DE69016109T2

DE69016109T2 - Kochstelle mit Induktionserwärmung.

Info

Publication number: DE69016109T2
Application number: DE69016109T
Authority: DE
Inventors: Yutaka Matsumoto; Teruya Tanaka
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba AVE Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba AVE Co Ltd
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1990-07-02
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2010-07-03
Also published as: EP0405611B1; EP0405611A1; DE69016109D1; JPH0334287A; JP2862569B2; US5248866A; KR910001322A; KR950000121B1

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Herd mit Induktionsheizung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solch ein Herd mit Induktionsheizung ist bekannt aus GB-A-2 199 454. Der Herd mit Induktionsheizung verwendet einen Umrichterschaltkreis zum induktiven Erwärmen eines Objektes.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Der Herd mit Induktionsheizung erzeugt keine Flamme, ist deshalb sicher, und erzielt einen hevorragenden Erwärmungswirkungsgrad.
Fig. 1 ist ein Blockschaltkreisdiagramm, welches einen herkömmlichen Herd mit Induktionsheizung zeigt, welcher einen Umrichterschaltkreis 104 der quasi E-Klasse zeigt. Ein Eingabe-Einstellschaltkreis 118 stellt einen Eingangswert ein, gemäß welchem ein PWM-Oszillator 116 ein Impulssignal bereitstellt. Gemäß dem Impulssignal stellt ein Treiberschaltkreis 114 eine EIN-Zeit TON für einen Transistor 112 ein. Der Transistor 112 wird auf Impulssignale von dem Treiberschaltkreis 114 hin ein- und ausgeschaltet, um eine Heizspule 106 und einen Resonanzkondensator 108 in den Zustand der Serienresonanz zu versetzen. Demgemäß erzeugt die Heizspule 106 magnetischen Fluß, welcher eine elektromagnetische Induktion bewirkt, um einen Wirbelstrom in einem (nicht gezeigten) Objekt, wie etwa einer Pfanne, zu bewirken. Als Ergebnis wird das Objekt erwärmt. Ein Vorteil des Umrichterschaltkreises 104 der quasi E-Klasse ist, daß hochfrequente elektrische Leistung mit einem einzelnen Schaltelement (dem Transistor 112) erzeugt werden kann.
Wenn die Eingangsleistung erhöht wird, wird eine Resonanzspannung (VCE) erhöht, wie in Fig. 2a gezeigt ist. Die hohe Resonanzspannung ist für eine Durchschlagspannung des Schaltelementes (Transistor 112) kritisch. Um die Eingangsleistung zu reduzieren, wie in Fig. 2b gezeigt, wird die EIN-Zeit TON des Transistors 112 verkürzt. In diesem Fall wird der Transistor 112 gewöhnlich eingeschaltet, bevor die Resonanzspannung VCE null Volt erreicht. Wenn dieses geschieht, fließt ein exzessiver Kurzschlußstrom IS zu dem Transistor 112, um den Transistor zu zerstören.
Wenn der Herd eine Netzspannung von 200 V und eine maximale Leistungsaufnahme von 2 KW hat, erreicht die Resonanzspannung VCE bei maximaler Eingangsleistung 1100 V. Wenn die EIN-Zeit TON des Schaltelementes reduziert wird, die Eingangsleistung auf 1 KW zu bringen, beträgt die Größe des Kurzschlußstromes 80 A.
Wenn der Herd eine Eingangsleistung von 3 KW hat, beträgt die Resonanzspannung VCE 1800 V für die maximale Eingangsleistung. Um die Eingangsleistung unter 2 KW zu bringen, muß der Kurzschlußstrom IS sehr groß sein. Um dieses zu vermeiden, ist es nötig, den Umrichterschaltkreis wiederholt ein- und auszuschalten. Dieses kann jedoch die Temperatur des Herdes verändern und den Wirkungsgrad beim Kochen verschlechtern.
Wenn die maximale Eingangsleistung 3,5 KW ist, um eine Kochzeit zu verkürzen, kann die Resonanzspannung VCE 2000 V oder mehr erreichen. Es existiert kein Schaltelement, das der Resonanzspannung von 2000 V standhalten kann und eine Hochgeschwindigkeits-Schaltoperation ermöglicht. Deshalb ist der Umrichterschaltkreis der quasi E-Klasse für einen Herd mit Induktionsheizung großer Leistung nicht anwendbar.
Für solch einen Herd mit Induktionsheizung großer Leistung ist ein Brückenumrichterschaltkreis vorgeschlagen worden. In diesem Typ von Herd wird eine größere Spannung als eine Versorgungsspannung an sein Schaltelement angelegt, so daß die Eingangsleistung des Herdes einfach erhöht werden kann. Zusätzlich kann der Herd ein Objekt aus nicht-magnetischem Material, wie etwa Aluminium und rostfreiem Stahl, erwärmen.
Um die Eingangsleistung des Herdes zu steuern, wird der Brückenumrichterschaltkreis ein- und ausgeschaltet. Alternativ, wie in Fig. 3 gezeigt, kann ein Eingangssteuerschaltkreis 133 ein Steuersignal bereitstellen, auf dessen Grundlage Thyristoren 107a und 107b gesteuert werden, wodurch die Eingangsleistung kontinuierlich gesteuert wird. Diese Technik wird Phasensteuerung genannt. Das zuvor genannte Dokument GB-A-2 199 454 beschreibt einen solchen Herd mit Induktionsheizung, welcher Phasensteuerung verwendet. Ein Umrichterschaltkreis wird zur Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes verwendet, mit welchem ein Objekt induktiv erwärmt wird. Eine Phasenvergleichseinrichtung vergleicht die Phase eines ersten Signals, welche mit der Phase einer Ausgangsspannung des Umrichterschaltkreises korreliert ist, mit der Phase eines zweiten Signals, welches mit der Phase eines in einen Resonanzkondensator des Umrichterschaltkreises fließenden Stromes korreliert ist. Eine Frequenzsteuerungseinrichtung wird verwendet, eine Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises abhängig von einem Ergebnis der Phasenvergleichseinrichtung zu steuern. Trotz dieser Anordnung, welche ebenfalls einen Überstromerfassungsschaltkreis verwendet, welcher einen in dem Umrichterschaltkreis fließenden Überstrom erfaßt, ist es nicht möglich, die Eingangsleistung zum Objekt über einen weiten Bereich und ohne Erzeugung von Störspannungen von seiner elektrischen Leistungsquelle zu verändern.
In Fig. 3 empfängt ein Halbbrücken-Umrichterschaltkreis 105 Signale von einem Umrichtersteuerschaltkreis 113, um Transistoren 115 und 117 abwechselnd ein- und auszuschalten, wodurch hochfrequente elektrische Leistung an eine Heizspule 119 angelegt wird.
