Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsversorgung mehrerer Induktionsspulen bei einem Induktionsgerät sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei Induktionskochmulden besteht häufig das Problem, dass es beim Betrieb mehrerer Kochstellen zu hörbaren Geräuschen kommen kann. Diese werden von einer Bedienperson teilweise als unangenehm empfunden, insbesondere nicht nur wegen der Geräusche an sich, sondern auch weil die Vermutung nahe liegt, dass eine Fehlfunktion der Induktionskochmulde vorliegt. Das Geräuschempfinden wiederum ist auch abhängig von der Intensität des Schallpegels sowie der Übereinstimmung mit einer menschlichen Hörkurve, also abhängig von der Frequenz der Geräusche.

Für diese Geräusche gibt es mehrere Ursachen. Zum einen sind unter Induktionsspulen Ferrite zur Magnetfeldführung vorgesehen. Diese Ferrite unterliegen einer Magnetostriktion, also einer Längenveränderung, abhängig von der Arbeitsfrequenz der Induktionsspule. Dies gilt zumindest teilweise auch für verwendete Kochgeschirre. Zwar liegt die Arbeitsfrequenz von Induktionsspulen üblicherweise über dem hörbaren Bereich, allerdings können durch Intermodulation mit einer anderen betriebenen Induktionsspule die Geräusche hörbar werden. Dabei können hörbare Mischprodukte aus der Frequenzdifferenz der Arbeitsfrequenzen und deren harmonischen Oberwellen entstehen. Weitere Intermodulationen können entstehen, wenn zwei Frequenzumrichter für die Induktionsspulen an einer gemeinsamen Versorgungsspannung angeschlossen sind. In diesem Fall moduliert ein Frequenzumrichter die Versorgungsspannung für den anderen Frequenzumrichter.

Die ES-A1-2201937 beschreibt ein Verfahren zur Leistungsversorgung mehrerer Induktionsspulen bei einem Induktionsgerät, wobei jeweils ein Frequenzumrichter jede Induktionsspule mit Leistung versorgt. Beim gemeinsamen Betrieb mehrerer Induktionsspulen werden Grenzfrequenzen von 2 kHz und 14 kHz verwendet, die als Frequenzdifferenz eingestellt werden, wenn sich die Leistungen unterscheiden sollen. Mit der oberen Grenzfrequenz kann ein Betrieb der Induktionsspulen erreicht werden, der am oberen Ende oder sogar außerhalb der menschlichen Hörschwelle liegt.

Die US-A-4542273 beschreibt ein ähnliches Verfahren zur Leistungsversorgung mehrerer Induktionsspulen in einem Induktionsgerät. Dabei weist wiederum jede Induktionsspule eine eigene Leistungsversorgung auf. Werden zwei oder mehr Schwingkreise der Induktionsspulen betrieben, so arbeiten sie mit derselben Frequenz bzw. eine Frequenzdifferenz ist gleich Null. So wird unerwünschte Geräuschentwicklung vermieden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine Anordnung zu schaffen, mit denen die Probleme des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere ein vorteilhafter Betrieb mehrerer Induktionsspulen möglich ist mit möglichst geringer Geräuschentwicklung.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Jede Induktionsspule wird über einen eigenen Frequenzumrichter oder eine eigene Frequenzumrichtereinheit mit Leistung versorgt. Erfindungsgemäß werden beim gemeinsamen Betrieb mehrerer Induktionsspulen die Betriebsfrequenzen bzw. die Frequenzen der jeweiligen Frequenzumrichter für die einzelnen Induktionsspulen abhängig von einer vorgesehenen Leistung bzw. von durch eine Bedienperson mittels Eingabe für die Leistung geforderten Werten hinsichtlich einer Differenz zwischen den Frequenzen, also eine Frequenzdifferenz, nach einem der möglichen folgenden Betriebsmodi eingestellt:

1. a) Die Frequenzdifferenz beträgt nahezu Null, vorteilhaft ist sie Null.
2. b) Die Frequenzdifferenz beträgt weniger als 1 kHz, ist also vorteilhaft zwar vorhanden, aber relativ gering.
3. c) Die Frequenzdifferenz beträgt zwischen 15 kHz und 25 kHz bzw.
   liegt nicht mehr im hörbaren Bereich.

