EP2384083A1 - Switching assembly for an induction cooker, method for operating the switching assembly and induction cooker - Google Patents
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- EP2384083A1 EP2384083A1 EP11405248A EP11405248A EP2384083A1 EP 2384083 A1 EP2384083 A1 EP 2384083A1 EP 11405248 A EP11405248 A EP 11405248A EP 11405248 A EP11405248 A EP 11405248A EP 2384083 A1 EP2384083 A1 EP 2384083A1
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- H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
- H05B6/02—Induction heating
- H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
- H05B6/062—Control, e.g. of temperature, of power for cooking plates or the like
Definitions
- the invention is in the field of induction devices for the catering industry and, in particular, relates to an improved control of induction cooking appliances, which takes into account different inductances of cookware materials and is especially suitable for multi-hob appliances.
- the problem is that the magnetic fields of the individual, operated at different frequencies, induction coils of cooktops, influence or interfere with each other. This influence, in particular unwanted noise, can be prevented by operating all hobs at the same frequency.
- this in turn has the disadvantage that only one frequency is available.
- the inductance resonant circuit no longer operates at a desired or optimum frequency (resonant frequency).
- you can not easily work with independent power level.
- the variation of the resonant frequency may cause, depending on the switching frequency, individual switches of the power stage to be switched on under voltage, and / or that a short circuit over the power stage occurs for a short time until a corresponding freewheeling diode blocks. This leads to circuit losses.
- a solution to this problem is that an external protection circuit of the power stage switches is made (snubber circuit). Although such an external circuit can not prevent unsuitable operating points, at least higher inrush currents can be absorbed. However, this still leads to switching losses. Such a circuit is also quite complex and correspondingly expensive.
- the object is achieved by the circuit arrangement, the method for driving the circuit arrangement and the induction cooking appliance, as described in the independent claims.
- the inventive circuit arrangement for an induction cooking appliance has a resonant circuit with at least one induction coil for inductive heating of an induction cookware and at least one capacity.
- the resonant circuit includes a variable circuit element for varying the inductance and / or the capacitance of the resonant circuit.
- the variable circuit element is preferably by at least one controllable throttle formed, wherein this at least one controllable throttle, for example, controlled by DC (transductor).
- a switching frequency which corresponds to a drive frequency of the power stage of the circuit arrangement should always be greater than a resonance frequency of the resonant circuit. If a switching frequency is less than or equal to the resonance frequency, resonance operation is practically uncontrollable. In addition, smaller frequencies cause unwanted audible noise.
- a reduction in the output power is achieved by reducing the resonant frequency of the oscillatory circuit by means of variation of the variable circuit element.
- a further reduction of the output power is achieved by a reduction of a modulation level of a feeding alternating voltage.
- variable circuit element By varying the variable circuit element, it is ensured that a switch of a bridge circuit for supplying the resonant circuit is in each case switched on without current.
- a transistor is turned on without power, preferably only when an associated freewheeling diode is energized.
- no corresponding protective circuit is required, and their switching losses omitted.
- short circuits can be prevented via the power supply.
- the circuit arrangement is preferably constructed in such a way that when a current-conducting transistor of a bridge branch is switched off when driving the circuit, the current is then applied to a freewheeling diode of an opposite one Bridge branches commuted. A transistor of this opposite bridge branch is turned on, during which the freewheeling diode is still in the conducting state. A transistor is thus switched on only in de-energized state.
- the described solution does not subsequently influence inappropriate states for a resonant circuit or a power stage, but completely or almost completely prevents them. Thus, the sometimes massive circuit losses can be prevented.
- variable circuit element is preferably connected in series with the at least one induction coil. If now a cookware with a certain inductance and capacity brought into the sphere of action of the induction coil of the cooking appliance, this will affect the resonant frequency of the resonant circuit. With an increase in the inductance, a resonant frequency of the resonant circuit is reduced. A variation of the resonant frequency is also possible by means of the variable circuit element, wherein with increasing deviation of the resonant frequency from the switching frequency of the power stage, a power output to the resonant circuit and the cooking appliance decreases. For a stepless variation, in particular reduction of the power output is possible, for example, by reducing the resonant frequency at a constant switching frequency.
- a modulation level (or duty cycle) of the power stage is reduced, then a device with very low power can be operated. Due to the reduced resonant frequency can be ensured that - compared with a control which varies only the duty cycle - at high duty cycles, a switch or transistor turns off power.