Ein herkömmlicher Herd mit Induktionsheizung, welcher den Brückenumrichterschaltkreis verwendet, der ein- und ausgeschaltet wird, um die Eingangsleistung zu steuern, hat Schwierigkeiten damit, daß eine repulsive Kraft beim Erwärmen einer Aluminiumpfanne erzeugt wird. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, erzeugt die Erwärmung einer Aluminiumpfanne mit einem Herd von 2000 W Eingangsleistung eine repulsive Kraft von 920 g. Wenn die Aluminiumpfanne beispielsweise ungefähr 1 kg wiegt, kann sich die Pfanne über eine obere Platte des Herdes bewegen. Dieses ist gefährlich. Wenn der Brückenumrichterschaltkreis ein- und ausgeschaltet wird, um die Eingangsleistung von 2000 W zu verringern, wird die repulsive Kraft von 920 g intermittierend erzeugt, immer wenn der Umrichterschaltkreis eingeschaltet wird, um die Aluminiumpfanne graduell zu bewegen und ein unschönes Geräusch zu erzeugen. US-A-4 736 082 offenbart einen Herd mit Induktionsheizung, welcher ebenfalls einen Umrichter verwendet, der einen Resonanzschaltkreis umfaßt, mit einer Induktionsheizspule, die unter einer oberen Platte des Herdes angeordnet ist, und einem Resonanzkondensator, der mit einer Spule verbunden ist, und einen Schaltkreis zum Zuführen von hochfrequenter Leistung an den Resonanzschaltkreis, um ein hochfrequentes Magnetfeld von der Induktionsheizspule zu erzeugen, und einen Wirbelstrom in dem zu erwärmenden Objekt zu induzieren. Dasselbe Problem der Erzeugung unangenehmer Geräusche tritt auch hier auf, jedoch gibt eine Einheit zum Erzeugen von Umrichterleistungsniveau-Steuerdaten Umrichterleistungsniveau-Steuerdaten gemäß der Beziehung zwischen der Hochfrequenzleistung von dem Umrichterschaltkreis und einer auf das zu erwärmende Objekt wirkenden Repulsionskraft auf der Grundlage der Hochfrequenzleistung aus. Weil die Umrichterleistungsniveau- Steuerdaten Daten zum Steuern des Niveaus der Hochfrequenzleistung von dem Umrichterschaltkreis bilden, wird das zu erwärmende Objekt daran gehindert, aufgrund der Repulsionskraft über einer Plazierfläche der Oberplatte zu schwimmen, und somit wird die Geräuscherzeugung reduziert.
In Fig. 3 wird die Eingangsleistung kontinuierlich gesteuert, und ein Eingangsstrom IIN wird von einer Wechselstromquelle 101 intermittierend zugeführt, wie in den Fig. 4a und 4b gezeigt ist. Deshalb sendet die Stromquelle Störungen aus.
Um damit fertig zu werden, wird ein Reaktor 103 großer Kapazität zwischen die Wechselstromquelle 101 und den Brückenschaltkreis 105 eingefügt. Der Reaktor oder ein Thyristor weist jedoch Verluste auf, die den Wirkungsgrad verringern.
Falls ein Thyristor verwendet wird, erfordert dieser eine Abstrahlplatte, womit sich ein anderes Problem der Vergrößerung der Abmessungen des Herdes ergibt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Herd mit Induktionsheizung vorzusehen, welcher große Eingangsleistung ermöglicht, keine Störspannungen von seiner elektrischen Leistungsquelle bewirkt, hervorragenden Wirkungsgrad aufweist und in der Lage ist, über einen weiten Bereich seine Eingangsleistung kontinuierlich zu ändern.
Diese Aufgabe wird durch einen Herd mit Induktionsheizung gelöst, welcher die Merkmale des beigefügten Anspruchs 1 umfaßt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Herd mit Induktionsheizung vorgesehen, mit einem Umrichterschaltkreis, einer Heizspule und einem Resonanzkondensator, der mit der Heizspule resoniert, um hochfrequente elektrische Leistung zu erzeugen, um ein zu erwärmendes Objekt induktiv zu erwärmen;
Phasenvergleichseinrichtungen zum Vergleichen der Phase eines ersten Signals, das mit der Phase einer Ausgangsspannung des Umrichterschaltkreises korreliert ist, mit der Phase eines zweiten Signals, das mit der Phase eines in den Resonanzkondensator fließenden Stromes korreliert ist;
Phasendifferenzeinstelleinrichtungen zum Einstellen einer Phasendifferenz der ersten und zweiten Signale; und
Frequenzsteuerungseinrichtungen zum Steuern einer Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises gemäß einem Signal von der Phasenvergleichseinrichtung, um die mittels der Phasendifferenzeinstelleinrichtung eingestellte Phasendifferenz herzustellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Herd mit Induktionsheizung vorgesehen, mit einem Umrichterschaltkreis, einer Heizspule und einem Resonanzkondensator, der mit der Heizspule resoniert, um hochfrequente elektrische Leistung zu erzeugen, um ein zu erwärmendes Objekt induktiv zu erwärmen;
Phasenvergleichseinrichtungen zum Vergleichen der Phase eines ersten Signals, das mit der Phase einer Ausgangsspannung des Umrichterschaltkreises korreliert ist, mit der Phase eines zweiten Signals, das mit der Phase eines in den Resonanzkondensator fließenden Stromes korreliert ist;
Phasendifferenzeinstelleinrichtungen zum Einstellen einer Phasendifferenz der ersten und zweiten Signale;
Frequenzsteuerungseinrichtungen zum Steuern einer Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises gemäß einem Signal von der Phasenvergleichseinrichtung, um die von der Phasendifferenzeinstelleinrichtung eingestellte Phasendifferenz herzustellen; Eingabeeinstelleinrichtungen zum Einstellen einer Heizkraft zum Erwärmen des Objektes; und erste Phasendifferenzveränderungseinrichtungen zum Verändern der eingestellten Phasendifferenz auf einen durch die Eingabeeinstelleinrichtung eingestellten Wert hin.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Herd mit Induktionsheizung vorgesehen, mit einem Umrichterschaltkreis, einer Heizspule und einem Resonanzkondensator, der mit der Heizspule resoniert, um hochfrequente elektrische Leistung zu erzeugen, um ein zu erwärmendes Objekt induktiv zu erwärmen;
Phasenvergleichseinrichtungen zum Vergleichen der Phase eines ersten Signals, das mit der Phase einer Ausgangsspannung des Umrichterschaltkreises korreliert ist, mit der Phase eines zweiten Signals, das mit der Phase eines in den Resonanzkondensator fließenden Stromes korreliert ist;
Phasendifferenzeinstelleinrichtungen zum Einstellen einer Phasendifferenz der ersten und zweiten Signale;
Frequenzsteuerungseinrichtungen zum Steuern einer Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises gemäß einem Signal von den Phasenvergleichseinrichtungen, um die durch die Phasendifferenzeinstelleinrichtungen eingestellte Phasendifferenz herzustellen; Materialinformations- Erfassungseinrichtungen zum Erfassen von Information bezüglich eines Materials des Objekts; und zweiten Phasendifferenzveränderungseinrichtungen zum Verändern der eingestellten Phasendifferenz gemäß der durch die Materialinformations-Erfassungseinrichtungen erfaßten Materialinformation.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Herd mit Induktionsheizung vorgesehen, mit einem Umrichterschaltkreis, einer Heizspule und einem Resonanzkondensator, der mit der Heizspule resoniert, um hochfrequente elektrische Leistung zu erzeugen, um ein zu erwärmendes Objekt induktiv zu erwärmen;
Phasenvergleichseinrichtungen zum Vergleichen der Phase eines ersten Signals, das mit der Phase einer Ausgangsspannung des Inverterschaltkreises korreliert ist, mit der Phase eines zweiten Signals, das mit der Phase eines in den Resonanzkondensator fließenden Stromes korreliert ist;
Phasendifferenzeinstelleinrichtungen zum Einstellen einer Phasendifferenz der ersten und zweiten Signale;
Frequenzsteuerungseinrichtungen zum Steuern einer Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises gemäß einem Signal von den Phasenvergleichseinrichtungen, um die durch die Phasendifferenzeinstelleinrichtungen eingestellte Phasendifferenz herzustellen; und
