DE69528461T2

DE69528461T2 - Energiewandler für heizeinheiten für nährungsmittel

Info

Publication number: DE69528461T2
Application number: DE69528461T
Authority: DE
Inventors: E Dahl
Original assignee: Electrolux AB
Current assignee: Electrolux AB
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1995-02-10
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2015-02-11
Also published as: ATE225593T1; ES2184790T3; WO1995022237A1; EP0769238A1; DK0769238T3; EP0769238B1; DE69528461D1; AU1705295A; US6043470A

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiewandler zur Verwendung in Verbindung mit Heizeinheiten für Nahrungsmittel, umfassend ein erstes Selbstinduktionselement, das als Frequenzbestimmungselement in einem parallelen Resonanzkreis und ferner als Primärwicklung in einem Transformator zur Übertragung von Energie funktioniert.
Es ist bekannt, Nahrungsmittel durch induktive Erwärmung eines Kochgefäßes zu erhitzen. Hierfür wird eine hochfrequente Energiequelle mit einer Spule verbunden, welche die Energie an das Kochgefäß koppelt, welches die Nahrungsmittel enthält. Die Energie wird abgegeben, wobei Verluste in dem Boden des Gefäßes, der eine bestimmte Leitfähigkeit aufweist und Ferromagnetisch ist, so dass die Kraftlinien teilweise in dem Material des Gefäßes verlaufen, teilweise zu Hystereseverlusten beitragen. Die Konstruktion kann als ein Transformator mit der Spule als Primärwicklung und dem Kochgefäß als Sekundärwicklung oder als Energiewandler, der nahezu als Kurzschlussschaltung funktioniert, betrachtet werden. Durch eine andere Auslegung der Bauteile können ähnliche Schaltungen in einem Backofen verwendet werden, wobei ein geschlossenes Volumen das Nahrungsmittel und die Energiewandler umgibt, wobei sich die Primärwicklung außerhalb befindet.
Bei der Konstruktion einer Induktionsheizeinheit für Nahrungsmittel zur Verwendung für zu Hause ist es wesentlich, dass ein hoher Wirkungsgrad für die Umwandlung der Energie von dem Netz in Hochfrequenzenergie bereitgestellt wird, da ein niedriger Wirkungsgrad Verluste und somit die Entwicklung von Wärme an anderen Orten als im Kochgefäß, wo sie erforderlich ist, verursacht. Diese Wärmeentwicklung tritt hauptsächlich in Spulen und Halbleitern auf, und die kompakte Konstruktion der Ausstattung, die heute erforderlich ist, führt zu Schwierigkeiten bei der Ableitung der entstandenen Wärme. Einige Prinzipien zum umwandeln der Energie können verwendet werden, beispielsweise ein Oszillator, dessen Ausgangssignal in einem ansonsten linearen Verstärker verstärkt wird, oder ein selbstoszillierender Leistungsoszillator. Es hat sich herausgestellt, dass der letztere üblicherweise den besten Wirkungsgrad bereitstellt.
Die Verzerrung der erzeugten Hochfrequenzoszillation muss niedrig sein, da die Abstrahlung von Oberschwingungen vermieden werden soll, welche ansonsten elektromagnetische Interferenz verursacht, welche wegen der höheren Frequenz störend sein kann. Ferner würden Hochfrequenzkomponenten einfacher als Strahlung von dem energieübertragenden Transformator entweichen, was zu Zuständen führt, die durch genaue Gesundheitsvorschriften geregelt sind, wobei höhere Frequenzen als schwerwiegender eingestuft werden. Das Erfordernis einer geringen Verzerrung bedeutet im Falle eines Oszillators, das entweder der Oszillationskreis geringe Verluste aufweist, das heißt einen hohen Q-Wert, oder die Energiezuführ ansonsten derart erfolgen muss, dass nur Übergänge erzeugt werden, die durch den Resonanzkreis herausgefiltert werden können. Bestimmte Energiewandlungsverfahren führen zu einer Verzerrung des Stroms, welche jedoch nicht zu praktischen Problemen in Bezug auf den Ausgangsstrom führt, sofern nicht Halbleiterelemente gesteuert werden, um den Strom bei einem Wert abzubrechen, der unterschiedlich von Null ist, was zu einer Rauschstrahlung zurück zum Netz führt. Um die Netzfrequenzenergie in Hochfrequenzenergie umzuwandeln, wird in einem ersten Schritt eine Gleichrichterschaltung verwendet, welche gewöhnlich von dem Typ ist, der beide Halbperioden verwendet. In einem zweiten Schritt können aktive Komponenten dazu beitragen, Energie in den Resonanzkreis in einer sogenannten Inverterschaltung zuzuführen. Solche aktiven Komponenten sollten aus Gründen der Verlässlichkeit nicht zu nahe an ihrer maximalen Leistungsfähigkeit belastet werden.
