-
AUFGABE DER
ERFINDUNG
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist eine flexible und rekonfigurierbare Topologie auf der Basis
einer Drehstrombrücke
mit nichtsymmetrischen Brückenzweigen,
welche als eine Stromquelle für
zwei Spulen verwendet wird, und da diese in Induktionskochplatten
verwendet wird, verbessert sie das Leistungsverhalten der Kochplatte,
weil sie die Ausnutzung der gesamten installierten Leistung für beide
Spulen erlaubt und sie für
das Ansteuern einer davon verwendet. In dieser Weise wird ein Heizelement
mit einer Leistung erhalten, die über die Nennwerte erhöht wird,
so ein extrem schnelles Erhitzen des Topfes oder der Pfanne erlaubt,
indem das Verkürzen
der Anstiegszeit, die notwendig ist, um den stationären Wärmezustand
zu erreichen, verringert wird.
-
Die ursprüngliche Grundidee wird erweitert, um
zu erreichen, dass die gesamte installierte Leistung für beide
Spulen für
das Ansteuern jeder davon verwendet wird.
-
Die eigene Flexibilität der Topologie
erlaubt es, die optimalen Steuerungsprozeduren in der Verwaltung
der Leistungsverluste in den Halbleitergeräten zu erreichen, die darauf
gerichtet sind, deren Arbeitstemperatur zu verringern, die zu einer
Verbesserung der Systemzuverlässigkeit
und -integrierbarkeit und zur Verringerung der Wärmeabsenkungsanforderungen
führt.
-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Diese Erfindung betrifft die induktive
Heizung und insbesondere die Topologie eines Brückenwechselrichters, welcher
eine variable Struktur aufweist, die für die Verwendung in einem Induktionsheizgerät geeig net
ist, das ein extrem schnelles Aufheizvermögen und optimierte Leistungsverluste
der Halbleiterschalter aufweist.
-
ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
-
Das Prinzip des induktiven Kochens
besteht in Wirbelstrom- und Hystereseverlusten eines Metallgegenstandes
darin, wobei es verschiedene Vorteile gegenüber dem Erhitzen durch herkömmliche
Verfahren wie Konvektion oder Leitung aufweist. Die induktive Heizung
ist gewöhnlich
schneller als die Konvektions- oder Leitungsheizung, weil eine geringere thermische
Masse mit den induktiven Heizungsvorrichtungen verknüpft ist.
Außerdem
fokussiert die induktive Heizung die Wärme innerhalb des erhitzten Gegenstandes,
die zu einem höheren
Energieübertragungswirkungsgrad
im Gegensatz zur Konvektions- oder Leitungsheizung führt, bei
der die Wärme außerhalb
des erhitzten Gegenstandes erzeugt wird.
-
Die Haushaltsherde mit induktiver
Heizung werden durch einen Wechselstrom mittlerer Frequenz (25 bis
65 kHz) gesteuert, der an einer Induktionsspule angelegt wird, welche
einen Topf oder eine Pfanne, die auf der Spule angeordnet wird,
durch Induktion erhitzt. Dieser Strom wird durch einen Stromrichter
auf der Basis von Halbleiterleistungsbauelementen erzeugt. Daraus
resultierend wird ein neues Konzept für den Stromrichter, der für Herde
mit Induktionsheizung verwendet wird, vorgestellt.
-
Der Inhaber dieses Patents ist ebenfalls
Inhaber des Patents ES-539,790 = DE-A1-3601958, bei dem ein elektronisches
System durch einen hochfrequenten Impulsstrom eine Heizplatte ansteuert, wie
diese in einem elektrischen Herd verwendet werden. Dieses System
ver wendet einen Vollbrückenwechselrichter
mit MOS-Transistoren, welcher eine Flachspule, die innerhalb einer
Heizplatte untergebracht ist, durch eine Reihe von hochfrequenten
Leistungsimpulsen ansteuert, die ferromagnetische Töpfe oder
Pfannen erwärmen.