Erfindungsgemäß werden die Induktionsspulen bei jeweiligem Betriebsbeginn, also wenn mehrere Spulen betrieben werden sollen, mit den geforderten Werten, die von einer Bedienperson für jede Induktionsspule über eine Bedieneinrichtung eingegeben worden sind, zuerst mit hoher Frequenz bzw. höchster Betriebsfrequenz des Systems betrieben. Besonders vorteilhaft erfolgt dadurch die Funktion als Topferkennungs-Spulen. Dadurch kann erkannt werden, ob über eine Induktionsspule ein damit zu erwärmendes geeignetes Kochgefäß vorhanden ist. Anschließend werden die Frequenzen mit den Frequenzumrichtern abgesenkt. Dies erfolgt so weit, bis die Gesamtleistung der Induktionsspulen der Gesamtleistung der geforderten Werte für die Einzelleistungen entspricht. Da dies noch bei derselben Frequenz erfolgt, wird hier in der Regel, also bei unterschiedlichen geforderten Werten für die Leistung P, die eine Induktionsspule mit mehr Leistung betrieben als gefordert und die andere mit weniger Leistung.

Diese zutreffende Summenleistung liegt bei einer gemeinsamen Frequenz f_g vor. Anschließend wird die Induktionsspule, welche mit überhöhter Leistung betrieben wird, um die Frequenzdifferenz gemäß Betriebsmodus c) nach oben gesetzt. Die anderen Induktionsspulen verbleiben bei der bis dahin bestehenden Frequenz. Ist die Frequenzdifferenz wie gefordert eingestellt, so werden anschließend sämtliche Induktionsspulen in ihrer Betriebsfrequenz mit fest eingehaltener Frequenzdifferenz Δf nach unten gefahren, und zwar so lange, bis die Summenleistung wieder dem geforderten Wert entspricht.

Beim ersten Betriebsmodus a) kann es zu keinen Frequenzdifferenzen kommen. Somit können auch keine störenden Intermodulationen bzw. keine hörbaren Auswirkungen entstehen.

Beim zweiten Betriebsmodus b) liegen die Frequenzen im Betrieb sehr nahe beieinander. Vorteilhaft beträgt die Frequenzdifferenz hierbei sogar 500 Hz und weniger. Zwar entsteht hierbei eine gewisse Intermodulation aus den eingestellten Frequenzen bzw. Betriebsfrequenzen der Induktionsspulen, aber aufgrund der sehr niedrigen Frequenzdifferenzen sind sie kaum wahrnehmbar, da sie in einem Bereich der menschlichen Hörkurve liegen, in dem das durchschnittliche menschliche Ohr relativ unempfindlich ist.

Im dritten Betriebsmodus c) ist die Frequenzdifferenz in einem für das menschliche Ohr sehr hohen Bereich bzw. liegt nicht mehr im hörbaren Bereich. Hier hat sich im Rahmen der Erfindung zusätzlich herausgestellt, dass bei einer Frequenzdifferenz von etwa 18 kHz sowie auch 24 kHz eine besonders gute Unterdrückung von hörbaren Geräuschen möglich ist.

Somit stehen also drei Möglichkeiten zur Verfügung, mehrere Induktionsspulen gemeinsam zu betreiben, ohne dass dieses störend zu hören ist. Diese drei Betriebsmodi sind vorteilhaft dafür zu nutzen, dass sowohl die mittlere Leistung für jede einzelne Induktionsspule als auch die gesamte mittlere Leistung einer von einer Bedienperson gewählten Leistungsstufe entspricht. Ist dies durch einen konstanten Betrieb mit einem der Betriebsmodi a) oder b) möglich, also mit jeweils fester und unveränderter Frequenz, so ist dies eine vorteilhaft zu wählende Betriebsweise mehrerer Induktionsspulen.

