichen Ansteuerbedingungen. In dem Fall, dass die Ansteuerbedingungen
der Schaltelemente zum Steuern des Ausgangssignals des Hochfrequenz-Wechselrichters unverändert bleiben,
schwächt
sich das Ausgangssignal des Hochfrequenz-Wechselrichters ab, wenn die
magnetische Kopplung abnimmt. Wenn die magnetische Kopplung zunimmt,
verstärkt
sich das Ausgangssignal.
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Gemäß dem Vorstehenden
misst der Verschiebungsdetektor eine Änderung der magnetischen Kopplung
zwischen der Induktionsheizspule und dem Kochtopf aufgrund einer Änderung
der Größe des Ausgangssignals
des Hochfrequenz-Wechselrichters, die von dem Ausgangssignal-Detektor
erfasst wird, sodass eine Änderung
des Abstands oder der Lagebeziehung zwischen der Induktionsheizspule
und dem Kochtopf erfasst wird.
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Der
Verschiebungsdetektor misst eine zeitliche Änderung des Ausgangssignals
des Hochfrequenz-Wechselrichters sowie die Größe des Ausgangssignals des
Wechselrichters.
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Dadurch
kann der Detektor die Verschiebung des Kochtopfes, die durch Rückstoßkräfte verursacht wird,
die von Strömen
erzeugt werden, die jeweils in der Induktionsheizspule und dem Kochtopf
fließen, aufgrund
einer Änderung
des Ausgangssignals erfassen, wenn das Ausgangssignal schrittweise
von einem niedrigen Wert bei Inbetriebnahme auf den Einstellwert
verstärkt
wird, d. h. bei einer weichen Inbetriebnahme. Außerdem erfasst der Detektor
die Verschiebung des Kochtopfes, die durch Rückstoßkräfte verursacht wird, die durch
eine gemeinsame Wirkung der in der Induktionsheizspule und dem Kochtopf
fließenden
Ströme
erzeugt werden, aufgrund einer Änderung
der magnetischen Kopplung, die gemessen wird, wenn der Kochtopf
versehentlich von dem Benutzer verschoben oder teilweise angehoben
wird.
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Das
Ausgangssignal des Hochfrequenz-Wechselrichters wird in Reaktion
auf das Ergebnis der Messung des Verschiebungsdetektors gesteuert.
Wenn die Verschiebung oder das teilweise Anheben des zu erwärmenden
Gegenstands erkannt wird, wird das Ausgangssignal des Hochfrequenz-Wechselrichters
abgeschwächt
oder vorübergehend
unterbrochen, um stets ein unsicheres Kochen zu vermeiden, und bei
Bedarf kann ein Warnton ausgesendet werden. Das Ausgangssignal kann auch
so eingestellt werden, dass der Kochvorgang fortgesetzt wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
erfasst der Verschiebungsdetektor die Verschiebung oder das teilweise
Abheben des Gegenstands aufgrund der zeitlichen Änderung der Größe des Ausgangssignals des
Hochfrequenz-Wechselrichters, bevor sich das Ausgangssignal des
Hochfrequenz-Wechselrichters von einem niedrigen Anfangswert auf
einen stabilen Einstellwert bei der Inbetriebnahme verstärkt. Mit
dieser Operation kann vermieden werden, dass der Gegenstand teilweise
abgehoben wird, bevor das Ausgangssignal den Einstellwert ab Beginn
des Betriebs erreicht.
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Wenn
das Ausgangssignal des Hochfrequenz-Wechselrichters den Einstellwert
erreicht, erfasst der Verschiebungsdetektor der Ausführungsform
die Verschiebung oder das teilweise Abheben des Gegenstands aufgrund
der zeitlichen Änderung des
Ausgangssignals des Hochfrequenz-Wechselrichters. Durch diese Operation
kann vermieden werden, dass der Gegenstand teilweise abgehoben wird, wenn
der Gegenstand eine Masse hat, die durch Verdampfen oder durch Verbrauch
von in dem Gegenstand enthaltenen Wasser oder durch Herausnehmen
von Inhalt aus dem Gegenstand während
des Erwärmens
der Induktionserwärmungsvorrichtung abnimmt.
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Beispielhafte Ausführungsform
2
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6 ist
eine schematische Schnittansicht eines Induktionsheizungsherds nach
der beispielhaften Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung. 7 ist ein
Blockschaltbild des Herds. Eine Umkehrschaltung 7, eine
Induktionsheizspule 8, ein Kochtopf 9, der als
zu erwärmender
Gegenstand vorgesehen ist, eine Deckplatte 10, ein Gehäuse 12,
ein Gleichrichtungs-/Glättungsabschnitt 13 und
ein Netzstecker 19, die in den 6 und 7 gezeigt
sind, sind mit denen der Ausführungsform
1 identisch. Sie werden daher mit den gleichen Bezugssymbolen wie in
den 1 und 2 bezeichnet und nicht näher erläutert.