Phasendifferenzbegrenzungseinrichtungen zum Begrenzen der eingestellten Phasendifferenz, so daß die Heizspule und der Resonanzkondensator einen induktiven Resonanzschaltkreis bilden können.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Herd mit Induktionsheizung vorgesehen, mit einem Umrichterschaltkreis, einer Heizspule und einem Resonanzkondensator, der mit der Heizspule resoniert, um hochfrequente elektrische Leistung zu erzeugen, um ein zu erwärmendes Objekt induktiv zu erwärmen;
Phasenvergleichseinrichtungen zum Vergleichen der Phase eines ersten Signals, das mit der Phase einer Ausgangsspannung des Umrichterschaltkreises korreliert ist, mit der Phase eines zweiten Signals, das mit der Phase eines in den Resonanzkondensator fließenden Stromes korreliert ist;
Phasendifferenzeinstelleinrichtungen zum Einstellen einer Phasendifferenz der ersten und zweiten Signale;
Frequenzsteuerungseinrichtungen zum Steuern einer Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises gemäß einem Signal von den Phasenvergleichseinrichtungen, um die durch die Phasendifferenzeinstelleinrichtungen eingestellte Phasendifferenz herzustellen; und
Frequenzbegrenzungseinrichtungen zum Begrenzen der durch die Frequenzsteuerungseinrichtungen gesteuerten Frequenz, nicht unter einen vorbestimmten Wert verringert zu werden.
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Herd mit Induktionsheizung vorgesehen, mit einem Umrichterschaltkreis, einer Heizspule und einem Resonanzkondensator, der mit der Heizspule resoniert, um hochfrequente elektrische Leistung zu erzeugen, um ein zu erwärmendes Objekt induktiv zu erwärmen;
Phasenvergleichseinrichtungen zum Vergleichen der Phase eines ersten Signals, das mit der Phase einer Ausgangsspannung des Umrichterschaltkreises korreliert ist, mit der Phase eines zweiten Signals, das mit der Phase eines in den Resonanzkondensator fließenden Stromes korreliert ist;
Phasendifferenzeinstelleinrichtungen zum Einstellen einer Phasendifferenz der ersten und zweiten Signale; und
Frequenzsteuerungseinrichtungen zum Steuern einer Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises gemäß einem Signal von den Phasenvergleichseinrichtungen, um die durch die Phasendifferenzeinstelleinrichtungen eingestellte Phasendifferenz herzustellen, wobei die Frequenzsteuerungseinrichtungen die Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises graduell von hoch nach niedrig zu Beginn des Betriebs der Frequenzsteuereinrichtungen verringern.
Der Herd mit Induktionsheizung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Phasendifferenzeinstelleinrichtung zum Einstellen der Phasendifferenz zwischen der Phase des ersten Signals, welches mit der Phase der Ausgangsspannung des Umrichterschaltkreises korreliert ist, und dem zweiten Signal, welches mit der Phase des in den Resonanzkondensator fließenden Stroms korreliert ist, auf. Die Phasen der ersten und zweiten Signale werden miteinander verglichen, und die Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises wird gesteuert, um die eingestellte Phasendifferenz herzustellen. Mit dieser Anordnung kann die Eingangsleistung des Herdes kontinuierlich über einen weiten Bereich verändert werden, und Störungen von einer Stromquelle des Herdes werden eliminiert.
Der Herd mit Induktionsheizung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Eingabeeinstelleinrichtung zusätzlich zu den Merkmalen des ersten Aspektes auf. Die durch die Phasendifferenzeinstelleinrichtung eingestellte Phasendifferenz wird auf eine durch die Eingabeeinstelleinrichtungen eingestellte Eingabe hin verändert. Mit dieser Anordnung kann dieselbe Eingangsleistung durch dieselbe Einstellung für erwärmte Objekte verschiedener Materialien verschiedener Gestalten sichergestellt werden.
Der Herd mit Induktionsheizung gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Materialinformations- Erfassungseinrichtungen zusätzlich zu den Merkmalen des ersten Aspektes auf. Die Erfassungseinrichtung erfaßt Information bezüglich des Materials eines zu erwärmenden Objektes, und die Phasendifferenz wird gemäß der erfaßten Information verändert. Mit dieser Anordnung kann Eingangsleistung unabhängig vom Material des Objektes stabilisiert werden.
Der Herd mit Induktionsheizung gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist alle Merkmale des Herdes des ersten Aspektes auf, und beschränkt zusätzlich die Phasendifferenz der ersten und zweiten Signale, um dafür zu sorgen, daß die Heizspule und der Resonanzkondensator einen induktiven Resonanzschaltkreis bilden. Mit dieser Anordnung wird eine Oszillationsfrequenz des Umrichters größer als eine Resonanzfrequenz des Resonanzschaltkreises eingestellt, wodurch verhindert wird, daß ein Schaltelement einen exzessiven Kurzschlußsstrom trägt.
Der Herd mit Induktionsheizung gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung weist alle Merkmale des Herdes des ersten Aspektes auf und beschränkt zusätzlich eine durch die Frequenzsteuerungseinrichtungen gesteuerte Frequenz, nicht unter einen vorbestimmten Wert abgesenkt zu werden. Mit dieser Anordnung kann der Umrichterschaltkreis sicher gesteuert werden, selbst wenn der Schwingbetrieb der Frequenzsteurungseinrichtungen instabil ist.
Der Herd mit Induktionsheizung gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist alle Merkmale des Herdes des ersten Aspektes auf und beschränkt zusätzlich einen in den Resonanzkondensator fließenden Strom, nicht unter einen vorbestimmten Wert abgesenkt zu werden. Mit dieser Anordnung kann selbst ein Objekt mit niedriger Impedanz erwärmt werden, bei sicherer Steuerung des Umrichterschaltkreises und ohne exzessiven Strom, der das Schaltelement zerstören kann.
Der Herd mit Induktionsheizung gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist alle Merkmale des Herdes des ersten Aspektes auf und reduziert zusätzlich graduell die Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises von hoch nach niedrig zu Beginn des Betriebs der Frequenzsteuerungseinrichtungen. Mit dieser Anordnung kann der Umrichterschaltkreis sicher gesteuert werden, selbst beim Start des Herdes, wenn die Schaltkreisoperation instabil ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches einen Herd mit Induktionsheizung gemäß dem Stand der Technik zeigt;
Fig. 2a und 2b sind Signalwellenformen, die in dem Herd der Fig. 1 erzeugt werden;
Fig. 3 ist ein Blockschaltkreisdiagramm, welches einen Herd mit Induktionsheizung gemäß einem anderen Stand der Technik zeigt;
Fig. 4a und 4b sind Signalwellenformen, die in dem Herd der Fig. 3 erzeugt weden;
Fig. 5 ist ein charakteristisches Diagramm, welches Beziehungen zwischen Eingangsleistung und repulsiver Kraft in einem Umrichterschaltkreis zeigen;