In der EP-A-0 054 445 ist eine Konstruktion einer Inverterschaltung zur Verwendung in einer Induktionsheizung für Nahrungsmittel beschrieben. Diese löst die speziellen Probleme von Thyristor-Invertern, wie zum Beispiel die Unfähigkeit, einen Strom nur während eines Nulldurchgangs abzuschalten. Der parallele Resonanzwandlerkreis wird durchflossen, wenn die Thyristoren in ihrem ausgestalteten Zustand sind, und er ist somit in der Lage, seine Oszillationsenergie der Last zuzuführen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Wandlerschaltung der oben beschriebenen Art bereit zu stellen, welche eine guten Wirkungsgrad und Reinheit der Oszillation aufweist und welche die Verwendung von Komponenten ermöglicht, die nicht ausgedehnten, sondern kurzen Überspannungen und Überströmen ausgesetzt sind. Ferner ist es Aufgabe, eine Schaltung bereit zu stellen, die dahingehend intrinsisch sicher ist, dass keine Hochfrequenzenergie erzeugt wird, falls der Energiewandler keine Last aufweist.
Dies wird durch eine Konstruktion für einen Energiewandler erreicht, die sich dadurch auszeichnet, dass sie ferner ein zweites Selbstinduktionselement umfasst, welches zusammen mit den Komponenten des Resonanzkreises einen Serienresonanzkreis bildet, dessen Resonanzfrequenz höher ist als die Resonanzfrequenz für den parallelen Resonanzkreis. Eine solche Konstruktion wird im folgenden Hybrid-Resonanzkreis genannt. Sie macht sich den Vorteil der Verwendung eines parallelen Resonanzkreises zu Nutze, welcher ein oszillierendes System bildet, ohne dass seine Ströme durch verlustreiche Halbleiterkomponenten laufen müssen, und sie macht sich den Vorteil eines Serienresonanzkreises zu Nutze, der die Halbleiterkomponenten keinen hohen Anfangsströmen während der Zufuhr von Energie aussetzt, und sie bietet ferner die Möglichkeit, die Energiezufuhr in einem Nulldurchgang des Stroms abzuschalten.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das weitere Selbstinduktionselement außerhalb des Wandlers angeordnet. Dies hat den Vorteil, das die Selbstinduktion, die während des normalen Betriebs für die richtige temporäre Energiezufuhr in dem parallelen Resonanzkreis verantwortlich ist, als ein Strombegrenzer im Falle eines Kurzschlusses wirkt, so dass sowohl die Gleichrichter- als auch die Inverter-Schaltung zumindest bis zu dem Zeitpunkt geschützt sind, bis ein elektronisches Überwachungssystem oder eine Sicherung die Verbindung mit dem Netz unterbrechen kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird Energie in den parallelen Resonanzkreis während beider Halbperioden zugeführt. Somit wird die Energiezufuhr dahin gehend gleichmäßiger, dass der individuelle Strompuls im Vergleich zu einer Konfiguration, die einen Schalter verwendet, vermindert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine vollkommen symmetrische Konstruktion bereit gestellt, in der ein erster Satz von gegenüberliegenden Schaltern in einer Brücke im Teil einer ersten Halbperiode leitet und ein zweiter Satz von gegenüberliegenden Schaltern im Teil von einer zweiten Halbperiode leitet, in welcher der parallele Resonanzkreis als Brückendiagonale vorgesehen ist. Somit wird die Möglichkeit der maximalen Betriebsspannung für eine vorgegebene Netzspannung erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das zweite Selbstinduktionselement in Reihe mit dem parallelen Resonanzkreis in der Brückendiagonale angeordnet. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Frequenzbestimmungskomponenten physikalisch nahe zueinander anzuordnen. In Bezug auf die Verluste gibt es keinen Unterschied zwischen dieser Anordnung des zweiten Selbstinduktionselements und der oben beschriebenen Anordnung, da der Strom von diesem Selbstinduktionselement die gleiche Anzahl von Halbleiterelementen passieren muss, um in den parallelen Resonanzkreis zu gelangen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zwei oder mehrere Wandlerschaltungen mit einer gleichgerichteten Netzspannung verbunden, wobei sie abwechselnd oder gleichzeitig aktiv sind. Vorausgesetzt, dass eine geeignete Steuerung der Zeitintervalle, in denen diese Schaltungen das Netz beanspruchen, bereitgestellt wird, wird ein guter Wirkungsgrad sogar während des gleichzeitigen Betriebs gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Speicherkondensator für die Gleichspannung nach dem Gleichrichter angeordnet. Wenn die Spannung auf einem höheren Mittelwert gehalten wird, wird der Strom für eine vorgegebene Leistung weniger, wodurch unerwünschte Widerstandsverluste vermindert werden. Dadurch wird auch eine gleichzeitige Aktivität in zwei oder mehreren Inverterschaltungen einfacher steuerbar.