Vorteilhaft werden mit dem Verfahren genau zwei Induktionsspulen betrieben, wie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist. Hierbei ist die mögliche Variation der Betriebsfrequenzen und Einstellung einer bestimmten Frequenzdifferenz besonders gut und vorhersehbar möglich.

Es ist einerseits möglich, dass jede Induktionskochstelle eine einzige Induktionsspule aufweist. Alternativ kann eine Induktionskochstelle eine Induktionsspule aufweisen, die aus mehreren Teilspulen besteht und/oder die durch mehrere Leistungsgeneratoren bzw. Frequenzumrichter ansteuerbar ist. Dies entspricht dann sogenannten Mehrkreis-Heizungen, wie sie von Strahlungsheizeinrichtungen bekannt sind.

Induktionsspulen, insbesondere für eine Anwendung im Haushaltsbereich, wie bei einem Induktionsbackofen oder einem Induktionskochfeld, werden vorteilhaft in einem Frequenzbereich von etwa 16 kHz bis 100 kHz betrieben.

Anschließend kann ein taktender bzw. wechselnder Betrieb der Induktionsspulen erfolgen, falls sich die geforderten Werte nicht verändern. Dieser Betrieb sieht so aus, dass entweder mit der gemeinsamen Frequenz f_g für eine bestimmte Zeit t_g ein Betrieb erfolgt, wobei sich die Zeit t_g folgendermaßen berechnet: $$t_g=\frac{{\bar{P}}_1-P_1\left(f_{v1}\right)}{P_1\left(f_g\right)-P_1\left(f_{v1}\right)}=\frac{{\bar{P}}_2-P_2\left(f_{v2}\right)}{P_2\left(f_g\right)-P_2\left(f_{v2}\right)}$$

Oder es erfolgt daran anschließend ein Betrieb mit den beiden unterschiedlichen Frequenzen und der Frequenzdifferenz Δf, und zwar für die Zeit t_v, wobei t_g + t_v = T. Danach wechselt der Betrieb zwischen diesen beiden Betriebsarten.

Sollte sich einer der geforderten Werte für die Leistung für eine der Induktionsspulen ändern, so wird dieses Verfahren der Ermittlung der Werte für die Frequenzen und die Zeiten erneut durchgeführt.

Die Summe der Leistungen bei gemeinsamer Frequenz f_g entspricht dabei der Summe der Leistungen bei verschiedenen Frequenzen. Sie ist gleichzeitig gleich der geforderten Summenleistung für beide Induktionsspulen.

Bei einem solchen Betrieb ist auch ein flickerfreier Anschluss an ein Versorgungsnetz möglich. Sollte jedoch mit keinem der vorgenannten Betriebsmodi eine zu den geforderten Werten passende Einstellung gefunden werden können, bei der sich auch die Frequenzdifferenz im genannten Rahmen bewegt, so ist unter Umständen für eine bestimmte Zeit ein Betrieb mit geringem Flicker notwendig bzw. unumgänglich. Einschränkende Randbedingungen hier können z.B. sein: eine minimale Arbeitsfrequenz eines Frequenzumrichters, eine maximal zulässige Amplitude des Stroms im Frequenzumrichter, eine kleinste zulässige Phase in einem Schwingkreis in dem Frequenzumrichter sowie auch Sättigungseffekte in Ferriten, die an den Induktionsspulen vorgesehen sind zur Beeinflussung des erzeugten Magnetfeldes.

Eine weitere Möglichkeit kann vorsehen, dass zuerst mit einer ersten niedrigeren Frequenzdifferenz, beispielsweise den genannten 18 kHz, versucht wird, die Bedingungen zu erfüllen. Geht dies nicht bzw. greift der beabsichtigte Algorithmus zur Einstellung nicht, so kann es mit einer zweiten etwas höheren Frequenzdifferenz von etwa 24 kHz versucht werden.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1

ein Schaltbild einer Anordnung von zwei Induktionsspulen in einem Induktionskochfeld mit jeweils einem Frequenzumrichter,

Fig. 2

ein Schaubild der Betriebsfrequenz f über der Zeit t und

Fig. 3

ein Schaubild der Leistung P über der Zeit t.