Fig. 6 ist ein Blockschaltkreisdiagramm, welches einen Herd mit Induktionsheizung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7 ist ein Blockschaltkreisdiagramm, welches einen Herd mit Induktionsheizung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8a bis 8d sind Signalwellenformen, die in dem Herd der Fig. 7 erzeugt werden;
Fig. 9 ist ein Blockschaltkreisdiagramm, welches einen Herd mit Induktionsheizung gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 10a bis 10e sind erläuternde Darstellungen, welche Operationen des Ausführungsbeispiels der Fig. 9 zeigen;
Fig. 11a und 11b sind Tabellen erwärmter Objekte aus verschiedenen Materialien und Resonanzfrequenzen;
Fig. 12 ist ein charakteristisches Diagramm, welches eine Beziehung zwischen Oszillationsfrequenz und Eingangsleistung zeigt;
Fig. 13a und 13b sind Ansichten, welche einen induktiven Zustand eines Oszillationsschaltkreises zeigen;
Fig. 14a und 14b sind Ansichten, welche einen kapazitiven Zustand des Oszillationsschaltkreises zeigen;
Fig. 15 bis 17 sind Wellenformen von in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 erzeugten Signalen;
Fig. 18 ist ein Schaltkreisdiagramm, welches die Details der Fig. 6 zeigt;
Fig. 19 und 20 sind Signalwellenformen, die von jeweiligen Teilen der Fig. 18 erzeugt werden;
Fig. 21 ist ein Blockschaltkreisdiagramm, welches einen Herd mit Induktionsheizung gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 22 und 23 sind Signalwellenformen, die in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 21 erzeugt werden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Eine allgemeine Anordnung eines Herdes mit Induktionsheizung gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug auf Fig. 7 erläutert.
Eine Wechselstromquelle 1 ist mit einem Gleichstromversorgungsschaltkreis 3 verbunden. Der Gleichstromversorgungsschaltkreis 3 umfaßt einen Brückenschaltkreis 5 zum Gleichrichten von Gleichstromleistung, sowie einen Kondensator 7 zum Glätten eines pulsierenden gleichgerichteten Stromes.
Ein Halbbrücken-Umrichterschaltkreis 9 umfaßt zwei Transistoren 11 und 13, zwischen Kollektoren und Emittern der Transistoren 11 und 13 angeordnete Dioden 15 und 17, und eine Heizspule 19 und einen Resonanzkondensator 21, der mit der Heizspule 19 in Reihe geschaltet ist.
Ein Phasenvergleichsschaltkreis 23 empfängt eine Umrichterspannung VIN als ein erstes Signal und eine Anschlußspannung VC1 des Kondensators 21 als ein zweites Signal. Die Phase des zweiten Signals ist mit der Phase eines in den Kondensator 21 fließenden Umrichterstromes IIN korreliert. Der Phasenvergleichsschaltkreis 23 vergleicht die Phasen der ersten und zweiten Signale miteinander und liefert ein Signal, welches die Phasendifferenz beider Signale darstellt, an ein Tiefpaßfilter 25.
Ein Phasendifferenzeinstellschaltkreis 27 stellt die Phasendifferenz der ersten und zweiten Signale ein.
Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) 29 ist eine Frequenzsteuerungseinrichtung zum Steuern der Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises 9, um die durch den Phasendifferenzeinstellschaltkreis 27 eingestellte Phasendifferenz herzustellen. Der VCO 29 verändert die Oszillationsfrequenz auf eine Signalspannung von dem Tiefpaßfilter 25 hin.
Ein Treiberschaltkreis 31 schaltet die Transistoren 11 und 13 abwechselnd ein und aus, gemäß Signalen von dem VCO 29.
Der Betrieb der Anordnung der Fig. 7 wird unter Bezug auf Fig. 8a bis 8d beschrieben.
Wenn die Transistoren 11 und 13 abwechselnd gemäß den Signalen von dem Treiberschaltkreis 31 ein- und ausgeschaltet werden, werden die Heizspule 19 und der Kondensator 21 in einen Serienresonanzzustand versetzt, und die Heizspule 19 erzeugt hochfrequente elektrische Leistung, mit welcher ein Objekt, wie etwa eine Pfanne, erwärmt wird.
Wenn die Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises 9 gleich einer Resonanzfrequenz f0 des aus der Heizspule 19 und dem Resonanzkondensator 21 gebildeten Resonanzschaltkreises ist, weist der Serienresonanzschaltkreis nur eine resistive Last auf, und die Lastimpedanz Z wird durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
Z = RL + RC ... (1)
wobei RL der Lastwiderstand und RC der Widerstand der Heizspule 19 ist.
Die Gleichung (1) sagt aus, daß die Lastimpedanz Z nur resistive Komponenten aufweist. In diesem Zustand nimmt ein Laststrom seinen Maximalwert an. Während einer Dauer Ta, gezeigt in den Fig. 8a und 8b, wird Wirkleistung an den Serienresonanzschaltkreis geliefert. Zu dieser Zeit ist die elektrische Energie maximal.
Um die Eingangsleistung zu steuern, stellt der Phasendifferenzeinstellschaltkreis 27 die Phasendifferenz der ersten und zweiten Signale VIN und VC1 größer als 90º ein, gemäß einem externen Anweisungssignal SIN. Durch Einstellen der Phasendifferenz größer als 90º wird ein induktiver Lastzustand hergestellt, und die Phase des Umrichterstromes IIN eilt der Umrichterspannung VIN nach, wie in den Fig. 8c und 8d gezeigt ist. Zu dieser Zeit wird die Lastimpedanz Z durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt:
Wie in Fig. 8d gezeigt, wird elektrische Leistung während einer kurzen Periode T2 an den Serienresonanzschaltkreis geliefert. Auf diese Weise vergrößert die auf größer 90º eingestellte Phasendifferenz die Lastimpedanz Z und reduziert einen zu dem Umrichterschaltkreis 9 fließenden Strom, um die Eingangsleistung kontinuierlich niedrig zu machen.
Fig. 9 zeigt einen Herd mit Induktionsheizung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Ein Materialerfassungsschaltkreis 33 erfaßt Information über das Material eines Objektes (Topf), der durch den Herd erwärmt werden soll. Gemäß der Materialinformation wird eine durch einen Phasendifferenzeinstellschaltkreis 27 eingestellte Phasendifferenz verändert, wodurch die Eingangsleistung unabhängig von dem Material des Objektes stabilisiert wird.
Ein Umrichterspannungs-Phasenerfassungsschaltkreis 20 erfaßt eine Umrichterspannung VIN (Fig. 10a) und stellt dieselbe einem Phasenvergleichsschaltkreis 23 zur Verfügung. Ein Kondensatorspannungsphasen-Erfassungsschaltkreis 22 erfaßt eine Anschlußspannung VC1 (Fig. 10c) eines Resonanzkondensators 21 und stellt dieselbe dem Phasenvergleichsschaltkreis 22 zur Verfügung. Ein Umrichterstrom IIN (Fig. 10b) verläuft synchron mit der Umrichterspannung VIN, und die Phase der Spannung VC1 eilt derjenigen des Umrichterstromes IIN um 90º nach.
Der Phasenvergleichsschaltkreis 23 umfaßt einen Exclusiv- ODER-Schaltkreis, usw. Der Phasenvergleichsschaltkreis 23 empfängt die Umrichterspannung VIN und die Spannung VC1 und liefert ein Signal VP1 (Fig. 10d) an ein Tiefpaßfilter 25. Das Tiefpaßfilter 25 empfängt ein Signal von dem Phasendifferenz-Einstellschaltkreis 27 ebenso wie das Signal VP1 und liefert ein Signal VP2, das in Fig. 10d als gepunktete Linie angedeutet ist, an einen spannungsgesteuerten Oszillator (VC0 29).