In einer vorteilhaften Konstruktion gemäß der Erfindung wird ein Ferrit- oder Pulvereisen- Schalenkern für das erste Selbstinduktionselement verwendet. Auf diese Art und Weise wird sichergestellt, dass die Verluste, welche den Energiewandler belasten, hauptsächlich in dem Kochgefäß oder dem Ofenraum auftreten, der zu beheizen ist. Hierdurch wird der Unterschied zwischen der Energie, die während eines nicht belasteten Zustands absorbiert wird, und der Energie während des Betriebs so groß wie möglich, wobei gleichzeitig die Strahlung minimiert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Energieaufnahme durch die Messung des Stroms gemessen, der dem Resonanzkreis zugeführt wird. Auf diese Art und Weise wird eine Möglichkeit geschaffen, die Energiezufuhr abzuschalten, falls die Heizeinheit nicht belastet ist, und es wird auf diese Art und Weise unerwünschte Strahlung vermieden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden charakteristische Eigenschaften des Stroms in dem parallelen Resonanzkreis (Frequenz, Maximalwert oder ähnliches) gemessen, wobei Eingangssignale für die Auswertung des Typ oder der Eignung der Last, beispielsweise falsche Art des Kochgefäßmaterials, für einen effizienten Energieübertrag mittels einer Steuerschaltung bereit gestellt werden.
Die Erfindung wird im Detail im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, bei denen:
Fig. 1 ein Diagramm in schematischer Form für einen Hybrid-Resonanzkreis gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 2 zwei Beispiele eines Hybrid-Resonanzwandlers, dass heißt Invertern, welche einen Hybridresonanzkreis verwenden, zeigt;
Fig. 3 eine Anzahl von Resonanzwandlern zeigt, die parallel mit einer gemeinsamen Gleichstromverbindung geschaltet sind, und
Fig. 4 einen Resonanzwandlerkreis mit einem Glättungskondensator im Bereich der Gleichstromzufuhr zeigt.
In Fig. 1 ist ein paralleler Resonanzkreis gezeigt, der aus einem Kondensator CR besteht, der parallel zu einem Selbstinduktionselement LR geschaltet ist, das wiederum in Reihe mit einem Selbstinduktionselement L1 verbunden ist. CR und LR definieren eine Eigenresonanz für den parallelen Resonanzkreis. Wenn LR in Verbindung mit einer Heizvorrichtung für Nahrungsmittel belastet wird, gibt es Verluste in dem parallelen Resonanzkreis und diesen muss Energie zugeführt werden, um die Oszillation fortzusetzen und somit Energie mit der Resonanzfrequenz zu liefern. Diese Energie muss auf bekannte Art und Weise mit richtiger Phase zugeführt werden, wobei es gleichzeitig vermieden werden muss, dass ein großer Überstrom durch die Halbleiterelemente auftritt, die in der Praxis verwendet werden, um den parallelen Resonanzkreis mit der Gleichstromversorgung zu koppeln. An diesem Ende macht man sich die Eigenschaften von L1 zu Nutze, welches durch geeignete Dimensionierung, die für den Fachmann keine Schwierigkeit darstellt, einen Serienresonanzkreis mit insbesondere dem Kondensator CR mit einer höheren Frequenz als derjenigen des parallelen Resonanzkreises erzeugt. Diese Serienresonanz hat nicht die Zeit, eine komplette Oszillation zu entwickeln, sie beeinflusst jedoch die Art und Weise, in der der Strom in dem Selbstinduktionselement L1 von Null anwächst, was bedeutet, dass die temporäre Entwicklung des zugeführten Strompulses zum parallelen Resonanzkreis gesteuert wurde. Durch einfache physikalische Mittel wurde eine Steuerung der Pulsform erhalten, welche ansonsten nur mit komplexen Pulsformungsschaltungen erreicht wurde.
In Fig. 2a ist ein Hybrid-Resonanzwandler in der Form eines Hybrid-Resonanzkreises gezeigt, der Teil einer gesteuerten Schaltungsbrücke von dem Typ einer vollen Brücke ist. Dieser Typ ist für die Energiezufuhr zu dem parallelen Resonanzkreis in jeder Halbperiode vorgesehen, wofür der zugeführte Strompuls von entgegengesetzter Polarität in den aufeinanderfolgenden Halbperioden sein muss. Dies wird dadurch erreicht, dass entweder die Schalter S1, S4 oder die Schalter S2, S3 leiten, während die anderen abgeschaltet sind. Im Falle, dass S1, S2 oder S3, S4 gleichzeitig leiten sollten, würde ihnen ein Kurzschlussstrom zugeführt werden, der schädlich ist.