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Die
folgende Funktion weicht von der der Ausführungsform 1 ab. Ein Stromwandler 20 erfasst einen
Strom, der in der Induktionsheizspule 8 fließt. Ein
Spulenstromdetektor 21 misst die Größe des in der Induktionsheizspule 8 fließenden Stroms.
Ein Spulenstromänderungsdetektor 22 erfasst
die zeitliche Änderung
der Größe des in
der Induktionsheizspule 8 fließenden Stroms (er erfasst die
zeitliche Änderung
des Spitzenwerts oder des Mittelwerts des Stroms). Eine Änderungsprüfeinheit 23 prüft das Erfassungsergebnis
des Spulenstromänderungsdetektors 22,
um zu ermitteln, ob die Verschiebung oder das teilweise Abheben
des Kochtopfes 9 von Rückstoßkräften zwischen
der Induktionsheizspule 8 und dem Kochtopf 9 verursacht
wird oder nicht. Ein Steuergerät 24 steuert
das Ausgangssignal der Umkehrschaltung 7.
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Nach
Empfang eines Signals, das von dem Spulenstromdetektor 21 ausgegeben
wird, bestimmt die Änderungsprüfeinheit 23 die
Verschiebung oder das teilweise Abheben des Kochtopfes 9 aufgrund der
zeitlichen Änderung
des in der Induktionsheizspule 8 fließenden Stroms.
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Das
von dem Spulenstromdetektor 21 ausgegebene Signal wird
in das Steuergerät 24 eingegeben,
und das Steuergerät
unterdrückt
die in die Umkehrschaltung 7 eingegebene Leistung, wenn
die Schaltelemente 7e und 7f eine zu hohe Last
infolge eines Anstiegs des Stroms in der Induktionsheizspule 8 für den aus
nichtmagnetischem SUS-Material bestehenden Kochtopf 9 empfangen.
Da die magnetische Kopplung zwischen der Induktionsheizspule 8 und
dem Kochtopf 9 abnimmt, nimmt auch der in der Induktionsheizspule 8 fließende Strom
ab, wenn die Umkehrschaltung 7 mit einer konstanten Frequenz bei
einer Ansteuerleistung angesteuert wird.
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Wie
in den 8A und 8B gezeigt,
wird eine Änderung
(Verringerung) des Anstiegs des Stroms in der Induktionsheizspule 8 erfasst,
die aus der Abnahme der magnetischen Kopplung zwischen der Induktionsheizspule 8 und
dem Kochtopf 9 resultiert, die durch die Verschiebung oder
das teilweise Abheben des Kochtopfes 9 bei der Inbetriebnahme oder
während
einer weichen Phase der Inbetriebnahme entsteht. Dann wird das Heizen
unterbrochen oder so unterdrückt,
dass die Eingangsleistung verringert wird, um die Verschiebung oder
das teilweise Abheben des Kochtopfes 9 zu vermeiden.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird eine Änderung
des in der Induktionsheizspule 8 fließenden Stroms erfasst. Durch
das Erfassen der Änderung des
Stroms kann eine Änderung
des Betriebs des Wechselrichters schneller als eine Änderung
des in den Wechselrichter eingespeisten Stroms erfasst werden, sodass
auch die Verschiebung und das teilweise Abheben des Kochtopfes 9 schneller
erfasst werden können.
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Der
Ausgangssignal-Detektor misst den Hochfrequenzstrom, der von dem
Hochfrequenz-Wechselrichter erzeugt wird und in der Induktionsheizspule,
dem Schaltelement und dem Resonanzkondensator fließt, und
kann dadurch die zeitliche Änderung
der Größe des Ausgangssignals
des Hochfrequenz-Wechselrichters erfassen. Der Ausgangssignal-Detektor
kann als Hochfrequenz-Stromdetektor, der in einer Schutzschaltung
oder einem Überlastdetektor
zum Eliminieren von Überspannungen
oder Überströmen verwendet
wird, zum Erfassen der Änderung
der magnetischen Kopplung mit hoher Empfindlichkeit dienen.
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Beispielhafte Ausführungsform
3
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9 ist
ein Blockschaltbild eines Induktionsheizungsherds nach der beispielhaften
Ausführungsform
3. In 9 sind gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugssymbolen
wie die der in 7 gezeigten Ausführungsform
2 bezeichnet, und ihre Funktionen werden nicht näher erläutert.
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Der
Herd dieser Ausführungsform
unterscheidet sich von dem der Ausführungsform 2 in den folgenden
Merkmalen. Ein Hochfrequenzspannungsdetektor 25 misst die
Spannung eines Resonanzkondensators 7g, eine Komponente
in einer Umkehrschaltung 7. Ein Spannungsänderungsdetektor 26 misst
die zeitliche Änderung
der Spannung aufgrund eines von dem Hochfrequenzspannungsdetektor 25 ausgegebenen
Signals. Eine Änderungsprüfeinheit 27 erfasst
eine Verschiebung und ein teilweises Abheben eines Kochtopfes 9 aufgrund
des Messergebnisses des Spannungsänderungsdetektors 26.