Das Signal VP2 von dem Tiefpaßfilter 25 verändert sich abhängig von einen Tastverhältnis des Signals VP1. Wenn ein durch eine Heizspule 19 und einen Resonanzkondensator 21 gebildeter Resonanzschaltkreis induktiv ist, eilt die Phase des Umrichterstroms IIN der Phase der Umrichterspannung VIN nach, um das Signal VP2 zu verringern. Eine Oszillationsfrequenz des VCO 29 ändert sich, abhängig von seiner Eingangsspannung, d.h. dem Signal VP2, wie in Fig. 10e gezeigt ist. Ein Treiberschaltkreis 31 treibt einen Umrichterschaltkreis 9 gemäß einem Signal von dem VCO 29.
Der Umrichterspannungs-Phasenerfassungsschaltkreis 20, der Kondensatorspannungs-Phasenerfassungsschaltkreis 22, der Phasenvergleichsschaltkreis 23, das Tiefpaßfilter 25, der VCO 29 und der Treiberschaltkreis 31 bilden einen phasenverriegelten Kreis (PLL). Die PLL-Steuerung kann einen vorbestimmten Erwärmungszustand für verschiedene, zu erwärmende Materialien sicherstellen, welche eine Resonanzfrequenz des aus der Heizspule 19 und dem Kondensator 21 gebildeten Serienresonanzschaltkreises verändern können.
Fig. 11a und 11b zeigen verschiedene, zu erwärmende Materialien und korrespondierende Resonanzfrequenzen f0. In Fig. 11a hat die Heizspule 19 21,5 Windungen (T), und der Kondensator 21 hat 1 uF, während in Fig. 11b die Heizspule 30 Windungen aufweist, und der Kondensator 21 0,55 uF hat.
Jedes Material hat eine spezifische Eingangsimpedanz. Wenn eine Pfanne aus nicht-magnetischem, rostfreiem Stahl im Resonanzzustand erwärmt wird, d.h. wenn die Umrichterspannung VIN und die Spannung VC1 eine Phasendifferenz größer 90º aufweisen, kann eine exzessive Eingangsleistung an den Umrichterschaltkreis 9 gelegt werden, wie mit einer Kurve "a" in Fig. 12 angedeutet ist. Dieses kann für den Umrichterschaltkreis 9 Schwierigkeiten machen. Eine Kurve "b" der Fig. 12 steht für die Erwärmung einer Pfanne aus Eisen und deutet eine Beziehung einer Oszillationsfrequenz zur Eingangsleistung des Umrichterschaltkreises 9 an. Um die Schwierigkeiten zu vermeiden, steuert das Ausführungsbeispiel der Fig. 9 die Eingangsleistung gemäß dem Material eines zu erwärmenden Objektes.
Ein Stromtransformator CT1 ist im Verlauf eines Stromes angeordnet, der zum Kondensator 21 des Umrichterschaltkreises 9 fließt. Der Stromtransformator CT1 liefert ein Signal, welches mit dem Umrichterstrom IIN korreliert ist. Gemäß dem Signal liefert der Materialerfassungsschaltkreis 33 eine Signalspannung, welche sich abhängig von dem Material, d.h. der Impedanz des Objektes, verändern kann.
Ein Vergleichsschaltkreis 35 vergleicht einen durch Widerstände R11 und R12 gebildeten Referenzwert mit der Signalspannung von dem Materialerfassungsschaltkreis 33 und liefert ein Ausgangssignal an den Phasendifferenzeinstellschaltkreis 27, wenn gefunden wird, daß das Material des Objektes beispielsweise Eisen oder magnetischer rostfreier Stahl ist.
Ein Vergleichsschaltkreis 37 vergleicht einen durch Widerstände R13 und R14 definierten Referenzwert mit der Signalspannung von dem Materialerfassungsschaltkreis 33 und liefert ein Ausgangssignal an den Phasendifferenz- Einstellschaltkreis 27, wenn gefunden wird, daß das Material das Objektes beispielsweise nicht-magnetischer rostfreier Stahl ist.
Ein Vergleichsschaltkreis 39 vergleicht einen durch Widerstände R15 und R16 definierten Referenzwert mit der Signalspannung von dem Materialerfassungsschaltkreis 33, und liefert ein Ausgangssignal an den Phasendifferenzeinstellschaltkreis 27, wenn gefunden wird, daß in einem lastfreien Zusand kein Objekt auf einer Oberplatte des Herdes plaziert ist.
Auf diese Weise wird eine Phasendifferenz in dem Phasendifferenzeinstellschaltkreis 27 gemäß dem Material verändert, so daß eine konstante Eingangsleistung unabhängig von dem zu erwärmenden Material sichergestellt werden kann. Wenn ein Topf aus nicht-magnetischem rostfreiem Stahl mit niedriger Impedanz auf der Oberplatte des Herdes plaziert wird, wird die Phasendifferenz vergrößert, um den Umrichterschaltkreis 9 bei einer größeren Frequenz als die Resonanzfrequenz f0 des Serienresonanzschaltkreises schwingen zu lassen, wodurch die Eingangsleistung gesteuert wird. Der Phasendifferenzeinstellschaltkreis 27 kann einem von außen gegebenen Anweisungssignal SIN folgen, die Phasendifferenz der ersten und zweiten Signale VN und VC1 beim Steuern der Eignangsleistung größer als 90º einzustellen.
Fig. 6 zeigt einen Herd mit Induktionsheizung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Herd umfaßt einen Eingangsstromeinstellschaltkreis 41; einen Eingangsstromerfassungsschaltkreis 42; einen Vergleichsschaltkreis 45 zum Vergleichen von Ausgangssignalen der Schaltkreise 41 und 43 miteinander; einen Phasendifferenzbegrenzungsschaltkreis 47 zum Begrenzen einer Phasendifferenz, um einen durch eine Heizspule 19 und einen Resonanzkondensator 21 gebildeten Serienresonanzschaltkreis in einen induktiven Zustand zu versetzen; einen Oszillationsfrequenz-Begrenzungsschaltkreis 49 zum Begrenzen einer Oszillationsfrequenz, daß diese nicht unter einen vorbestimmten Wert absinkt; einen Strombegrenzungsschaltkreis 51 zum Begrenzen eines in den Kondensator 21 fließenden Stromes, daß dieser nicht unter einen vorbestimmten Wert absinkt; und einen Anfangseinstellschaltkreis 53 zum graduellen Verringern der Oszillationsfrequenz eines Umrichterschaltkreises 9 von hoch nach niedrig zu Beginn des Betriebs des Herdes.
Der Eingangsstromerfassungsschaltkreis 43 erfaßt einen Eingangsstrom einer Wechselstromquelle 1 gemäß einem Signal von einem Stromtransformator C2. Der Vergleichsschaltkreis 45 vergleicht einen durch den Eingangsstromeinstellschaltkreis 41 eingestellten Wert mit dem durch den Eingangsstromerfassungsschaltkreis 43 erfaßten Wert und liefert ein resultierendes Signal an einen Phasendifferenzeinstellschaltkreis 27.
Der Phasendifferenzeinstellschaltkreis 27 verändert eine Phasendifferenz gemäß dem Signal von dem Vergleichsschaltkreis 45, wodurch eine konstante Eingangsleistung unabhäng von dem Material und der Gestalt eines zu erwärmenden Objektes sichergestellt wird.
Wenn die Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises 9 verringert wird, um den Serienresonanzschaltkreis in einen kapazitiven Zustand zu versetzen, kann ein Transistor 11 oder 13 eingeschaltet werden, um zu bewirken, daß ein exzessiver Kurzschlußstrom während einer inversen Erholungsperiode einer Diode 15 oder 17 fließt. Die inverse Erholungsperiode ist eine Verschiebeperiode von einer Periode T22 zu einer Periode T23 oder von einer Periode T24 zu einer Periode T21 (T25), während welcher in der Diode 15 oder 17 verbleibende Träger verschwinden.
