DE2559502A1

DE2559502A1 - Induktions-heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2559502A1
Application number: DE19752559502
Authority: DE
Inventors: Mitsuyuki Kiuchi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1974-05-17
Filing date: 1975-05-16
Publication date: 1976-11-25
Also published as: DE2559503C3; DE2521941C3; CA1047120A; DE2521941A1; GB1472492A; FR2271735A1; AU8113975A; DE2521941B2; SE7505490L; SE408518B; FR2271735B1; DE2559503B2; DE2559502B2; US4320273A; NL7505810A; DE2559503A1; US4275281A

Description

TlEDTKE - BüHLING - KlNNE - GrI.PH

Dipl.-Chem. Bühling Dipl.-Ing. Kinne

2559502 ^Dip!""^ln9'^Grupe

8000 München 2, Postfach 202403 Bavariarlng 4

Tel.: (0 89)53 9653-56

Telex: 5 24845 tipat

cable. Germaniapatent München

26. Juli 1976 B 7522/case PG50-7620-1

Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd., Kadoma, Osaka (Japan)

Induktions-Heizvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Induktions-Heizvorrichtung mit einer Heizeinheit, die wenigstens eine Heizspule enthält und mit einem statischen Umformer zwischen einer Wechselstromquelle und der Heizeinheit, der den zugeführten Wechselstrom in einen Hochfrequenzstrom umformt und dadurch ein kommu.-tierendes Magnetfeld in der Heizspule erzeugt/ wobei der Umformer einen Umschalter aufweist, der an einer Steuerelektrode triggerbar ist, um den Hochfrequenzstrom mit einer der Triggerfrequenz gleichen Frequenz zu kommutieren.

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Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804 OftlGlNAL.

-JL-

Bei einer Induktions-Heizvorrichtung wird gewöhnlich ein statischer Umformer verwendet, der aus wenigstens einer Heizspule, einem Resonanzkondensator und einer Festkörper-Schalteinrichtung aus Halbleiterelementenbesteht. Wenn die Induktions-Heizvorrichtung als Kochgerät verwendet wird und durch eine Last, beispielsweise eine Koch- oder Bratpfanne, die in der Nähe der Heizspule abgesetzt wird, belastet wird, schwankt die von der Schaltung einschließlich der Heizspule erzeugte Impedanz in einem weiten Bereich je nach dem Material, das die an die Heizspule angekoppelte Last bildet. Dadurch ergeben sich unerwünscht hohe Schwankungen in den Arbeitsbedingungen der Heizspule und des Umformers und insbesondere bei den Halbleiterelementen, die den Umschalter bilden. Diese Gefahr ist besonders beim Einschaltbetrieb der Vorrichtung und in einem solchen Zustand ausgeprägt, bei dem die Heizspule einer zunehmenden Last ausgesetzt wird« Die Schwankungen in den Betriebsbedingungen des Umformers und der Heizspule sind Ursache für ungewöhnliche Strom- oder Spannungsänderungen an der Heizspule. Daraus ergibt sich die Gefahr, daß die Heizspule durchbrennt und das in der Heizvorrichtung enthaltene Isoliermaterial zerstört wird.

Es ist bereits eine Induktions-Heizvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt (DT-OS 2 3o4 411). Bei der bekannten Vorrichtung besteht die Heizeinheit aus der Reihenschaltung der Heizspule mit einem Filterkondensator, deren beider Resonanzfrequenz im unbelasteten Zustand der Heizspule unterhalb der Frequenz des vom statischen Umformer gelieferten Speisewechsel Stroms ist. Um einen möglichst sinusförmigen Laststrom in der Heizspule zu erhalten, ist jedoch der Unterschied der beiden genannten Frequenzen nicht sehr hoch. Eine Belastung der Heizspule durch eine Bratpfanne oder dergleichen führt zu einer Verringerung der Induktivität der Heizspule und damit zu einer Erhöhung der von dieser Induktivität beeinflußten Resonanzfrequenz. Diese Resonanzfrequenz kann dadurch größer als die Frequenz des Speisewechselstroms werden. In einem solchen Fall schwingt je-

