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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Ausführung eines
Induktionskochfeldes, bei welchem eine Wechselrichterschaltung (oder
einfach ein Wechselrichter) benutzt wird, der ein veränderliches
Magnetfeld erzeugt, um einen Metallgegenstand, üblicherweise den Boden einer
Pfanne oder eines Topfes, zu erhitzen.
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Die
oben erwähnte
Wechselrichterschaltung weist eine Induktionsspule und einen Resonanzkondensator
auf, der so ausgelegt ist, dass er sich mit der genanten Induktionsspule
in Resonanz befindet.
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Bei „Verbraucheranwendungen", d. h. wenn die
Absicht besteht, diese Induktionskochfelder für Anwendungsfälle einzusetzen,
die sowohl allgemein als auch speziell die sogenannten elektrischen
Haushaltgeräte
umfassen, dann können
die genannten Kochfelder einfach nicht von den allgemeinen Anforderungen
ausgenommen werden, die besonders auf diesen speziellen Markt zutreffen,
bei welchem die für
ihn vorgesehenen Erzeugnisse unter anderem absolut wettbewerbsfähige Kosten
und Preise in Verbindung mit einer Zuverlässigkeit aufweisen müssen, die
nicht nur von substantieller und angemessener Bedeutung sein muss,
sondern die auch über
die ersten Jahre der Gebrauchsdauer des Erzeugnisses garantiert
werden muss.
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Angesichts
dieser Betrachtungen betrifft eine der grundlegenden Anforderungen,
welche im Zusammenhang mit diesen Arten von Kochfeldern allem Anschein
nach zuallererst in angemessener Weise erfüllt werden muss, die generelle
Fähigkeit,
sowohl den durch die Heiz- oder Resonanzspule fließenden Strom
als auch den in die Schaltung hinein fließenden Gesamtstrom mit einem
angemessenen Grad an Genauigkeit zu messen, damit beide Bedürfnisse,
die der Betrieb abverlangt, befriedigt werden, d. h. diejenigen
hinsichtlich des praktischen Einsatzes als auch die der Sicherheit.
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Im
Hinblick auf die Erfüllung
dieser Anforderungen sind auf dem Fachgebiet verschiedenartige Lösungen gefunden
und vorgeschlagen worden. Eine typische Lösung unter derartigen Lösungen ist in
der beigefügten 1A veranschaulicht,
in welcher die Ströme
in den genannten zugehörigen Schaltungen
konventionell mit Hilfe von zugehörigen Stromwandlern (CT1, CT2)
gemessen werden.
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Während sich
vom Standpunkt der allgemeinen Leistungsfähigkeit eine derartige Lösung als
völlig
zufriedenstellend heraus stellt, ist dies mit Sicherheit weniger
der Fall vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt, da nämlich das
Vorhandensein von zwei Stromwandlern, welche von der Sache her doch recht
teure Geräte
sind, die allgemeinen Bemühungen
um die Senkung der Kosten vereitelt.
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Im
Hinblick darauf, einen solchen Nachteil zu überwinden, hat man daher auf
die Schaltungslösung zurückgegriffen,
die symbolisch in der beigefügten 1B veranschaulicht
wird. Diese Lösung
sieht einen einzelnen Wandler vor, der mit dem Filterkondensator
Cf in Reihe geschaltet ist, und sie sieht
ferner vor, dass die Resonanzspule mit einem einzelnen Resonanzkondensator
Crl in Reihe geschaltet wird.
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Auch
wenn es scheinbar so aussieht, als könne man eine angemessene Erfüllung der
oben angeführten
Anforderungen gewährleisten,
stellt sich beim näheren
Hinblicken diese besondere Lösung als
doch noch zu kostenaufwendig heraus, da experimentell herausgefunden
worden ist, dass für
dieselben allgemeinen Bedingungen und Parameter und insbesondere
für dieselbe
Leistungsabgabe der genannte Filterkondensator eine Kapazität aufweisen muss,
die im Wesentlichen doppelt so hoch ist wie die Kapazität des Filterkondensators,
der in der vorher angeführten
Schaltung mit zwei Resonanzkondensatoren benutzt worden ist.