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Die
weitere Anordnung und Funktionsweise sind mit denen der Ausführungsform
2 identisch. Da die Spannung des Resonanzkondensators 7g im Wesentlichen
proportional zu dem in der Induktionsheizspule 8 fließenden Strom
ist, hat der Herd dieser Ausführungsform
Wirkungen, die denen der Ausführungsform
2 ähnlich
sind.
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Die
Spannung des Resonanzkondensators 7g kann mit einer Widerstandsteilung
gemessen werden, wodurch der Induktionsheizungsherd dieser Ausführungsform
kostengünstig
sein kann und eine geringere Größe als der
Herd der Ausführungsform
2 haben kann, der einen Stromwandler zum Messen des Stroms aufweist.
Außerdem
können
die vorteilhaften Wirkungen dieser Ausführungsform unter Verwendung
der Spannung, die von einem zur Spannungsregelung vorgesehenen Spannungsschutzgerät ausgegeben
wird, kostengünstig
realisiert werden.
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Bei
dieser Ausführungsform
werden Induktionsheizungsherde beschrieben, aber deren Vorteile und
Wirkungen können
ebenso mit einer Induktionserwärmungsvorrichtung
erzielt werden, bei der sich die Lagebeziehung zwischen der Induktionsheizspule
und dem zu erwärmenden
Gegenstand ändern kann,
wie etwa eine Erwärmungsvorrichtung
zum Erwärmen
von Flüssigkeit
in einem Metalltopf oder eine Metallerwärmungsvorrichtung für kommerzielle
Zwecke, die in einem Metallgehäuse
untergebracht ist.
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Der
Ausgangssignal-Detektor misst die von dem Hochfrequenz-Wechselrichter
erzeugte Hochfrequenzspannung, z. B. die Spannung der Induktionsspule,
des Resonanzkondensators oder des Schaltelements, und kann daher
die zeitliche Änderung
der Größe des Ausgangssignals
des Hochfrequenz-Wechselrichters problemlos und effektiv messen.
Ein Spannungsdetektor kann kostengünstiger in einer geringeren
Größe als ein
Stromdetektor implementiert werden.
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Der
Ausgangssignal-Detektor der Ausführungsformen
kann so angeordnet werden, dass er mindestens zwei der zeitlichen Änderungen
zeitliche Änderung
der Größe des Quellenstroms,
zeitliche Änderung
der Größe des Hochfrequenzstroms
und zeitliche Änderung
der Größe der Hochfrequenzspannung
von dem Hochfrequenz-Wechselrichter misst, die dann in den Verschiebungsdetektor
eingegeben werden.
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Anwendungsmöglichkeiten
in der Industrie
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Eine
Induktionserwärmungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung vermeidet, dass ein zu erwärmender
Gegenstand, wie etwa ein Kochtopf, infolge eines von einer Induktionsheizspule
erzeugten Magnetfelds verschoben und teilweise angehoben wird. Die
Induktionserwärmungsvorrichtung
ist kostengünstig,
da sie einen einfachen Aufbau mit einigen zusätzlichen Komponenten hat. Die
Induktionserwärmungsvorrichtung
hat eine hohe Betriebszuverlässigkeit,
da sie nur eine geringe Anzahl von Komponenten enthält.
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- 7
- Umkehrschaltung
(Hochfrequenz-Wechselrichter)
- 8
- Induktionsheizspule
(Hochfrequenz-Wechselrichter)
- 9
- Kochtopf
(zu erwärmender
Gegenstand)
- 14,
20
- Stromwandler
(Ausgangssignal-Detektor)
- 15
- Quellenstromdetektor
(Ausgangssignal-Detektor)
- 16
- Quellenstromänderungsdetektor
(Verschiebungsdetektor)
- 17,
23, 27
- Änderungsprüfeinheit
(Verschiebungsdetektor)
- 21
- Spulenstromdetektor
(Ausgangssignal-Detektor)
- 22
- Spulenstromänderungsdetektor
(Verschiebungsdetektor)
- 25
- Hochfrequenzspannungsdetektor (Ausgangssignal-Detektor)
- 26
- Spannungsänderungsdetektor
(Verschiebungsdetektor)
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Figuren
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3
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- Frequenz des Resonanzstroms
- Ansteuerfrequenz
- AUS AUS AUS AUS
- EIN EIN EIN EIN
-
4
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- Eingangsleistung
- Einstellleistung
- Einstellleistung
- Quellenstrom
- Zeit Zeit
- Zu erwärmender
Gegenstand wird verschoben oder teilweise angehoben
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5
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- Eingangsleistung
- Einstellleistung
- Einstellleistung
- Quellenstrom
- Zeit Zeit
- Zu erwärmender
Gegenstand wird verschoben oder teilweise angehoben
-
8
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- Eingangsleistung
- Quellenstrom
- Zeit Zeit
- Zu erwärmender
Gegenstand wird verschoben oder teilweise angehoben
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11
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- Abhebekraft (p) Eingangsleistung (W)