Um den exzessiven Kurzschlußstrom zu vermeiden, beschränkt der Phasendifferenzbegrenzungsschaltkreis 47 der vorliegenden Erfindung eine Phasendifferenz darauf, 90º zu überschreiten, so daß der Serienresonanzschaltkreis induktiv gehalten werden kann. Als Ergebnis ist die Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises 9 größer als die Resonanzfrequenz f0 des Serienresonanzschaltkreises. Wie in Fig. 13 gezeigt, fließt, wenn eine Basis des Transistors 11 ein Signal Q1 empfängt, ein Umrichterstrom IIN durch eine Passage LP11 während einer Periode T11. In der nächsten Periode T12 fließt der Umrichterstrom IIN durch eine Passage LP12. In den Perioden T13 und T14 fließt der Umrichterstrom IIN durch die Passagen LP13 und LP14.
Der Strombegrenzungsschaltkreis 51 umfaßt einen Umrichterstromerfassungsschaltkreis 61 zum Erfassen des Umrichterstromes IIN gemäß einem Signal von dem Stromtransformator CT1; einen Umrichterstromgrenzen- Einstellschaltkreis 63 zum Einstellen einer Grenze des Umrichterstromes IIN; und einen Vergleichsschaltkreis 65 zum Vergleichen von Ausgangssignalen der Schaltkreise 61 und 63 miteinander.
In dem Phasendifferenz-Einstellschaltkreis 27 wird eine Phasendifferenz gemäß einem Ausgangssignal von dem Strombegrenzungsschaltkreis 65 verändert, um den Umrichterstrom IIN kleiner als einen Nennstrom der Transistoren 11 und 13 zu steuern. Demgemäß kann ein Objekt mit niedriger Impedanz, wie etwa ein Topf aus rostfreiem Stahl, erwärmt werden, ohne den exzessiven Kurzschlußstrom zu bewirken. Ohne daß die Transistoren 11 und 13 durchbrennen, wird ein Betrieb des Umrichterschaltkreises 9 sichergestellt, um das Objekt zu erwärmen.
In einem normalen Betrieb ist eine Umrichterspannung VIN synchron zu dem Umrichterstrom IIN, wie in Fig. 15 gezeigt. Zu Beginn des Betriebs eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO 29) oder des Herdes ist eine Oszillation des VCO 29 instabil. Wenn eine Oszillationsfrequenz ein Drittel der Resonanzfrequenz f0 des Serienresonanzschaltkreises wird, wie in Fig. 16 gezeigt, kann nun die zuvor erwähnte PLL-Steuerung einrasten, um den Betrieb des Umrichterschaltkreises 9 durcheinanderzubringen. Um mit dieser Anfangsinstabilität fertig zu werden, steuert der Oszillationsfrequenz- Begrenzungsschaltkreis 49 der vorliegenden Erfindung die Oszillationsfrequenz des VCO 29, nicht unter einen vorbestimmten Wert abgesenkt zu werden. Der vorbestimmte Wert wird eingestellt, niedriger zu sein als die niedrigste Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises 9 gemäß dem Material eines zu erwärmenden Objektes. Demgemäß wird der Umrichterschaltkreis 9 sicher gesteuert, selbst wenn die Oszillationsfrequenz des VCO 29 instabil ist. Wenn zu dieser Zeit eine Leistungsquelle eingeschaltet wird, ist ein Betrieb der jeweiligen Schaltkreise instabil, so daß die Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises so hoch wie möglich eingestellt werden muß, um zu verhindern, daß ein exzessiver Strom in den Umrichterschaltkreis 9 fließt.
Um dieses zu erreichen, reduziert der Anfangseinstellschaltkreis 53 der vorliegenden Erfindung eine Signalspannung VL an das Tiefpaßfilter 25 graduell beim Start des Herdes oder des VCO 29, wie in Fig. 17 gezeigt. Als Eregebnis verringert sich die Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises 9 graduell von einem höheren Wert als die Resonanzfrequenz f0, und deshalb wird der Umrichterschaltkreis 9 selbst während der Anfangsperiode, in welcher die Schaltkreisfunktionen instabil sind, sicher gesteuert.
Fig. 18 ist ein Schaltkreisdiagramm, welches die Details des oben erwähnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
Der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO 29) verändert seine Oszillationsfrequenz, abhängig von seiner Eingangsspannung, und wenn die Eingangsspannung 1 V beträgt, liefert er einen Rechteckimpuls von 40 kHz. Wenn die Eingangsspannung 5 V beträgt, liefert er einen Rechteckimpuls von 170 kHz.
Ein Totzeiterzeugungsschaltkreis 30 teilt die Frequenz des Rechteckimpulses des VCO 29. Der Totzeiterzeugungsschaltkreis 30 erzeugt eine Totzeit, um die Transistoren 11 und 13 nicht gleichzeitig einzuschalten. Die Totzeit wird so eingestellt, daß ein Treiberstrom solange nicht an einen Transistor geliefert wird, bis der andere Transistor vollständig abgeschaltet ist, nachdem ein Treiberstrom für den anderen Transistor aufhört.
Ein Oberzweig-Treiberschaltkreis 31A zum Treiben der Transistoren 11 und ein Unterzweig-Treiberschaltkreis 31B zum Treiben des Transistors 13 bilden einen Treiberschaltkreis 31. Steursignale für die Oberzweig- und Unterzweig- Treiberschaltkreise 31A und 31B haben betriebsmäßige Potentialpegel, welche von jenen der Transistoren 11 und 13 verschieden sind. Deshalb werden die Treibersignale von den Schaltkreisen 31A und 31B über Impulstransformatoren TRA bzw. TRB an die Transistoren 11 und 13 geliefert.
In dem Umrichterschaltkreis 9 ist der Kondensator 21 mit einem Kondensator 71 in Reihe geschaltet. Eine geteilte Spannung der Kondensatoren 21 und 71 ist das Zweigsignal, dessen Phase mit der Phase eines durch den Kondensator 21 fließenden Stromes korreliert ist und welches an einen Kondensatorspannungsphasen-Erfassungsschaltkreis 22 geliefert wird. Der Kondensatorspannungsphasen-Erfassungsschaltkreis 22 umfaßt einen Operationsverstärker 73, einen Fotokoppler 75 usw. Der Schaltkreis 22 emfpängt das zweite Signal und erzeugt einen rechteckigen Impuls, und der Fotokoppler 75 gleicht ein Potentialniveau ab.
Ein Phasenvergleichsschaltkreis 23 verwendet einen Exclusiv- ODER-Schaltkreis. Der Schaltkreis 23 empfängt ein erstes Signal Ca, dessen Phase mit derjenigen einer Ausgangsspannung des Umrichterschaltkreises korreliert ist, von dem Totzeiterzeugungsschaltkreis 30, ebenso wie ein zweites Signal Cb von dem Kondensatorspannungsphasen- Erfassungsschaltkreis 22. Wenn die Oszillationsfrequenz des Umrichterschalkreises 9 gleich der Resonanzfrequenz des Serienresonanzschaltkreises ist, liefert der Phasenvergleichsschaltkreis 23 ein Ausgangssignal VP1 mit einem Tastverhältnis von 50%, wie in Fig. 19 gezeigt. Wenn die Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises 9 höher ist als die Resonanzfrequenz, hat das Ausgangssignal VP1 des Phasenvergleichsschaltkreises 23 ein Tastverhältnis größer als 50%, wie in Fig. 20 gezeigt.
Das Tiefpaßfilter 25 weist einen Operationsverstärker 77 auf, um das Ausgangssignal VP1 zu glätten und ein geglättetes Signal an den VCO 29 zu liefern.