-
Die transistorisierte Vollbrücke, die
in dem oben erwähnten
Patent beschrieben ist, wird durch eine Steuerschaltung aktiviert,
welche die Regelung und die Selbstanpassung der Heizzeit für jeden
Brückenzweig
der transistorisierten Vollbrücke
erreicht, die in Bezug auf die Zeitwiederherstellung der induktiven
Energie der Flachspule geplant wird, und die Speisung der Spule
stoppt, wenn eine nichtferromagnetische Last vorhanden ist. In dieser
Weise wird eine Heizplatte mit Selbstheizungsfähigkeit erreicht, wenn ein
ferromagnetischer Topf oder Pfanne auf der Heizplatte angeordnet
wird.
-
Obgleich das Induktionsheizungsverfahren schnell
ist, kann die Anstiegszeit, die notwendig ist, um den stationären Wärmezustand
zu erreichen, verkürzt
werden, wenn die Ansteuerungskapazität der Ersatzleistung einer
ungenutzten Brücke,
welche normalerweise eine andere induktive Heizplatte ansteuert,
verwendet wird, um die Brücke
zu verstärken,
welche die aktive induktive Platte ansteuert.
-
Eine andere Anwendung der ungenutzten Brücke ist,
zur Verringerung der gesamten Leitungsverluste der Leistungshalbleiterschalter
der aktiven Brücke
beizutragen.
-
Um diese Ziele zu erreichen, ist
eine Topologie des Brückenwechselrichters
mit einer variablen Struktur notwendig, um diese Aufgabe zu erfüllen. Diese
Topologie ist der Kern dieser Erfindung.
-
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
In diesem Dokument wird eine flexible
und rekonfigurierbare Topologie beschrieben. Sie beruht auf einer
nichtsymmetrischen Drehstrombrücke,
in welcher diese Topologie durch Modifizieren einer anderen erhalten
wird, welche als die Drehstrombrücke gut
bekannt ist. Die letztere wird häufig
als DC-AC-Wandler verwendet, um Drehstromlasten anzusteuern, aber
in dieser Erfindung wurde sie durch Hinzufügen eines einpoligen Zweipunktschalters
modifiziert.
-
In dieser Weise ist die Drehstrombrücke nichtsymmetrisch,
weil zwei ihrer Brückenzweige
für die
Nennleistungen der zwei Lasten entsprechend bemessen werden. In
dieser Anwendung sind zwei Spulen die zwei Lasten, welche die zwei
Heizplatten einer induktiven Kochplatte bilden. Außerdem ist
der dritte Brückenzweig,
der sogenannte gemeinsame Brückenzweig,
für die
Addition von Leistungen beider Lasten bemessen.
-
Folglich ermöglicht die erhaltene Topologie, wenn
der Schalter nicht eingeschaltet ist, beide Spulen, die als Heizplatten
eines induktiven Kochfeldes verwendet werden, unabhängig anzusteuern.
Umgekehrt ermöglicht
die erhaltene Topologie, wenn der Schalter eingeschaltet ist, die
zwei Brückenzweige parallel
zu verbinden. Deshalb ist die Ansteuerungskapazität die Addition
der Ansteuerungskapazität
von beiden Brückenzweigen,
die parallel verbunden sind.
-
Wenn die flexible und rekonfigurierbare
Topologie als eine Stromquelle für
die zwei Spulen verwendet wird, die als zwei Heizplatten eines induktiven
Kochfeldes verwendet werden, ermöglicht
sie das Verbessern des Leistungsverhaltens dieses induktiven Feldes,
weil die gesamte Ansteuerungskapazität, die für die zwei Spulen zur Verfügung steht, verwendet
werden kann, um sie für
das Ansteuern einer der Spulen anzuwenden.
-
Außerdem ermöglicht sie, eine Heizplatte
mit einer höheren
Leistung als ihre Nennleistung zu haben, folglich ein extrem schnelles
Erhitzen eines Topfes oder einer Pfanne, die durch die Heizplatte
erhitzt wird, das Verkürzen
der Anstiegszeit, die notwendig ist, um den stationären Wärmezustand
zu erreichen, aufzuweisen.