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doch der statische Umformer nicht oder nur schwer an. Zur Lösung dieses Problems ist bei der bekannten Induktions-Heizvorrichtung eine veränderliche Induktivität vorgesehen, die mit der Heizspule in Reihe geschaltet und so mit einem Hauptschalter gekuppelt ist, daß sie unmittelbar nach dem Einschalten einen hohen Wert aufweist, der sich nach Erreichen eines stabilen Arbeitszustands des Umformers verringert. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die Resonanzfrequenz der den Umformer belastenden Heizeinheit einschließlich der zusätzlichen Induktivität unterhalb der Frequenz des Umformers liegt, so daß dieser sicher anschwingen kann.

Es ist auch bekannt, einen stabilen Betrieb des Umformers durch eine Änderung der Resonanzfrequenz des Umformers zu erzielen. Hierzu waren jedoch bislang aufwendige Schaltungen erforderlich, die zu einer Herabsetzung der Betriebssicherheit und einer Erhöhung der Herstellungskosten führten.

Aus der DT-OS 2 317 565 ist ein Induktions-Heizgerät bekannt, bei dem die Heizeinheit in ihrer Resonanzfrequenz von einem selbsterregten Oszillator gespeist wird. Der selbsterregte Oszillator ist mit einer Startschaltung versehen, die sein Anschwingen ermöglicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Induktionsheizeinrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß mit einfachen Mitteln beim Einschalten der Vorrichtung ein schnelles Erreichen des stabilen Arbeitszustands des statischen Umformers gewährleistet ist. -

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Anspruch 2 enthält eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Lösung.

Erfindungsgemäß besitzt die Induktions-Heizeinrichtung eine Steuereinrichtung, die den Umschalter während der anfängli-

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chen Betriebsstufe mit einer bestimmten Frequenz triggert und danach die Triggerfrequenz für den Umschalter auf einen vorgegebenen Normalwert verstellt- Die Steuerschaltung besitzt eine Frequenzsteuereinrichtung, die den Umschalter während der anfänglichen Betriebsstufe mit einer bestimmten Frequenz triggert, die höher als die Normalfrequenz ist. Ferner besitzt die Steuerschaltung einen Zeitgeber, der eine der anfänglichen Betriebsstufe entsprechende Verzögerungszeit auf v/eist und die Frequenzsteuereinrichtung nach Ablauf der Verzögerungszeit derart betätigt, daß die Triggerfrequenz des Umschalters auf die Normalfrequenz reduziert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, teilweise in Blockform, einer allgemeinen Anordnung der erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung,

Fig. 2a bis 2c graphische Darstellungen von Beispielen für die Triggerimpulse (Fig. 2a), die an den Halbleiterumschalter in dem Umformer der in Fig. 1 gezeigten Anordnung angelegt werden, den Strom (Fig. 2b), der durch den Umschalter fließt, wenn die Triggerimpulse von Fig. 2a auftreten, und die Spannung (Fig. 2c), die über dem Umschalter auf- - gebaut wird, wenn der in Fig. 2b gezeigte Strom durch ihn hindurchfließt,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Widerstand der Heizspule und der Abschaltzeit des Umschalters bei verschiedenen Schwingungsfrequenzen des statischen Umformers der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wiedergibt,

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Fig. 4 eine schematische Darstellung, teilweise in Blockform,

eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung.