Ein Phasendifferenzeinstellabschnitt 27A involviert den Eingangsstrom-Einstellschaltkreis 41, Vergleichsschaltkreis 45 und den Anfangseinstellschaltkreis 53. Der Eingangsstrom- Einstellschaltkreis 41 umfaßt einen Widerstand 81 und einen variablen Widerstand 83. Durch Abgleichen des variablen Widerstandes 83 kann eine Ausgabe des Umrichterschaltkreises 9 verändert werden. Ein Signal von dem variablen Widerstand 83 wird einem nicht invertierenden Eingangsanschluß des Vergleichsschaltkreises 45 zur Verfügung gestellt. Ein invertierender Eingangsanschluß des Vergleichsschaltkreises 45 empfängt ein Signal von dem Eingangsstrom- Erfassungsschaltkreis 43. Der Vergleichsschaltkreis 45 vergleicht die empfangenen Signale miteinander, wodurch eine Ausgabe des Umrichterschaltkreises 9 auf einen erforderlichen Wert eingestellt wird.
Der Anfangseinstellschaltkreis 53 umfaßt Widerstände 85 und 87, die in Reihe geschaltet sind und einen mit dem Widerstand 85 parallel geschalteten Kondensator 89. Eine durch die Widerstände 85 und 87 geteilte Spannung ist eine Phasensteuerspannung. Unmittelbar nachdem der Strom eingeschaltet wird, wird die Steuerspannung graduell von hoch nach niedrig aufgrund des Kondensators 89 abgesenkt, um die Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises 9 von hoch nach niedrig zu verringern, wodurch ein sogenannter Sanftstart realisiert wird.
Der Phasendifferenzbegrenzungsschaltkreis 47 umfaßt einen Operationsverstärker 91, Widerstände 93 und 95 usw. Eine geteilte Spannung der Widerstände 93 und 95 ist eine Untergrenze VLL einer Phasendifferenz, mit welcher eine Untergrenze der Phasendifferenz gesteuert wird, den Serienresonanzschaltkreis nicht in den kapazitiven Zustand zu bringen.
Der Oszillationsfrequenzbegrenzungsschaltkreis 49 umfaßt einen Operationsverstärker 97 usw. Der Schaltkreis 49 überwacht eine Eingangsspannung des VCO 29, um die Oszillationsfrequenz des VCO 29 zu begrenzen, nicht kleiner zu sein als ein vorbestimmter Wert.
Der Strombegrenzungsschaltkreis 51 umfaßt einen Umrichterstromerfassungsschaltkreis 61 zum Erfassen eines Umrichterstromes, einen Umrichtersstromgrenzen- Einstellschaltkreis 63 zum Einstellen eines Grenzwertes VUL des Umrichterstromes und einen Vergleichsschaltkreis 65 zum Vergleichen der Werte der Schaltkreise 61 und 63 miteinander. Der Strombegrenzungsschaltkreis 51 begrenzt den Umrichterstsrom, einen vorbestimmten Wert nicht zu überschreiten.
Fig. 21 zeigt einen Herd mit Induktionsheizung gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Dieses Ausführungsbeispiel umfaßt einen Kondensatorstromphasen-Erfassungsschaltkreis 22A und einen Stromtransformator CT3. Auf der Grundlage eines Signals von dem Stromtransformator CT3 wird ein in einen Resonanzkondensator 21 fließender Strom als ein zweites Signal erfaßt.
Die Phase des in den Kondensator 21 fließenden Stromes eilt der Phase einer Anschlußspannung des Kondensators 21 um 90º voraus. Demgemäß eilt die Phase eines Signals Cd, das von dem Kondensatorstromphasen-Erfassungsschaltkreis 22A geliefert wird, dem in Fig. 18 gezeigten, von dem Kondensatorspannungsphasen-Erfassungsschaltkreis 22 der Fig. 18 gelieferten Signal Cb um 90º voraus.
Wenn die Oszillationsfrequenz eines Umrichterschaltkreises 9 gleich der Resonanzfrequenz eines Serienresonanzschaltkreises ist, der aus einer Heizspule 19 und dem Kondensator 21 gebildet ist, liefert ein Phasenvergleichsschaltkreis 23 ein Ausgangssignal VP1 mit einem Tastverhältnis kleiner als 50%, wie in Fig. 22 gezeigt ist. Wenn die Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises 9 höher ist als die Resonanzfrequenz des Serienresonanzschaltkreises, ist das Tastverhältnis des Ausgangssignals größer als das der Fig. 22, wie in Fig. 23 gezeigt ist.
Ein Eingangsleistungs-Einstellschaltkreis 41A stellt eine erforderliche Eingangsleistung ein, und ein Eingangsleistungserfassungsschaltkreis 43A erfaßt eine tatsächliche Eingangsleistung.
Andere Teile der Fig. 21 sind dieselben wie jene der Fig. 6, so daß sie mit gleichen Bezugszeichen dargestellt sind, um ihre Erläuterung auszulassen.
Der Eingangsleistungs-Einstellschaltkreis 41A und der Eingangsleistungs-Erfassungsschaltkreis 43A realisieren es, eine erforderliche Eingangsleistung leicht und sicher einzustellen.
Zusammenfassend wird gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Oszillationsfrequenz eines Umrichterschaltkreises gesteuert, eine Phasendifferenz zwischen der Phase eines ersten Signals, welches mit der Phase einer Ausgangsspannung des Umrichterschaltkreises korreliert ist, und der Phase eines zweiten Signals, welche mit der Phase eines in einen Resonanzkondensator fließenden Stromes korreliert ist, einzustellen. Mit dieser Anordnung kann Eingangsleistung über einen weiten Bereich kontinuierlich verändert werden, und Störungen von einer Energieversorgungsquelle werden eliminiert.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine durch eine Phasendifferenzeinstelleinrichtung eingestellte Phasendifferenz abhängig von einem durch Eingabeeinstelleinrichtungen eingestellten Wert verändert. Mit dieser Anordnung kann dieselbe Eingangsleistung für dieselbe Einstellung selbst für Objekte aus verschiedenen Materialien und verschiedenen Gestalten sichergestellt werden.
Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung erfaßt eine Materialinformations-Erfassungseinrichtung Information über das Material eines zu erwärmenden Objektes, und eine Phasendifferenz wird gemäß der erfaßten Information verändert. Mit dieser Anordnung kann Eingangsleistung unabhängig von dem Material des Objektes stabilisiert werden.
Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Phasendifferenz erster und zweiter Signale beschränkt, so daß eine Heizspule und ein Resonanzkondensator einen induktiven Resonanzschaltkreis bilden können. Mit dieser Anordnung wird die Oszillationsfrequenz eines Umrichters größer eingestellt als eine Resonanzfrequenz des Resonanzschaltkreises, wodurch verhindert wird, daß ein Schaltelement einen exzessiven Kurzschlußstrom tragen muß.
Gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine durch Frequenzsteuerungseinrichtungen gesteuerte Frequenz beschränkt, nicht kleiner zu sein als ein vorbestimmter Wert. Mit dieser Anordnung kann ein Umrichterschaltkreis sicher gesteuert werden, selbst wenn ein Oszillationsbetrieb der Frequenzsteuerungseinrichtungen instabil ist.
Gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein in einen Resonanzkondensator fließender Strom begrenzt, nicht kleiner zu sein als ein vorbestimmter Wert. Mit dieser Anordnung kann selbst ein Objekt niedriger Impedanz erwärmt werden durch sicheres Ansteuern eines Umrichterschaltkreises, ohne daß ein Umschaltelement aufgrund eines exzessiven Stromes durchbrennt.
Gemäß des siebten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird die Oszillationsfrequenz eines Umrichterschaltkreises graduell von hoch nach niedrig zu Beginn des Betriebs der Frequenzsteuerungseinrichtungen reduziert. Mit dieser Anordnung kann der Umrichterschaltkreis selbst beim Start eines Herdes, wenn Schaltkreisoperationen instabil sind, sicher gesteuert werden.