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Aus
dem Artikel „Entwurf
einer Halbbrücke, Reihenschwingkreisumrichter
für Induktionskochen" 1995, IEEE, 07803-2730-6/95,
ist ein Induktionskochfeld für
den Gebrauch im Haushalt bekannt, welches umfasst:
- – eine
Halbbrücken-Wechselrichterschaltung
mit einem ersten und einem zweiten elektronischen Schalter oder
(D – D),
die über
eine erste Verbindung zwischen zwei gemeinsamen Anschlussklemmen
der genannten elektronischen Schalter in Reihe geschaltet ist;
- – eine
Resonanzheizspule für
einen hochfrequenten elektrischen Strom, die so ausgelegt ist, dass sie
ein geeignetes Objekt erhitzt, wenn sie durchflossen wird, wobei
diese Spule mit ihrer ersten Anschlussklemme an die genannte Verbindung und
mit ihrer zweiten Anschlussklemme an die Anschlussklemme eines ersten
Resonanzkondensators angeschlossen ist,
- – einen
Filterkondensator, welcher mit seiner ersten Anschlussklemme an
eine nicht mit der genannten Verbindung verbundene Ausgangsklemme
der genannten elektronischen Schalter angeschlossen ist und mit
seiner zweiten Anschlussklemme an eine Stromversorgung angeschlossen ist;
- – eine
zweite Verbindung, welche die zweite Ausgangsklemme der genannten
elektronischen Schalter, welche nicht mit der genannten ersten Verbindung
verbunden ist, mit der genannten Stromversorgung verbindet;
- – einen
zweiten Resonanzkondensator zwischen der genannten zweiten Anschlussklemme
der genannten Heizspule und der genannten zweiten Anschlussklemme
des genannten Filterkondensators;
- – eine
stromleitendes Bindeglied zwischen der genannten zweiten Anschlussklemme
des genannten Filterkondensators und der genannten zweiten Verbindung,
wobei dieses stromleitende Bindeglied mit der zweiten Ausgangklemme
des genannten elektronischen Schalters an einen Abzweigpunkt angeschlossen
ist, der mit der Stromversorgung verbunden ist.
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Die
genannte Lösung
zeigt jedoch weder irgendwelche Merkmale oder Verfahren auf, um
auf effektive Weise und auf kostensparende Weise die Induktionsheizvorrichtung
zu steuern, noch schlägt
sie solche vor.
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Daher
wäre es
wünschenswert
und ist in der Tat ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein
Induktionskochfeld vorzustellen, welches imstande ist, mit einem
einzelnen Stromwandler betrieben und gesteuert zu werden und welches
gleichzeitig keine übermäßige Erhöhung der
Kosten und/oder der elektrischen und thermischen Belastung für die anderen Bestandteile
mit sich bringt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das oben angegebene Ziel mit einer besonderen Art
von Induktionskochfeld erreicht, welches die Kenndaten, die in den
beigefügten
Ansprüchen dargelegt
sind, aufweist und welches weiter unten an Hand eines den allgemeinen
Erfindungsgedanken nicht einschränkenden
Beispiels unter Bezugnahme auf den beigefügten Zeichnungssatz beschrieben
wird. Bei diesem handelt es sich um:
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Schaltung für eine Ausführungsform des Induktionskochfeldes
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist
eine schematische Darstellung derselben Schaltung, wie sie in 2 gezeigt
ist und bei welcher die Anordnung des Stromwandlers gemäß der vorliegenden
Erfindung jedoch ausführlicher
dargestellt ist;
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4, 5, 6 und 7 sind
schematische Darstellungen, welche die Stromflüsse in der Schaltungsanordnung
der 2 in vier aufeinander folgenden Betriebsphasen
des Induktionskochfeldes zeigen;
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8 ist
eine schematische Darstellung des Verlaufs von einigen Strömen der
erfindungsgemäßen Schaltung
während
einer spezifischen Betriebsphase; und
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9 ist
eine schematische Darstellung des Verlaufs von einigen anderen Strömen der
erfindungsgemäßen Schaltung
während
einer anderen spezifischen Betriebsphase.
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Die
Erfindung beruht im Wesentlichen auf der durch Experimente bestätigten Überlegung,
dass in einigen Teilen der Stromversorgungsschaltung der hochfrequente
Wechselstrom der Heizspule nicht konstant ist, sondern vielmehr
signifikanten Änderungen
während
der verschiedenen Phasen unterliegt, aus denen jeder einzelne vollständige Betriebszyklus besteht.