-
Die eigene Flexibilität der Topologie
ermöglicht
es, die optimalen Steuerungsprozeduren in der Verwaltung der Leistungsverluste
in den Halbleiterschaltern zu erreichen, die darauf gerichtet sind,
ihre Arbeitstemperatur zu verringern, die zu einer Verbesserung
der Systemzuverlässigkeit
und -integrierbarkeit und zur Verringerung der Wärmeabsenkungsanforderungen
führt.
-
Außerdem ermöglicht sie einen modularen Konstruktionsaufbau
mit einem induktiven Modul, um zwei Spulen anzusteuern, die als
Heizplatten eines induktiven Kochfeldes verwendet werden, und um dieses
Modul in einem gemischten induktiven und nichtinduktiven Kochfeld
einzubauen.
-
Dieses induktive Modul ermöglicht auch, zwei
davon einzubauen, um vier Spulen anzusteuern, die als Heizplatten
eines induktiven Feldes verwendet werden, zwei davon mit einer Leistung,
die höher
als ihre Nennleistung ist.
-
Es ist vorgesehen, dass diese Topologie,
die Aufgabe der Erfindung, durch Hinzufügen von zwei Schaltern an Stelle
von einem erweitert wird, die zu einer erhöhten Flexibilität führen, weil
sie in diesem Fall ermöglicht,
dass die gesamte installierte Leistung für beide Spulen für das Ansteuern
jeder davon ohne Unterscheidung verwendet werden kann.
-
Wenn die Topologie mit zwei Schaltern
als Stromquelle verwendet wird, um zwei Spulen anzusteuern, die
als Heizplatten in einem induktiven Kochfeld verwendet werden, ermöglicht sie
eine Verbesserung des Leistungsverhalten, weil die gesamte installierte
Leistung für
beide Spulen für
das Ansteuern jeder davon in so einer Weise verwendet werden kann,
dass jede der Heizplatten eine Heizleistung bereitstellen kann,
die höher
als ihre Nennleistung ist, und folglich stehen zwei extrem schnelle
Heizplatten für
das Erhitzen eines Topfes oder einer Pfanne zur Verfügung, indem
die Temperaturanstiegszeit verringert wird, die notwendig ist, um
den stationären
Wärmezustand
des Topfes oder der Pfanne zu erreichen.
-
So ermöglicht die Flexibilität der Topologie mit
zwei Schaltern, die optimalen Steuerungsprozeduren in der Verwaltung
der Leistungsverluste in den Halbleitergeräten zu erreichen, die darauf
gerichtet sind, ihre Arbeitstemperatur zu verringern, die zu einer
Verbesserung der Systemzuverlässigkeit
und -integrierbarkeit und zur Verringerung der Wärmeabsenkungsanforderungen
führt.
-
In der gleichen Weise ermöglicht die
Zweischaltertopologie einen modularen Konstruktionsaufbau mit einem
induktiven Modul, das für
das Ansteuern von zwei Spulen geeignet ist, die als Heizplatten eines
induktiven Kochfeldes verwendet werden, und um dieses Modul in einem
gemischten induktiven und nichtinduktiven Kochfeld einzubauen, wobei
die zwei Module auch eingebaut werden können, um vier Spulen anzusteuern,
die als Heizplatten in einem induktiven Kochfeld verwendet werden,
alle davon mit Leistungsverstärkungskapazität.
-
Um diese Beschreibung zu vervollständigen und
mit dem Ziel, zum Verstehen der Charakteristika der Erfindung beizutragen,
wurde ein Satz von Zeichnungen in diesem beschreibenden Dokument
als Teil davon aufgenommen, welcher erläuternden, jedoch nicht einschränkenden
Charakter aufweist. Es wurde folgendes dargelegt:
-
KURZBESCHREIBUNGEN
DER AUSFÜHRUNGEN
-
Die für neu gehaltenen Merkmale der
Erfindung werden ausführlich
in den beigefügten
Ansprüchen
bekanntgemacht. Die Erfindung selbst kann jedoch mit weiteren Aufgaben
und deren Vorteilen am besten durch Bezug auf die folgende Beschreibung verstanden
werden, die zusammen mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird,
in welchen:
-
1 die
rekonfigurierbare und Mehrbrückentopologie
mit einem einzelnen Schalter und die Spule B2 mit verstärkter Leistung
zeigt. In dieser Figur sind bezeichnet:
S1 bis S6 als die Leistungshalbleiterschalter.