In Fig. 1 ist ein Induktionskochfeld 11 im Schnitt dargestellt. An einer Kochfeldplatte 13 ist eine Bedieneinrichtung 15 mit zwei Drehknebeln 16 und 17 für die Leistungseinstellung angeordnet. Die Darstellung der Bedieneinrichtung 15 ist sehr schematisch zu verstehen und selbstverständlich können auch sämtliche sonstigen Bedienelemente vorgesehen sein, insbesondere auch sogenannte Berührschalter.

Die Bedieneinrichtung 15 ist mit einer Steuerung 18 verbunden und gibt unter anderem die Steuerbefehle durch Einstellung der Drehknebel 16 und 17 an die Steuerung 18 weiter. Die Steuerung 18 wiederum ist mit einem ersten Frequenzumrichter 19 verbunden, der mit einer Frequenz f₁ eine erste Induktionsspule L1 versorgt, sowie mit einem zweiten Frequenzumrichter 20, der mit der Frequenz f₂ eine zweite Induktionsspule L2 versorgt.

Die Induktionsspulen L1 und L2 sind auf bekannte Art und Weise unterhalb der Kochfeldplatte 13 angeordnet. An ihrer Unterseite sind Ferrite 21 auf ebenfalls bekannte Art und Weise angeordnet zur Beeinflussung des durch die Induktionsspulen L erzeugten Magnetfeldes. Oberhalb der Induktionsspulen L1 und L2 sind auf die Kochfeldplatte 13 Kochgeschirre 22 und 23 aufgesetzt. Durch das größere Kochgeschirr 23 wird veranschaulicht, inwiefern hier die Einkopplung einer höheren Leistung erfolgen sollte bzw. gewünscht ist. Dies ist auch an der Stellung des Drehknebels 17 zu erkennen, der weiter nach rechts und somit auf eine höhere Leistungsstufe eingestellt ist als der linke Drehknebel 16. Dabei dient der Drehknebel 16 zur Einstellung der Leistung für die durch die linke Induktionsspule L1 gebildete Induktionskochstelle und der rechte Drehknebel 17 für die durch die rechte Induktionsspule L2 gebildete Induktionskochstelle.

In Fig. 2 und 3 wird, wie nachfolgend gemeinsam beschrieben ist, dargestellt, wie die Induktionsspulen L1 und L2 mit Leistung P bei einer bestimmten Frequenz der Versorgungsspannung versorgt werden. Die Verläufe für die Frequenz und die Leistung werden für die Spule L2 gestrichelt dargestellt.

Der Betrieb beginnt damit, dass beide Induktionsspulen L1 und L2 mit gemeinsamer Frequenz betrieben werden, und zwar mit f_max im Sinne einer Topferkennungs-Funktion. Dieses ist dem Fachmann ausreichend bekannt und braucht hier nicht näher erläutert zu werden. Bei beiden Induktionsspulen L1 und L2 wird festgestellt, dass geeignete Kochgeschirre, nämlich die Kochgeschirre 22 und 23, aufgestellt sind und somit ein Betrieb möglich ist. Dementsprechend erfolgt eine Leistungsfreigabe durch die Steuerung 18 sowie die Frequenzumrichter 19 und 20.

Daraufhin wird die von den Frequenzumrichtern 19 und 20 eingestellte Frequenz mit einem gleichen Wert abgesenkt bis auf den Wert f_g. Dieser Wert f_g ergibt sich aus den Vorgaben, dass beide Induktionsspulen L1 und L2 mit derselben Frequenz, nämlich f_g, betrieben werden sollen und mit den Leistungen P₁(f_g) und P₂(f_g). Die Leistungen P₁(f_g) und P₂(f_g) ergeben sich aus der Vorgabe mit f_g und dem über die Drehknebel 16 und 17 eingestellten und vorgegebenen Wert für die insgesamt erzeugte Leistung.