Der Aufbau gemäß Fig. 2a vermeidet dies jedoch, da das Selbstinduktionselement L1 die Geschwindigkeit begrenzt, mit der der Strom anwächst, so dass elektronische Sicherungsvorrichtungen, welche nicht dargestellt sind, die Versorgungsspannung UDC abtrennen können.
In Fig. 2b ist eine Konstruktion gezeigt, welche keine Stormbegrenzung aufweist, welche jedoch in Bezug auf die Energiezufuhr auf gleiche Art und Weise funktioniert. Der Vorteil dieser Konstruktion ist, dass die Halbleiterkomponenten für eine geringere Rückwärtsspan nung ausgelegt werden können, da die Betriebsart verursacht, dass L1 eine entgegengesetzte Spannung erzeugt.
In Fig. 3 ist eine Anzahl von Hybrid-Resonanzwandlern des in Fig. 2a gezeigten Typs in Parallelschaltung dargestellt. Diese können beispielsweise in der gleichen Installation eine Anzahl von Kochplatten gleichzeitig mit einer Anzahl von Heizelementen in einem aktivierten Backofen versorgen. In diesem Falle wurden die Schalter S1, S2, S3, S4 durch einen schematischen Block ersetzt, und es ist ersichtlich, dass die parallele Verbindung derart ausgestaltet ist, dass es ein individuelles Reihen-Selbstinduktionselement L1a, L1b, ... L1n für jeden parallelen Resonanzkreis gibt. Die individuellen Hybrid-Resonanzwandler haben etwas verschiede Arbeitsfrequenzen, das stellt aber in der Praxis kein Problem für die Gleichstromversorgung dar. Es ist möglich, einen Ladungskondensator CDC, wie in Fig. 4 gezeigt ist, zu verwenden, aber dieser kann weggelassen werden, wobei es statt dessen erforderlich ist, dass die Spannung des Gleichrichters oberhalb eines Minimalwerts ist, wenn dieser Strom liefern soll. Durch doppelte Gleichrichtung einer Ein-Phasen- Netzspannungsversorgung fällt die Spannung zweimal pro Periode der Netzfrequenz kurz auf Null ab, und es ist somit einfach, die Schalter S1, S2, S3, S4 derart zu steuern, dass sie keine Verbindung mit dem Hybrid-Resonanzwandler herstellen, sofern die Spannung nicht oberhalb von z. B 100 Volt in denjenigen Fällen ist, in denen die Maximalspannung des Netzes 400 Volt ist. Eine solche Steuerung kann entweder synchron mit dem Netz ausgeführt werden, oder sie kann nur die Erfassung des Wertes der gleichgerichteten Netzspannung sein. Im Falle einer 3-Phasen-Netzspannungsversorgung, stellt die bekannte Sixtuplet- Gleichrichtung eine Spannung zur Verfügung, die nicht auf Null abfällt.
Wenn die praktische Konstruktion einen Ladungskondensator, wie in Fig. 4 gezeigt, verwendet, gibt es einen anfänglichen Stromstoß. Dies kann dadurch vermieden werden, dass die Gleichrichterelemente gesteuerte Gleichrichter sind, die ein gesteuertes Anschalt- Verfahren durchführen. Falls kein Ladungskondensator wie in Fig. 4 gezeigt verwendet wird, tritt eine rein ohmsche Last am Netz auf, und somit braucht man keine langsamere Anschaltfunktion. Ebenso sind keine Phasenkompensationsmittel erforderlich. Häufig wird ein Rauschfilter für das Netz zum Zwecke der Rauschübertragung auf das Netz erforderlich.
Um eine gute Kopplung an das Energieübertragungselement zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, eine Schalenkern als den Kern für das Selbstinduktionselement LR zu verwenden. Ein solcher Kern wird durch einen ringförmigen Graben gebildet, in dem die Wicklung angeordnet ist und er weist einen zentralen Schenkel und einen umgebenden Ring auf, wobei alle magnetischen Teile aus Ferritmaterial oder einem Material ähnlich zu Ferrit hergestellt sind. Das entscheidende dabei ist, dass Wirbelstromverluste in dem Kern gering sind. Auf Grund der guten Kopplung besteht die Möglichkeit, dass eine Messung von charakteristischen Werten der Ströme und Spannungen, die in dem parallelen Resonanzkreis auftreten (Frequenz, Amplitude, Wellenform), Informationen darüber bereitstellen können, ob ein Kochtopf fehlt oder nicht richtig plaziert ist, oder ob ein Topf aus falschem Material besteht, beispielsweise ob magnetisches Material fehlt. Die Messung des Stromes in dem Serienresonanzkreis kann auf ähnliche Weise als Eingangswerte für Sicherheitsschaltungen verwendet werden.

