Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizvorrichtung, insbesondere für ein Induktionskochfeld, mit einer Anzahl von Schwingkreisen, wobei jeder Schwingkreis einen ersten Pol und einen zweiten Pol sowie eine Induktionsspule zum Heizen aufweist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Induktionskochfeld mit einer solchen Induktionsheizvorrichtung.
Gattungsgemäße Induktionsheizvorrichtungen werden beispielsweise verwendet, um Kochstellen eines Induktionskochfelds zu beheizen. Beispielsweise ist dann eine jeweilige Induktionsspule unterhalb einer Kochfeldplatte eines Induktionskochfelds angeordnet und kann durch Schwingen auf bekannte Art und Weise elektromagnetisch Energie auf ein Kochgeschirr übertragen, welches auf der Kochfeldplatte steht.
Eine gattungsgemäße Induktionsheizvorrichtung ist in dem Dokument
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Induktionsheizvorrichtung zu schaffen, welche insbesondere bei einer hohen Anzahl von Schwingkreisen einen geringeren Bauteilbedarf hat, sowie ein Induktionskochfeld mit einer derart verbesserten Induktionsheizvorrichtung zu schaffen.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Induktionsheizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Induktionskochfeld mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für die Induktionsheizvorrichtung oder nur für das Induktionskochfeld genannt und beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für die Induktionsheizvorrichtung als auch für das Induktionskochfeld selbstständig gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizvorrichtung mit einer Anzahl von Schwingkreisen, jeweils mit einem ersten Pol und einem zweiten Pol, wobei jeder Schwingkreis eine Induktionsspule zum Heizen bzw. Induktionsheizspule aufweist. Des Weiteren weist sie eine Versorgungsleitung auf, mit welcher die jeweiligen ersten Pole der Schwingkreise verbunden sind, sowie einen ersten Versorgungstransistor und einen zweiten Versorgungstransistor mit jeweils einem ersten Pol und einem zweiten Pol. Der erste Pol des ersten Versorgungstransistors ist mit einer Quelle einer Zwischenkreisspannung verbunden, und der zweite Pol des ersten Versorgungstransistors und der erste Pol des zweiten Versorgungstransistors sind mit der Versorgungsleitung verbunden. Der zweite Pol des zweiten Versorgungstransistors ist mit einem Referenzanschluss verbunden. Es ist eine Anzahl von Schalttransistoren vorgesehen mit jeweils einem ersten Pol und einem zweiten Pol, wobei jedem Schwingkreis ein Schalttransistor zugeordnet ist und wobei der erste Pol des Schalttransistors mit dem zweiten Pol des Schwingkreises verbunden ist und der zweite Pol des Schalttransistors mit dem Referenzanschluss verbunden ist. Es ist vorteilhaft eine Anzahl von Dioden bzw. Freilaufdioden vorgesehen mit jeweils einem ersten Pol und einem zweiten Pol, wobei jedem Schwingkreis eine Freilaufdiode zugeordnet ist. Der erste Pol der Freilaufdiode ist dabei mit der Quelle und der zweite Pol der Freilaufdiode ist mit dem zweiten Pol des jeweiligen Schwingkreises verbunden.
Bei der erfindungsgemäßen Induktionsheizvorrichtung wird pro Schwingkreis lediglich ein Schalttransistor benötigt, wohingegen die beiden Versorgungstransistoren für alle Schwingkreise gleichzeitig wirken. Bereits ab einer Anzahl von vier Schwingkreisen ergibt sich somit eine Einsparung bei der Gesamtzahl an benötigten Transistoren. Gerade bei höheren Anzahlen von Schwingkreisen reduziert sich die Anzahl an benötigten Transistoren erheblich. Des Weiteren ist zu erwähnen, dass für die Versorgungstransistoren preisgünstigere Treiberbauteile verwendet werden können, da im Gegensatz zum Stand der Technik der jeweilige Schwingkreis anstelle eines aktiven Transistors über eine passive Freilaufdiode verfügt, welche keine Treiberstufe benötigt.