-
Der Brückenzweig, der durch S3 und
S4 gebildet wird, ist der sogenannte gemeinsame Brückenzweig
der Drehstrombrücke.
-
Der Brückenzweig, der durch S1 und
S2 gebildet wird, ist der sogenannte zusätzliche Brückenzweig der Drehstrombrücke.
-
Der Brückenzweig, der durch S5 und
S6 gebildet wird, ist der sogenannte feste Brückenzweig der Drehstrombrücke.
-
B1 ist die Spule ohne Leistungsverstärkung.
-
B2 ist die Spule mit Leistungsverstärkung.
-
R1 ist der einpolige Zweipunktschalter.
-
Vd ist eine allgemeine Gleichstromquelle oder
Gleichspannungsquelle, die durch Gleichrichten einer Wechselstromquelle
erhalten wird, entweder gefiltert oder nicht, je nachdem ob das
Filter aktiv oder passiv ist, ohne irgendeine Einschränkung, die durch
die Natur der Stromquelle eingebracht wird.
-
2 zeigt
die rekonfigurierbare und Mehrbrückentopologie
mit zwei Schaltern und die Spulen B1 und B2 mit verstärkter Leistung.
Diese Figur verwendet die gleichen Bezeichnungen wie in 1, aber zusätzlich ist
R2 der zweite einpolige Zweipunktschalter, der in der Topologie
eingebaut wird.
-
3.
Dies ist eine Tabelle, welche die Leistungsverfügbarkeit für jede der Spulen B1 und B2
in Abhängigkeit
vom Einschaltzustand, dargestellt durch "1",
oder vom Ausschaltzustand, dargestellt durch "0",
der Schalter R1 und R2 zeigt.
-
BESCHREIBUNG
EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Die Erfindung stellt eine flexible
Topologie bereit, welche unabhängig
die Stromversorgung für zwei
Spulen ermöglicht,
welche als Heizplatten eines induktiven Kochfeldes verwendet werden.
-
Die grundlegende flexible Topologie,
die in 1 dargestellt
ist, und so als Anspruch erhoben wird, ist durch Modifizieren einer
anderen erhalten, die als die Drehstrombrücke gut bekannt ist. Die letztere
wird häufig
als DC-AC-Wandler verwendet, um Drehstromlasten anzusteuern, aber
in dieser Erfindung wurde sie durch Hinzufügen eines einpoligen Zweipunktschalters
modifiziert.
-
Die grundlegende flexible Topologie,
die in 1 dargestellt
ist, wird verwendet, um die Grundidee zu erläutern. Anschließend wird
die Topologie durch Verdoppeln der Anzahl der in ihr enthaltenen Schalter
erweitert, wie in 2 dargestellt,
indem in dieser Weise die Verbesserung der Flexibilität und des
Leistungsverhaltens erreicht wird.
-
Die Drehstrombrücke in 1 wird durch drei identische Brückenzweige
(Zweige S1-S2, S3-S4 und S5-S6) gebildet, die parallel verbunden sind,
welche Leistung aus einer gemeinsamen Stromquelle mit der Spannung
Vd entnehmen. Jeder Brückenzweig
wird durch eine Reihenschaltung von zwei Leistungshalbleiterschaltern
(die Leistungshalbleiterschalter werden als einfache Schalter dargestellt
und sind als S1, S2, S3, S4, S5 und S6 bezeichnet) gebildet, deren
Einschalt- oder Ausschaltzustände
extern gesteuert werden.
-
Die Funktionalität der Stufe wird durch die verwendeten
Leistungshalbleiterschalter oder deren Stand der Technik nicht beeinflusst.
-
Der gemeinsame Punkt zwischen den
Halbleiterschaltern eines Brückenzweiges
bildet eine Ausgangsklemme oder eine der Ausgangsphasen der Brücke. Wenn
die Brücke,
wie in unserem Fall, drei Phasen aufweist, wird sie als Drehstrombrücke bezeichnet.