Claims

1. Energiewandler zur Verwendung in Verbindung mit Heizeinheiten für Nahrungsmittel, umfassend ein erstes Selbstinduktionselement (LR), das als Frequenzbestimmungselement in einem parallelen Resonanzkreis (CR, LR) und ferner als Primärwicklung in einem Transformator zur Übertragung von Energie funktioniert, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner ein zweites Selbstinduktionselement (L1) umfasst, das zusammen mit den Komponenten (CR, LR) des Resonanzkreises einen Serienresonanzkreis (L1, CR, LR) bildet, dessen Resonanzfrequenz größer ist als die Resonanzfrequenz für den parallelen Resonanzkreis (CR, LR).

2. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Selbstinduktionselement außerhalb des Wandlers angeordnet ist.

3. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler von einem Typ ist, der Energie in einen parallelen Resonanzkreis (CR, LR) während beider Halbperioden zuführt.

4. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler vollkommen symmetrisch konstruiert ist, dass ein erster Satz von diagonal gegenüberliegenden Schaltern (S1, S4) in einer Brücke in dem Teil einer ersten Halbperiode leitet und ein zweiter Satz von diagonal gegenüberliegenden Schaltern (S2, S3) im Teil einer zweiten Halbperiode leitet und dass der parallele Resonanzkreis (CR, LR) als Brückendiagonale vorgesehen ist.

5. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Selbstinduktionselement (L1) in Reihe mit dem parallelen Resonanzkreis (CR, LR) in der Brückendiagonale angeordnet ist.

6. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Wandlerschaltungen mit der gleichgerichteten Netzspannung verbunden sind, wobei sie abwechselnd oder gleichzeitig aktiv sind.

7. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicherkondensator (CDC) für eine gleichgerichtete Gleichspannung nach dem Gleichrichter angeordnet ist.

8. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ferrit- oder Pulvereisenschalenkern für das erste Selbstinduktionselement (L1) verwendet wird.

9. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieaufnahme durch die Messung eines Stroms, der dem Resonanzkreis zugeführt wird, gemessen wird.

10. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Messung der charakteristischen Eigenschaften eines Stroms in dem parallelen Resonanzkreis (CR, LR) Eingangssignale zur Auswertung des Typs und Eignung einer durch die Heizeinheit zu erwärmenden Last mittels einer Steuerschaltung liefern.