Die Versorgungsleitung und sonstige Verbindungen in der Induktionsheizvorrichtung können beispielsweise durch leitfähige Beschichtungen einer Platine, durch Drähte, Leitungen oder andere stromführende Elemente realisiert werden. Bei dem Referenzanschluss handelt es sich bevorzugt um einen Masseanschluss, welcher beispielsweise eine Erdung, bevorzugt eine gemeinsame Erdung, herstellen kann.
Die Versorgungstransistoren dienen dazu, eine alternierende Spannung für alle Schwingkreise gleichzeitig bereitzustellen. Damit kann nicht nur die Anzahl der Bauteile eingespart werden, es wird gleichzeitig auch dafür gesorgt, dass alle Schwingkreise identisch angeregt werden. Damit können unerwünschte Störgeräusche vermieden werden. Die Versorgungstransistoren sind dabei typischerweise mit ausreichender Leistungsfähigkeit ausgelegt, um bei Betrieb aller Schwingkreise diese entsprechend zu versorgen. Beispielsweise können diese eine Leistung von jeweils einigen kW haben.
Die Schalttransistoren dienen dazu, den jeweiligen Schwingkreis, mit welchem der Schalttransistor verbunden ist, an- und abzuschalten. Wenn der jeweilige Schalttransistor leitend geschalten ist, ist der jeweilige Schwingkreis in Betrieb. Wenn der jeweilige Schalttransistor nichtleitend geschaltet ist, ist der Schwingkreis nicht in Betrieb. Dies ermöglicht eine separate Ansteuerung aller Schwingkreise der Induktionsheizvorrichtung.
Bevorzugt sind die Versorgungstransistoren durch eine Versorgungstreiberschaltung angesteuert, welche dazu ausgebildet ist, die Versorgungstransistoren alternierend gegentaktend leitend und nichtleitend zu schalten. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass sich die beiden folgenden Zustände kontinuierlich abwechseln:
Damit wird in vorteilhafter Weise ein alternierendes Potential an der Versorgungsleitung erreicht, mit welchem die Schwingkreise betrieben werden können.
Die Schalttransistoren sind bevorzugt durch eine jeweilige Schalttreiberschaltung angesteuert, welche dazu ausgebildet ist, den jeweiligen Schalttransistor zum Aktivieren des Schwingkreises leitend zu schalten und zum Deaktivieren des Schwingkreises nichtleitend zu schalten. Damit kann eine einzelne Aktivierung und Deaktivierung der Schwingkreise erreicht werden.
Bevorzugt ist eine jeweilige Treiberschaltung dazu ausgebildet, den Schalttransistor gepulst leitend zu schalten, wobei ein Tastgrad in Abhängigkeit einer gewünschten Leistungsabgabe des Schwingkreises eingestellt wird. Dies ermöglicht es, die Leistungsabgabe der jeweiligen Schwingkreise individuell zu regulieren, indem unterschiedliche Tastgrade verwendet werden. Zum Einstellen einer reduzierten Leistungsabgabe kann eine gepulste Ansteuerung wie beschrieben mit einem bestimmten Tastgrad verwendet werden, wobei eine praktisch stufenlose Einstellbarkeit ermöglicht wird.
Bevorzugt sind die Treiberschaltungen mit einer Steuerungseinrichtung verbunden, welche dazu ausgebildet ist, mittels der Versorgungstransistoren eine Wechselspannung an der Versorgungsleitung zu erzeugen und/oder mittels der Schalttransistoren Schwingkreise zu aktivieren und zu deaktivieren und/oder deren Leistungsabgabe einzustellen. Eine solche Steuerungseinrichtung kann beispielsweise als Computer, als Mikroprozessor, als Mikrocontroller, als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder in anderer Weise ausgeführt sein. Sie kann beispielsweise Prozessormittel und Speichermittel aufweisen, wobei in den Speichermitteln Instruktionen gespeichert sind, bei deren Ausführung sich der Prozessor in definierter Weise verhält. Die Steuerungseinrichtung ermöglicht eine Gesamtsteuerung des Systems und die Ausführung der bereits weiter oben beschriebenen Funktionen mittels nur einer Einrichtung. Es sei jedoch verstanden, dass die Steuerungseinrichtung auch aufgeteilt sein kann, beispielsweise in einen Teil, welcher die Versorgungstransistoren steuert, und einen anderen Teil, welcher die Schalttransistoren steuert.