- variable circuit element influences of different inductances or capacities of cookware materials on the inductance and possibly also the capacitance of the resonant circuit and thus its resonant frequency are compensated by the variable circuit element.
- a caused by an induction cookware frequency change of the resonant circuit can be compensated by a variation of the controllable circuit element again.
- a control is preferably carried out automatically, in which is set to a predetermined, preferably constant frequency.
- a variable circuit element in an optimal state which corresponds for example to a very good induction cookware, not driven.
- an induction cooker equipped with such an improved circuit also has the advantage that the cooking appliance and cookware do not have to be matched or even offered together. With a simple and favorable change, it is also possible to improve existing induction devices and induction devices with multiple induction coils.
- the circuit arrangement according to the invention is preferably operated at a constant switching frequency of a feeding power stage.
- This offers the additional advantage that several induction coils can be arranged next to one another in a device with a multi-hob, as is common in gastronomy and commercial kitchens.
- these devices have a contiguous cooking plate, such as a ceramic plate, which includes several cooktops.
- Each cooktop is preferably associated with one or at least one induction coil, eg, 2.3 or 4 induction coils.
- a control parameter is now introduced directly in the resonant circuit itself.
- the plurality of feeding power stages of the plurality of induction coils are fed by a common DC power supply.
- variable circuit elements which, for example, can cover a wider range of induction / capacitance.
- FIG. 1 a circuit arrangement is shown, as it can be found in conventional induction devices.
- the arrangement has an induction coil 1, capacitances 2 and a power stage 3 connected to a control 4.
- Switches of the power stage are electronic circuit breakers like bsw. Power transistors of various types.
- Schematically drawn is also a cookware 5, which on a hotplate 6, z. B. ceramic plate, provided interacts with the inductance of the induction coil.
- the influence on the induction coil different, but manifests itself in a change in the inductance and / or capacity of the resonant circuit and thus its frequency.
- the frequency or switching frequency used in the power stage control circuit 3 is typically varied between 20-40kHz. With a frequency variation of the switching frequency can be achieved that the resonant circuit is operated in the vicinity of its resonance frequency and an optimum operating point for the resonant circuit and / or the power stage 3 is produced.
- the less optimal or matched to the resonant circuit of the induction device is the material of a cookware, the more energy is applied for the unwanted heating of other circuit components, in particular for circuit losses in the power stage 3. This can lead to a malfunction of an induction device.
- FIG. 2 an embodiment of the inventive circuit arrangement is shown.
- the basic arrangement corresponds to that FIG. 1 , wherein like elements are provided with the same reference numerals.
- a controllable throttle 7 is arranged, which is preferably driven by direct current.
- the device is preferably set so that the default value of the operation of the device is set with a 'good', so ideal, good ferromagnetic cookware.
- a bridge branch in each case includes a transistor T1, T2 and a freewheeling diode D1, D2 associated therewith. Not shown is a DC voltage source, typically a rectifier circuit, which feeds the bridge circuit.
- a choke has an inductance range of typically 0-200 ⁇ H, e.g. 0-20 ⁇ H, 0-50 ⁇ H or 0-100 ⁇ H.
- a throttle has the advantage that it is a relatively cheap and less error-prone circuit element with limited space requirements.
- a very wide induction / capacitance range can be covered by one or more chokes.
- the circuit arrangement shown can be operated with a variable frequency. Then, an optimization of the resonant circuit via the two control parameters frequency and variable switching element can be made.
- the circuit is operated at a constant frequency of, for example, 20kHz. Any frequency change in the resonant circuit caused by the operation of an induction device can then be compensated (to a degree) solely by control of the choke.
- a power output to the resonant circuit or the cooking appliance can be controlled by means of the throttle.
- variable circuit elements there are also other variable circuit elements conceivable with which directly the inductive and / or capacitive properties of the resonant circuit can be controlled.
- a throttle instead of a DC-controlled throttle, a throttle with variably insertable core can be used. Since an influence of a cookware for the most part causes inductance changes, a controllable switching element which directly effects a compensation in the inductance is preferred.
- there are also controlled capacities which can be introduced into the circuit in the form of stepless controllable capacitors or as connected capacitor stages.
- FIGS. 3a to 3c are the voltage applied at the bridge center and thus at the resonant circuit voltage V1, V2, V3 and the coil current I1, I2, I3, according to the circuit according to FIG. 2 , represented as it is in different modes.