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Daher
ist ein Versuch unternommen worden, die dem Stand der Technik entsprechende
Schaltung zu verbessern, indem man sie abgeändert und/oder erweitert hat,
und solche Stromwerte innerhalb der verschiedenen Phasen, aus denen
der gesamte Zyklus aufgebaut ist, zu identifizieren, die individuell
sowohl mit dem Strom der Stromversorgung als auch dem Resonanzstrom
in Beziehung gesetzt werden können.
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Im
Wesentlichen ist der Versuch unternommen worden, den Strom in einem
besonderen Abschnitt der Schaltung zu spezifischen Zeitpunkten zu messen
und die Ergebnisse eines solchen Sampling zu verarbeiten, so dass
die der Untersuchung unterzogenen Ströme berechnet oder direkt gemessen werden
können.
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Diese
Versuche haben zu einem absolut positiven Ergebnis geführt, und
die Einzelheiten, d. h. die Wege und die Mittel der sich ergebenden
Lösung werden
weiter unten beschrieben.
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Unter
Bezugnahme auf die 2 umfasst ein Induktionskochfeld
gemäß der vorliegenden
Erfindung folgendes:
- – eine Halbbrücken-Wechselrichterschaltung
mit einem ersten und einem zweiten elektronischen Schalter oder
einer „Diamant"-Schaltung D1 – T1 und D2 – T2, beispielsweise
vom Typ des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate, in Reihe
geschaltet über
eine Verbindung 3 zwischen den zwei gemeinsamen Anschlussklemmen
G1, G2 und gesteuert mittels der zugehörigen Treibersignale, welche
auf die jeweiligen Schaltungen P1, P1 gegeben werden;
- – eine
Heizspule L20 für
einen hochfrequenten elektrischen Strom, welche so ausgelegt ist,
dass sie, wenn sie durchflossen wird, auf induktive Weise ein geeignetes
Objekt aufheizt, wobei diese Spule mit ihrer ersten Anschlussklemme 5 mit
der genannten Verbindung 3 verbunden ist;
- – während die
zweite Anschlussklemme 6 dieser Spule mit der Anschlussklemme
eines ersten Resonanzkondensators C2 verbunden ist;
- – ein
Filterkondensator C5, welcher mit seiner ersten Anschlussklemme
G4 mit einer Ausgangsklemme 7 (die nicht mit der genannten
Verbindung 3 verbunden ist) der genannten elektronischen
Schalter verbunden ist und mit seiner zugehörigen zweiten Anschlussklemme 15 mit
einer ersten Anschlussklemme 10 einer Filterinduktivität L10 verbunden
ist, deren andere Anschlussklemme mit der Stromversorgung verbunden
ist;
- – eine
Verbindung 11, welche die zweite Ausgangsklemme 9 (die
nicht mit der genannten Verbindung 3 verbunden ist) der
genannten elektronischen Schalter mit der genannten ersten Ausgangsklemme 10 der
genannten Filterinduktivität L10
verbindet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung befindet sich ein zweiter Resonanzkondensator C1 zwischen der
genannten zweiten Anschlussklemme 6 der genannten Heizspule
L20 und der genannten zweiten Anschlussklemme 15 des genannten
Filterkondensators C5; zusätzlich
ist das stromleitende Verbindungsglied 16 zwischen der
genannten zweiten Anschlussklemme 15 und der genannten
Verbindung 11 (welche die zweite Ausgangsklemme 9 der
genannten elektronischen Schalter an einen Abzweigpunkt A anschließt, an welchen
auch die Verbindung mit der genannten ersten Anschlussklemme 10 der genannten
Filterinduktivität
L10 angeschlossen ist) mit einem Stromwandler TA ausgestattet, dessen
Primärwicklung
durch die in 3 dargestellte Spule L1 wiedergegeben
wird.
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Auf
Grund der Wirkung eines solchen Kondensators C1 kann der einzelne
vollständige
Zyklus aufgeteilt werden in vier Einzelphasen 1, 2, 3 und 4, in
denen der Stromverlauf in den 4, 5, 6 bzw. 7 symbolisch
dargestellt ist.