Erfindungsgemäß weist ein jeweiliger Schwingkreis genau eine Induktionsspule und einen damit verbundenen Kondensator auf. Dies entspricht einer einfachen Ausführung eines Schwingkreises.
Die Induktionsspule und der Kondensator sind dabei erfindungsgemäß in Reihe geschaltet. Dadurch wird ein Serienschwingkreis ausgebildet.
Bevorzugt ist die Induktionsspule mit der Versorgungsleitung verbunden und der Kondensator ist mit dem ersten Pol des dem Schwingkreis zugeordneten Schalttransistors verbunden. Diese Anordnung hat sich als vorteilhaft herausgestellt.
Weiter bevorzugt ist zwischen dem zweiten Pol eines jeweiligen Schwingkreises und der Quelle der Zwischenkreisspannung eine Diode bzw. vorgenannte Freilaufdiode eingeschleift, deren Anode mit dem zweiten Pol des Schwingkreises verbunden ist. Durch eine solche Freilaufdiode können Spannungsspitzen, welche beispielsweise beim Deaktivieren des Schwingkreises mittels des zugeordneten Schalttransistors aufgrund der Entmagnetisierung der Spule auftreten können, abgeleitet und unschädlich gemacht werden. Einer Beschädigung jeweiliger Bauteile kann somit entgegengewirkt werden.
Bevorzugt bilden der ersten Versorgungstransistor und der zweite Versorgungstransistor zusammen eine Halbbrücke. Dies entspricht einer bewährten Ausführung zur Erzeugung eines alternierenden Potentials.
Die Quelle der Zwischenkreisspannung weist bevorzugt eine gepulste Spannungsquelle und einen Zwischenkreiskondensator auf. Eine solche gepulste Spannungsquelle kann beispielsweise Mittel zum Gleichrichten einer Netzspannung aufweisen. Der Zwischenkreiskondensator sorgt dafür, dass die Spannung geglättet wird.
Bevorzugt sind die Versorgungstransistoren und/oder die Schalttransistoren als IGBT-Transistoren ausgebildet. Diese haben sich für die vorliegende Anwendung als vorteilhaft erwiesen.
Weiter bevorzugt weist die Induktionsheizvorrichtung mindestens vier Schwingkreise auf. Ab dieser Anzahl von Schwingkreisen ist rechnerisch ein Vorteil bei der Anzahl der benötigten Bauelemente zu verzeichnen.
Noch weiter bevorzugt weist sie mehr, besonders bevorzugt deutlich mehr als vier Schwingkreise auf, beispielsweis mindestens zehn Schwingkreise. Je mehr Schwingkreise sie aufweist, desto größer wird der durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erzielte Vorteil.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Induktionskochfeld mit einer Kochfeldplatte, vorzugsweise aus Glaskeramik, und einer unter der Kochfeldplatte angeordneten erfindungsgemäßen Induktionsheizvorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben worden ist.
Durch das erfindungsgemäße Induktionskochfeld werden die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Kochfeldplatte beschriebenen Vorteile für ein Induktionskochfeld nutzbar gemacht. Dabei kann auf alle mit Bezug auf die Induktionsheizvorrichtung beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Erläuterte Vorteile gelten entsprechend.
Weiter bevorzugt ist das Induktionskochfeld als Flächeninduktionskochfeld ausgebildet. Derartige Flächeninduktionskochfelder benötigen üblicherweise sehr viele Schwingkreise, wobei sich gerade in diesem Fall eine besonders hohe Einsparung an Bauteilen durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ergibt.