Claims

1. Herd mit Induktionsheizung, mit

einem Umrichterschaltkreis (9) mit einer Heizspule (19) und einem Resonanzkondensator (21), der mit der Heizspule (19) resoniert, wodurch die Heizspule (19) ein hochfrequentes, magnetisches Feld erzeugt, mit welchem ein zu erwärmendes Objekt induktiv erwärmt wird;

Phasenvergleichseinrichtungen (23) zum Vergleichen der Phase eines ersten Signals (VIN), das mit der Phase einer Ausgangsspannung des Umrichterschaltkreises (9) korreliert ist, mit der Phase eines zweiten Signals (VC1), das mit der Phase eines Stromes (IIN), der in den Resonanzkondensator (21) fließt, korreliert ist, und

Frequenzsteuerungseinrichtungen (25, 29) zum Steuern der Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises (9),

gekennzeichnet durch Phasendifferenzveränderungseinrichtungen (27) zum Verändern einer eingestellten Phasendifferenz zwischen den ersten und zweiten Signalen (VIN, VC1) und so Regulieren der Leistung, mit welcher das Objekt auf einen gewünschten Wert erwärmt wird, worin

die Frequenzsteuerungseinrichtungen (25, 29) die durch die Phasendifferenzveränderungseinrichtungen (27) bereitgestellte Phasendifferenz gemäß einem Signal von den Phasendifferenzveränderungseinrichtungen (27) herstellen.

2. Herd mit Induktionsheizung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

Eingabeeinstelleinrichtungen (41, 41A) zum Einstellen einer Eingabe entsprechend einer Erwärmungsleistung, mit welcher das Objekt erwärmt wird, worin

die Phasendifferenzveränderungseinrichtung (27) einen ersten Veränderungsschaltkreis (45) zum Verändern der Phasendifferenz gemäß der eingestellten Eingabe (Fig. 6, Fig. 21) umfaßt.

3. Herd mit Induktionsheizung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

Materialinformationseerfassungseinrichtungen (33) zum Erfassen von Informationen über das Material des zu erwärmenden Objektes, worin

die Phasendifferenzveränderungseinrichtung einen zweiten Veränderungsschaltkreis (35, 37, 39) zum Verändern der Phasendifferenz gemäß der erfaßten Materialinformation umfaßt (Fig. 9).

4. Herd mit Induktionsheizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

Phasendifferenzbegrenzungseinrichtungen (47) zum Begrenzen der eingestellten Phasendifferenz, so daß ein aus der Heizspule (19) und dem Resonanzkondensator (21) gebildeter Resonanzschaltkreis einen induktiven Zustand aufrechterhalten kann (Fig. 6, Fig. 18a, Fig. 21).

5. Herd mit Induktionsheizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

Frequenzbegrenzungseinrichtungen (49) zum Begrenzen der durch die Frequenzsteuerungseinrichtungen gesteuerten Frequenz, nicht kleiner zu sein als ein vorbestimmter Wert (Fig. 6, Fig. 18a, Fig. 21).

6. Herd mit Induktionsheizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

Strombegrenzungseinrichtungen (63) zum Begrenzen des in den Resonanzkondensator fließenden Stromes, einen vorbestimmten Wert nicht zu überschreiten.

7. Herd mit Induktionsheizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillationsfrequenz des Umrichterschaltkreises (9) graduell beim Beginn des Betriebs der Frequenzsteuerungseinrichtungen (25, 29) von hoch nach niedrig verringert wird.