Figur 1 zeigt die grundlegende Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung. Die Induktions-Heizvorrichtung weist einen statischen Umformer 3o mit einer Gleichrichtereinheit 32 auf, die an eine Wechselstromquelle 34 angeschlossen ist und einen positiven und einen negativen Ausgangsanschluß 36 bzw. 36' hat. Die Gleichrichtereinheit 32 ist ein Vollwellenbrückengleichrichter, der aus den Dioden 32a, 32b, 32c und 32d besteht, die in einer diametralen Brücke zwischen den positiven und negativen Anschlüssen 36 und 36' angeschlossen sind. Zv/ischen den Anschlüssen 36 und 36' ist eine Reihenschaltung aus einer den Strom begrenzenden Spule 38 und einem Halbleiterumschalter 4o angeschlossen, der aus einer Parallelschaltung eines Thyristors 42 und einer Diode 44 besteht, die gegensinnig gepolt sind, über dem Umschalter 4o, der auf diese Weise aus dem Thyristor 42 und der Diode 44 aufgebaut ist, ist eine Reihenschaltung aus einer kommutierenden Spule 46 und einem kommutierenden Kondensator 4Ö angeschlossen, die einen Schwingkreis bilden. Der Thyristor 42 und die Diode 44 sind daher mit ihren entsprechenden Anoden- und Kathodenanschlüssen parallel durch die Strombegrenzerspule 38 mit dem positiven Ausgangsanschluß 36 der Gleichrichtereinheit 32 und durch die kommutierende Spule 46 mit einer Elektrode des kommutierenden Kondensators 48 verbunden. Die jeweils anderen Kathoden- und Anodenanschlüsse sind mit dem negativen Anschluß 36' der Gleichrichtereinheit 32 und mit der anderen Elektrode des kommutierenden Kondensators 48 verbunden.

Der auf diese Weise gebildete statische Umformer 3o hat einen positiven und einen negativen Ausgangsanschluß 5o bzw. 5o' und ist mit einer Induktions-Heizeinheit 5 2 verbunden, die aus einer Reihenschaltung eines Filterkondensators 54 und einer Heizspule 56 besteht und zwischen den Ausgangsanschlüssen 5o und 5o* des

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Umformers 3o angeschlossen ist. Der Filterkondensator 54 sperrt den Gleichstrom und ermöglicht, daß nur ein Wechselstrom in die Spule 56 fließen kann. Ein Material oder eine zu beheizende Last, die beispielsweise eine Kochpfanne 58 sein kann, wird in die Nähe der Heizspule 56 gebracht, die gewöhnlich spiralförmig ausgebildet ist.

Die Induktions-Heiζvorrichtung weist ferner eine Steuereinheit 6o mit einem Triggerimpulsgenerator 62 auf, dessen erster Ausgangsanschluß 62a mit dein Gateanschluß 42a des genannten Thyristors 42 und dessen zweiter Ausgang 62b mit der Kathode bzw. der Anode des Thyristors 42 und der Diode 44 verbunden ist. Der Triggerimpulsgenerator 62 ist mit seinen Eingangsanschlüssen mit einer Startsteuerschaltung 6 4 verbunden, um die von dem Umformer 3o während eines anfänglichen Betriebsstadiums erzeugte Schwingungsfrequenz zu steuern.

Im Betrieb wird die von der Vollwellengleichrichtereinheit gelieferte Spannung an den Thyristor 42 abgegeben, der folglich leitfähig gemacht wird, wenn ein Triggerimpuls von dem Triggerimpulsgenerator 62 geliefert v/ird. Wenn der Thyristor auf diese Weise getriggert wird, wird die Spannung über dem Thyristor 42 auf im wesentlichen Null reduziert, so daß ein Wechselstrom, der durch die Gesamtimpedanz der Spulen 38 und 46, der Kondensatoren 48 und 54 und der Heizspule 56 bestimmt ist,durchder Umschalter 4o fließt, der aus dem Thyristor 42 und der Diode besteht. Durch den auf diese Weise erzeugten Wechselstrom wird über dem Kondensator 48 eine Spannung erzeugt, deren Frequenz gleich der Frequenz ist, mit der der Thyristor 42 getriggert wird. Ein Resonanzstrom mit einer Resonanzfrequenz,

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die durch die Kapazität des Filterkondensators 54 und die Induktivität der Heizspule 56 bestimmt ist, fließt daher durch die Heizspule 56, wobei der konimutierende Kondensator 48 als Stromquelle wirkt. In der Kochpfanne 58, die dem sich ändernden Magnetfluß ausgesetzt ist, der durch die Heizspule 56 erzeugt wird, werden daher Wirbelströme erzeugt, so daß die Kochpfanne 58 durch Induktion aufgeheizt wird.