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. Die Unterteilung der Anmeldung in Zwischen-Überschriften und einzelne Abschnitte beschränkt 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 zeigen:
Es sei verstanden, dass zwischen dem gezeigten vierten Schwingkreis 24 und dem gezeigten fünften Schwingkreis 25 beliebig viele weitere Schwingkreise, welche in
Die jeweiligen ersten Pole 211, 221, 231, 241, 251 der Schwingkreise 21, 22, 23, 24, 25 sind alle mit einer gemeinsamen Versorgungsleitung 30 verbunden. Diese stellt eine gemeinsame, alternierende Versorgungsspannung für alle Schwingkreise 21, 22, 23, 24, 25 bereit.
Hierzu ist die Versorgungsleitung 30 mit einem ersten Versorgungstransistor TV1 und einem zweiten Versorgungstransistor TV2 verbunden. Dabei ist der erste Versorgungstransistor TV1 an seinem der Versorgungsleitung 30 gegenüberliegenden Pol mit einer Quelle 40 einer Zwischenkreisspannung verbunden, welche eine gleichgerichtete und geglättete Spannung bereitstellt. Der zweite Versorgungstransistor TV2 ist an seinem der Versorgungsleitung 30 gegenüberliegenden Pol mit dem Masseanschluss verbunden. Die beiden Versorgungstransistoren TV1, TV2 sind mit einer Versorgungstreiberschaltung TR_V verbunden, welche sie abwechselnd alternierend leitend und nichtleitend schaltet. Dies bedeutet, dass immer einer von beiden Versorgungstransistoren TV1, TV2 leitend und der andere nichtleitend ist. Dies erzeugt ein kontinuierlich wechselndes Potential an der Versorgungsleitung 30, welches zum Betrieb der Schwingkreise 21, 22, 23, 24, 25, also zu deren Anregung, geeignet ist. Beispielsweise werden die Versorgungstransistoren TV1, TV2 mit einer Frequenz angesteuert, welche der Resonanzfrequenz der Schwingkreise 21, 22, 23, 24, 25 entspricht. Diese Resonanzfrequenz ist vorteilhafterweise bei allen Schwingkreisen 21, 22, 23, 24, 25 identisch.
Die Quelle 40 der Zwischenkreisspannung weist eine gepulste Spannungsquelle U1 und einen Zwischenkreiskondensator CZ auf. Die gepulste Spannungsquelle U1 liefert eine gleichgerichtete, aber noch nicht geglättete pulsierende Spannung. Der Zwischenkreiskondensator CZ glättet diese Spannung, so dass an dem angeschlossenen Pol des ersten Versorgungstransistors TV1 eine geglättete Spannung anliegt.
Die bereits erwähnten Dioden bzw. Freilaufdioden D1, D2, D3, D4, Dn sind mit ihrer jeweiligen Kathode ebenfalls an die Quelle 40 der Zwischenkreisspannung angeschlossen. Damit können Spannungsspitzen, welche insbesondere beim Ausschalten eines jeweiligen Schalttransistors T1, T2, T3, T4, Tn aufgrund der Entmagnetisierung der Spule auftreten können, in vorteilhafter Weise abgeleitet und rückgeführt werden. Sie stehen somit zum Betrieb der Induktionsheizvorrichtung 10 wieder zur Verfügung und beschädigen kein Bauteil.
Die Versorgungstreiberschaltung TR_V und die Schalttreiberschaltungen TR1, TR2, TR3, TR4, TR_n sind mit einer elektronischen Steuerungseinrichtung 50 verbunden, welche von einem Benutzer in nicht dargestellter, aber bekannter Weise Anweisungen zum Betrieb der Induktionsheizvorrichtung 10 empfängt. Dementsprechend werden die Versorgungstreiberschaltung TR_V und die Schalttreiberschaltungen TR1, TR2, TR3, TR4, TR_n derart angesteuert, dass die Transistoren TV1, TV2, T1, T2, T3, T4, Tn so geschaltet werden, dass sie die gewünschte Leistungsabgabe an den Induktionsspulen L1, L2, L3, L4, Ln erzeugen. Insbesondere werden hierzu die Schalttreiberschaltungen TR1, TR2, TR3, TR4, TR_n derart angesteuert, dass sie die Schalttransistoren T1, T2, T3, T4, Tn gepulst leitend schalten. Die gewünschte Leistungsabgabe kann dabei durch das Tastverhältnis eingestellt werden.
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