-
Eine Brücke ist nichtsymmetrisch, wenn
alle ihre Brückenzweige
hinsichtlich der Steuerbarkeit der Leistungshalbleiterschalter,
des Arbeitsbereiches des Span nungs-/Stromquadranten oder der bedienten
Leistung nicht identisch sind.
-
Die in der Brücke eingeführte Änderung besteht in der Bemessung
von zwei der Brückenzweige (S1-S2
und S5-S6) jeder für
sich mit einer Leistungsverarbeitungskapazität, die an die Bemessung der Spulen
B1 und B2 angepasst ist. Diese Spulen bilden zwei unabhängige Heizplatten
eines induktiven Kochfeldes. Der dritte Brückenzweig, vormals als der gemeinsame
Brückenzweig
bezeichnet, wird mit einer Leistungsverarbeitungskapazität bemessen,
die gleich den zusätzlichen
Leistungen der anderen zwei Brückenzweige
ist. Die Brückenzweige,
die anders als der gemeinsame Brückenzweig
sind, werden selbst durch ihre Bezeichnung als der feste Brückenzweig
(S5-S6) und der zusätzliche
Brückenzweig
(S1-S2) entsprechend unterschieden.
-
Zwischen dem Ausgang des zusätzlichen Brückenzweiges
(S1-S2) und dem Ausgang des gemeinsamen Brückenzweiges (S3-S4) ist ständig eine der
Spulen angeschlossen, welche eine der Heizplatten des induktiven
Kochfeldes bildet, welches in ihrem Gehäuse eine Leistungsverstärkung aufnehmen kann.
Diese Spule B2 unterscheidet sich, weil sie als die Leistungsverstärkungsspule
bezeichnet wird. In der derselben Weise unterscheidet sich die andere Spule
B1, weil sie als die Spule ohne Leistungsverstärkung bezeichnet wird.
-
Der Ausgang des festen Brückenzweiges (S5-S6)
ist mit dem gemeinsamen Pol des Zweipunktschalters verbunden. Wenn
der Schalter in seinem eingeschalteten Zustand (Position no) ist,
verbindet er die Spule B1 ohne Leistungsverstärkung zwischen dem Ausgang
des festen Brückenzweiges (S5-S6)
und dem Ausgang des gemeinsamen Brückenzweiges (S3-S4).
-
Wenn der Schalter nicht in seinem
eingeschalteten Zustand (Position nc) ist, verbindet er den Ausgang
des zusätzlichen
Brückenzweiges
(S1-S2) mit dem Ausgang des festen Brückenzweiges (S5-S6) parallel.
In dieser Weise ist die Spule B1 ohne Leistungsverstärkung im
offenen Stromkreis und die Spule B2 ohne Leistungsverstärkung hat
die gesamte installierte Leistung zur Verfügung, ist in der Lage, eine
Leistung zu entnehmen, die höher
als ihre Nennleistung ist, und aus diesem Grund wird sie Leistungsverstärkungsspule
B2 genannt.
-
Diese Idee der grundlegenden flexiblen
und rekonfigurierbaren Topologie, die in 1 dargestellt ist, wird erweitert, um
beiden Spulen zu ermöglichen, eine
höhere
Leistung als ihre Nennleistung zu entnehmen. Zu diesem Zweck wurde
die Anzahl der Schalter verdoppelt, die die in 2 dargestellte Topologie ergibt. In dieser
Weise wird der zweite Schalter R2 mit seinem gemeinsamen Pol, der
mit dem früher
genannten zusätzlichen
Brückenzweig
(S1-S2) verbunden ist, angeordnet. Wenn der zweite Schalter R2 in
seinem eingeschalteten Zustand ist, verbindet er die früher genannte
Leistungsverstärkungsspule B2
zwischen dem Ausgang des zusätzlichen
Brückenzweiges
(S1-S2) und dem Ausgang des gemeinsamen Brückenzweiges (S3-S4).