Der Thyristor 42 wird durch die Triggerimpulse ;von dem Triggerimpulsgenerator 62 der Steuereinheit 60 zyklisch eingeschaltet und durch den Wechselstrom ausgeschaltet, der durch die Beihenschaltung der Spule 4 6 und des Kondensators 48 erzeugt wird. In diesem Fall bilden die Spule 4 6 und der Kondensator 48 einen Schwingkreis und sind so gewählt, daß sie eine Resonanzfrequenz f erzeugen, die etwa doppelt so groß wie die Frequenz f. ist, mit der der Thyristor 4 2 von dem Triggerimpulsgenerator 62 getriggert wird. Figur 2a zeigt einen Impulszug, der an dem Gateanschluß 42a des " Thyristors 42 ansteht, während Figur 3b die Wellenform des Stromes zeigt, der durch den Umschalter 40 fließt, welcher aus dem Thyristor." 42 und der Diode 44 besteht. Figur 2c zeigt die Wellenform der Spannung, die über dem Umschalter 40 aufgebaut wird, wenn der Thyristor '42 durch die in Figur 3a gezeigten -Impulse getriggert wird. Der Strom, der in Vorwärtsrichtung durch den Umschalter 4O fließti und durch Ir in Figur 2b dargestellt ist, fließt durch den Thyristor '42, und der Strom, der in Rückwärtsrichtung durch den Umschalter 40 fließt und durch Id dargestellt ist, fließt durch die Diode 44. Die Dauer t ,'während der der Strom Id durch die Diode 44 fließt, wird hier als Abschaltzeit des Umschalters 4O bezeichnet. Wenn die Abschaltzeit t des Umschalters 4O kürzer als die Abschaltzeit des Thyristors ist, wird der Strom · durch den Umschalter 40 nicht kommutiert. Wenn andererseits die Heizspule 56 einer Last, beispielsweise einer Kochpfanne 58, ausgesetzt wird, kann die Heizspule 56 durch ein Ersatzschaltbild dargestellt werden, welches aus einer Reihenschaltung der

Induktivität und des Widerstandes der Spule besteht. Wenn die Resonanzfrequenz f , die durch die Reihenschaltung

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der . Induktivität der Heizspule 56 und der Kapazität des Filterkondensators 54 erzeugt wird, sich der Frequenz f der Schwingung des Umformers, d.h. der Triggerfrequenz f. des Thyristors 42, nähert, wird die ge- _ - -■ --..-nannte Abschaltzeit des Umschalters 40 umso kürzer, umso klei ner die Induktivität der Heizspule 56 kleiner wird.

Figur 3 zeigt die allgemeine Beziehung zwischen dem · ■- - ~. Widerstand der Heizspule 56 und der Abschaltzeit t des Umschalters 40 für verschiedene Schwingungsfrequenzen f , die in der Reihenfolge der Kurven a, b und c kleiner werden, wobei die

Induktivität der Heizspule 56 als unveränderlich angenommen wird. Aus den Kurven a, b und c ist ersichtlich, daß die Abschaltzeit t des Umschalters 40 um so kürzer wird, je geringer die Frequenz f der Schwingung des Umformers 30 ist. Wenn daher die Frequenz f der Schwingung des Umformers 30 höher als die Resonanzfrequenz f der Reihenschaltung des Filterkondensators 54 und der Induktivität der Heizspule 56 gemacht wird,

wird die Abschaltzeit t des Umschalters 40 länger, so daß der Strom des Umformers 30 leichter schwingen kann. Wem jedoch die Schwingungsfrequenz f des Umformers 30 viel größeif als die Resonanzfrequenz f der Reihenschaltung des Filterkondensators 54 und der Induktivität der Heizspule 56 wird, fällt der

Ausgangsstrom des Umformers 30 und folglich der durch die Heizspule 56 fließende Strom in kritischer Weise ab, so daß die Heizspule 56 keinenausreichenden Magnetfluß mehr erzeugen kann. Dieses Problem wird gelöst, wenn der -