Es ist zu erkennen, inwiefern bei dem ersten Betrieb mit der gemeinsamen Frequenz f_g die Induktionsspule L1 mit der Leistung P₁(f_g) betrieben wird, welche größer ist als die mittlere vorgesehene Leistung P₁. Die Induktionsspule L2 wird mit einer Leistung P₂(fg) betrieben, welche unterhalb der mittleren vorgesehenen Leistung P₂ liegt. Sodann wird die mit überhöhter Leistung betriebene Induktionsspule L1 hinsichtlich ihrer Betriebsfrequenz f₁ erhöht um eine Frequenzdifferenz Δf, welche im vorliegenden Fall 18 kHz beträgt. Abhängig davon werden mit dem festen Frequenzabstand Δf beide Betriebsfrequenzen abgesenkt. Im selben Maß erhöhen sich dann wieder die Leistungen der Induktionsspulen L1 und L2. Die Absenkung erfolgt so weit, bis die Frequenzen f_v1 und f_v2 erreicht sind mit den Leistungen P₁(f_v) und P₂(f_v). Dabei entspricht die Summe aus P₁(f_v) und P₂(f_v) der Summe aus P₁(f_g) und P₂(f_g).

Anschließend daran erfolgt für eine bestimmte Zeit t_v mit genau diesen Werten für f_v1 und f_v2 bzw. der daraus resultierenden Frequenzdifferenz Δf ein Betrieb. Daran schließt sich der Betrieb mit der gemeinsamen Frequenz f_g an, wobei hier die Leistungen P₁(f_g) und P₂(f_g) betragen, also wiederum die Induktionsspule L1 mit überhöhter und die Induktionsspule L2 mit abgesenkter Leistung betrieben werden. Dieser Zeitraum t_g berechnet sich nach der folgenden Formel: $$t_g=\frac{{\bar{P}}_1-P_1\left(f_{v1}\right)}{P_1\left(f_g\right)-P_1\left(f_{v1}\right)}=\frac{{\bar{P}}_2-P_2\left(f_{v2}\right)}{P_2\left(f_g\right)-P_2\left(f_{v2}\right)}$$

Anschließend an diese Zeit t_g erfolgt wieder für eine Zeit t_v der zuvor erläuterte Betrieb mit den Frequenzen f_v1 und f_v2. Dabei gilt t_g + t_v = T.

Insgesamt wechselt ab hier, solange die vorgegebenen Leistungswerte P₁ und P₂ für die Induktionsspulen L1 und L2 durch eine Bedienperson nicht verändert werden, der Betrieb ab. Dies gilt für die berechneten Zeiten t_g und t_v.

Somit liegt hier ein Betrieb vor mit dem eingangs genannten Betriebsmodus a), nämlich für die Zeit t_g, und Betriebsmodus c), nämlich für die Zeit t_v. Während der Zeit t_g entsteht überhaupt keine Geräuschentwicklung, da ja mit derselben Frequenz gearbeitet wird und somit überhaupt keine Intermodulationen entstehen können.

Während der Zeit t_v liegt die eingangs genannte Frequenzdifferenz von 18 kHz während des Betriebsmodus c) vor, welche eine kaum hörbare Geräuschentwicklung bedeutet.

Somit ist es insgesamt durch das beschriebene und erfindungsgemäße Verfahren möglich, die Geräuschentwicklung zu vermeiden oder stark zu reduzieren und dabei immer noch eine geforderte Leistung, zumindest im Mittelwert, durch die Induktionsheizungen zu erzeugen.

Treten während des in den Fig. 2 und 3 dargestellten Betriebs mit wechselnden Leistungen Änderungen an den vorgegebenen Werten für die Leistung P₁ und P₂ der Induktionsspulen L auf, beispielsweise durch Verstellen der Drehknebel 16 oder 17, so erfolgt die Berechnung und Einregelung neu. Daran schließt sich wieder einer der oben genannten Betriebszustände an.