-
3 zeigt
die Leistungsverfügbarkeit
für jede
der Spulen B1 und B2 als eine Tabelle in Abhängigkeit vom Einschaltzustand,
der als (1) dargestellt ist, oder vom Ausschaltzustand, der als
(0) dargestellt ist, für
beide Schalter R1 und R2.
-
Mit ausgeschaltetem zweiten Schalter
R2 (Position nc) verbindet er den Ausgang des zusätzlichen
Brückenzweiges
(S1-S2) mit dem Ausgang des festen Brückenzweiges (S5-S6) parallel.
In dieser Weise zeigen die beiden Schalter mit den verbundenen Brückenzweigen
und den gespeisten Spulen eine symmetrische Position zueinander.
Diese Symmetrie ergibt eine verbesserte Flexibilität, welche
jeder Spule B1 oder B2 ermöglicht,
die gesamte installierte Leistung ohne Unterschied zu entnehmen.
Die Funktionen des zusätzlichen
Brückenzweiges
und des festen Brückenzweiges
in 1 sind beide für die Topologie
in 2 mit zwei Schaltern
austauschbar.
-
Die Zweischaltertopologie ermöglicht einen modularen
Konstruktionsaufbau mit einem induktiven Modul, das für das Ansteuern
von zwei Spulen geeignet ist, die als Heizplatten eines induktiven
Kochfeldes verwendet werden, und um dieses Modul in einem gemischten
induktiven und nichtinduktiven Kochfeld einzubauen, wobei die zwei
Module auch eingebaut werden können,
um vier Spulen anzusteuern, die als Heizplatten in einem induktiven
Kochfeld verwendet werden, alle davon mit Leistungsverstärkungskapazität.
-
Die eigene Flexibilität der beiden
Topologien ermöglicht
es, die optimalen Steuerungsprozeduren in der Verwaltung der Leistungsverluste
in den Leistungshalbleiterschaltern zu erreichen, die darauf gerichtet
sind, ihre Arbeitstemperatur zu verringern, die zu einer Verbesserung
der Systemzuverlässigkeit und -integrierbarkeit
und zur Verringerung der Wärmeabsenkungsanforderungen
führt.
-
Vorausgesetzt die Anordnung, die
für beide Schalter
in ausgeschalteter Position ausgewählt wird, wie in 2 dargestellt, wenn nur
eine Spule gespeist wird, hat sie die gesamte installierte Leistung
zur Verfügung,
weil sowohl die feste Spule, als auch der zusätzliche Brückenzweig parallel verbunden
sind. In dieser Weise werden die gesamten Leitungsverluste und die
Temperatur der Leistungshalbleiterschalter gesenkt.
-
Die in 1 dargestellte
Position des Schalters entspricht seinem ausgeschalteten Zustand.
In diesem Zustand ist der gemeinsame Pol des Schalters mit seinem Öffnerpol
(nc) elektrisch verbunden und schaltet folglich den festen Brückenzweig
und den zusätzlichen
Brückenzweig
parallel. In dieser Weise steht die gesamte installierte Leistung
für die Spule
B2 mit Leistungsverstärkung
zur Verfügung. Wenn
der Schalter in seinem eingeschalteten Zustand ist, wird der gemeinsame
Pol des Schalters mit seinem Schließerpol (no) elektrisch verbunden
und folglich speist der feste Brückenzweig
die Spule B1 und der zusätzliche
Brückenzweig
speist die Spule B2.
-
Die in 2 dargestellten
Positionen der Schalter entsprechen ihrem ausgeschalteten Zustand.
Wenn ausschließlich
R1 eingeschaltet ist, steht die gesamte installierte Leistung für die Spule B1
zur Verfügung.
Wenn ausschließlich
R2 eingeschaltet ist, steht die gesamte installierte Leistung für die Spule
B2 zur Verfügung.
Wenn beide Schalter eingeschaltet sind, entnimmt jede Spule ihre
eigene Nennleistung.
-
Während
die Erfindung insbesondere mit Bezug auf mehrere ihrer bevorzugten
Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen,
dass verschiedene Änderungen
in Form und Detail daran gemacht werden können, ohne von dem wahren Sinn
und dem Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen, wie durch die
beigefügten
Ansprüche
definiert wird.