Thyristor 42 mit einer Frequenz getriggert wird, die höher als ein vorbestimmtes Normalniveau liegt und wenn der Ausgangsstrom' des Umformers 30 entsprechend auf ein verhältnismäßig niedriges Niveau während des anfänglichen Betriebsstadiums der Induktions-Heizvorrichtung eingestellt wird, und, wenn die Triggerfrequenz des Thyristors 42 herabgesetzt und folglich der Ausgangsstrom des Umsetzers 30 ernöht wird, wenn die Induktions-Heizvorrichtung angelaufen ist und s'ich im stationären Zustand befindet. Dies zeigt sich im Hinblick darauf als vorteilhaft, daß die Abschaltzeit des Umschalters 40 kürzer wird,

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wenn die Heizspule 56 einer durch Induktionsheizung¹ zu beheizenden Last ausgesetzt wird. Figur 4¹zeigt ein Ausführungsbeispiel der Induktionsheizvorrichtung, die diesen Zweck erfüllen kann.

Gemäß Figur 4 besteht die Startsteuerschaltung 64 aus einem Zeitgeber 70 und einer Frequenzsteuerschaltung 72, deren Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß des Zeitgebers 70'und deren Ausgangsanschluß mit dem Triggerimpulsgenerator 62 verbunden ist. Die Frequenzsteuerschaltung 72 wird gleichzeitig mit dem Umformer 3O eingeschaltet und betätigt den Triggerimpulsgenerator 62, so daß dieser einen Impulszug mit einer Frequenz abgibt, die höher als eine vorbestimmte, normale Triggerfrequenz für den Thyristor 42 ist, bis die Frequenzsteuerschaltung 72 ein Ausgangssignal von dem Zeitgeber 70 erhält. Die Frequenzsteuerschaltung 72 wird mit dem Ausgangssignal von dem Zeitgeber 70 nach einem vorbestimmten Zeitintervall nach Einschalten des Umformers 30 beaufschlagt, worauf die Frequenz der von dem Triggerimpulsgenerator 62 abgegebenen Impulse auf ein vorbestimmtes ,isiormalniveau unter der Steuerung der Frequenzsteuerschaltung 72 reduziert wird.

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Claims

Paten tau Sprüche

1. Induktions-Heizvorrichtung mit einer Heizeinheit, die wenigstens eine Heizspule enthält und mit einem statischen Umformer zwischen einer Wechselstromquelle und der Heizeinheit, der den zugeführten Wechselstrom in einen Hoch frequenz strom umformt und dadurch ein kommutierendes Magnetfeld in der Heizspule erzeugt, wobei der Umformer einen Umschalter aufweist, der an einer Steuerelektrode triggerbar ist, um den Hochfrequenzstrom mit einer der Triggerfrequenz gleichen Frequenz zu kommutieren, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (60), die den Umschalter (4o) mit einer bestimmten Frequenz triggert, die in Beziehung zur Spannung steht, welche dem Umformer (3o) während des normalen Betriebs eingeprägt wird, und die den Umschalter mit einer höheren Frequenz v/ährend einer bestimmten Zeit nach dem Einschalten des Umformers triggert.

2. Induktions-Heizvorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Steuereinrichtung (60) einen mit der Steuerelektrode des Umschalters (4o) verbundenen Triggerimpulsgenerator (62) aufweist, daß der Triggerimpulsgenerator einen ersten Betriebszustand besitzt,in dem er Triggerimpulse einer bestimmten Frequenz erzeugt, sowie einen zweiten Betriebszustand,in dem er Triggerimpulse einer höheren Frequenz erzeugt, daß mit dem Triggerimpulsgenerator eine Frequenzsteuerschaltung (72) verbunden ist, die ihn zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand verstellt, und daß ein Zeitgeber (7o) vorhanden ist, der auf das Einschalten des Umformers (3o) anspricht, und die Frequenzsteuerschaltung während der bestimm-

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ten Zeit nach dem Einschalten des Umformers in einem dem zweiten Betriebszustand des Triggerimpulsgenerators entsprechenden Zustand hält und nach Ablauf der bestimmten Zeit die Frequenzsteuerschaltung in einen Zustand umstellt, der dem ersten Betriebszustand des Triggerimpulsgenerators entspricht.

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