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Es
soll nun die Phase 1 des genannten vollständigen Zyklus betrachtet werden: Über die
gesamte umfangreiche experimentelle Arbeit hinweg, die in diesem
Zusammenhang durchgeführt
worden ist, wurde auf der Grundlage der durchgeführten Messungen herausgefunden,
dass der Verlauf der Treiberströme,
des Resonanzstromes I(L20), des Stromes der Filterspule I(L10) und
des Stromes im Stromwandler I(L1) derjenige Verlauf ist, der in
dem Diagramm in 8 dargestellt ist. Aus diesem
Diagramm kann, was lediglich die Phase 1 betrifft, die folgende
experimentelle Beziehung abgeleitet werden: I(L20)
= I(L1) – I(L10),worin
die angegebenen Ströme
als Momentanwerte der Ströme
anzusehen sind.
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Es
soll jedoch die Tatsache gebührend
hervorgehoben werden, dass der Strom I(L10) deutlich konstant ist
und darüber
hinaus einen bekannten Betrag hat dank der Tatsache, dass er während der
weiter vorn definierten Phase 3 des Zyklus gemessen wird. Das Ergebnis
ist, dass durch Messung des Stromes I(L1) während dieser Phase 1 es möglich ist, dass
der gewünschte
Resonanzstrom I(L20) durch Berechnung nach der oben angegebenen
Beziehung herausgefunden wird.
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Auf
diese weise wird die Möglichkeit
voll und ganz veranschaulicht, dass der genannte Resonanzstrom berechnet
werden kann, vorausgesetzt dass die Messung, d. h. das Sampling,
an einer Stelle durchgeführt
wird, welche genau und mit Sicherheit innerhalb dieser festgelegten
Phase 1 liegt. Wie dem auch sei, eine solche Anforderung kann mittels
einer genauen Synchronisierung einer solchen Strommessung mit den
Treibersignalen der elektronischen Schalter in den Treiberschaltungen
P1 und P2 schnell und ganz leicht erfüllt werden.
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Die
Phase 3 des Zyklus soll als Nächstes
betrachtet werden. Indem man eine logische und methodische Vorgehensweise
verfolgte, welche der zuvor genannten völlig analog ist, hat man während der verschiedenartigen
Experimente, die durchgeführt worden
sind, durch Messungen herausgefunden, dass die Verläufe der
Treiberströme,
des Eingangsstromes I (L10), des Stromes am Kondensator C5 und des
Stromes am Kondensator C1 diejenigen sind, die im Diagramm in 9 dargestellt
sind. Aus diesem Diagramm kann, was lediglich die Phase 3 betrifft,
die folgende experimentelle Beziehung abgeleitet werden: I(L10) = I(C5) + I(C1),worin auch hier die
angegebenen Ströme
als Momentanwerte der Ströme
anzusehen sind.
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Jedoch
auf Grund der Tatsache, dass die Ströme in C5 und C1 den Strom,
welcher durch die Primärspule
des Wandlers TA fließt,
praktisch aufbrauchen, folgt, dass im Zweig der elektronischen Schalter
kein Strom fließt.
Folglich liefert der Strom, der in der Sekundärspule des Wandlers TA gemessen
werden soll, ein genaues Maß für den Eingangsstrom
I(L10).
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Auch
hier wird auf diese Weise wieder die Möglichkeit voll und ganz veranschaulicht,
dass der genannte Eingangsstrom direkt gemessen werden kann, vorausgesetzt
dass die Messung, d. h. das Sampling, an einer Stelle durchgeführt wird,
welche genau und mit Sicherheit innerhalb dieser festgelegten Phase
3 liegt, wobei eine solche Anforderung mittels einer genauen Synchronisierung
einer solchen Strommessung mit den Treibersignalen der elektronischen
Schalter in den Treiberschaltungen P1 und P2 schnell und ganz leicht
erfüllt
wird.
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Die
technische Elektronikausstattung, die eingesetzt werden muss, und
die Verfahren, nach denen vorgegangen werden muss, um solche Strommessungen
auf synchronisierte Weise, wie sie weiter oben angeführt sind,
durchführen
zu können,
liegen innerhalb der Fähigkeiten
der Fachleute auf diesem Gebiet, so dass sie hier nicht näher erläutert werden brauchen.