- the switching frequency is the same for all three operating modes.
- the arrows with the labels T1, T2, D1, D2 describe through which component the current flows at the appropriate time.
- FIG. 3a a maximum power output is achieved in which the switching frequency is in the vicinity of the resonant frequency of the resonant circuit and a complete modulation (maximum duty cycle) is present.
- the control throttle 7 is deactivated.
- the current curve I1 is on the whole symmetrical. While the upper transistor T1 is conducting, the current flows through the upper bridge branch 8. In the falling phase of the current (about 876 ⁇ s), the upper transistor T1 is turned off. This is done with a certain safety margin to the zero crossing of the current, since the zero crossing is not known precisely due to the variability of the resonant circuit, and since later the lower transistor T2 is to be turned off.
- the current commutates to the lower freewheeling diode D2.
- the switching point S1 at which the transistor T2 of the second, lower bridge branch 9 is turned on, is at 0ampere or shortly before, the transistor is thus turned off and de-energized.
- the transistor T2 can be switched on substantially without voltage and current. After the lower transistor T2 has taken over the current, the current can also flow in the opposite direction to the lower freewheeling diode D2 through the lower bridge branch 9.
- the current will swing back again, and the current will be commutated to the upper freewheeling diode D1 of the upper bridge branch 8 by switching off the lower transistor T2 and then, as long as D1 is conducting, the upper transistor T1 will be switched on.
- FIG. 3b shows the coil current I2 at a medium power, but also full modulation.
- the choke is activated and the resonance frequency is thereby reduced and thus further away from the constant switching frequency of the power stage than at full power output as in FIG. 3a , This can be continuously reduced to a complete saturation of the throttle a power output.
- the control of the transistors T1, T2 is analogous to that at full power.
- the switching point S3 in which the transistor of the second bridge branch is turned on, in contrast to the operation at full modulation time shifted forward, just before the zero crossing of the current. This avoids that current already flows in the 'wrong direction' and the transistor can not be switched on without power.
- variable circuit element is thus used in series with an induction coil in combination with a variable duty cycle of a power stage, in particular an IGBT drive.
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Abstract
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Induktionsgeräte für die Gastronomie und betrifft insbesondere eine verbesserte Steuerung von Induktionskochgeräten, welche unterschiedliche Induktivitäten von Kochgeschirrmaterialien berücksichtigt und speziell auch für Mehrfach-Kochfeld-Geräte geeignet ist.The invention is in the field of induction devices for the catering industry and, in particular, relates to an improved control of induction cooking appliances, which takes into account different inductances of cookware materials and is especially suitable for multi-hob appliances.
Bei Kochgeräten mit Mehrfachfeldern besteht das Problem, dass die Magnetfelder der einzelnen, mit unterschiedlichen Frequenzen betriebenen, Induktionsspulen der Kochfelder, sich gegenseitig beeinflussen bzw. stören. Dieser Einfluss, insbesondere eine unerwünschte Geräuschbildung, kann verhindert werden, in dem sämtliche Kochfelder mit der gleichen Frequenz betrieben werden. Dies wiederum hat jedoch den Nachteil, dass nur eine Frequenz zur Verfügung steht. Je nach Induktivität eines verwendeten Pfannenmaterials arbeitet der Induktivitätsschwingkreis nicht mehr mit einer gewünschten oder einer optimalen Frequenz (Resonanzfrequenz). Zudem kann nicht ohne weiteres mit unabhängiger Leistungsstufe gearbeitet werden. Die Variation der Resonanzfrequenz kann dazu führen, dass je nach Schaltfrequenz einzelne Schalter der Leistungsstufe unter Spannung eingeschaltet werden, und/oder dass kurzzeitig ein Kurzschluss über der Leistungsstufe entsteht, bis eine entsprechende Freilaufdiode sperrt. Dies führt zu Schaltungsverlusten.In cooking devices with multiple fields, the problem is that the magnetic fields of the individual, operated at different frequencies, induction coils of cooktops, influence or interfere with each other. This influence, in particular unwanted noise, can be prevented by operating all hobs at the same frequency. However, this in turn has the disadvantage that only one frequency is available. Depending on the inductance of a pan material used, the inductance resonant circuit no longer operates at a desired or optimum frequency (resonant frequency). In addition, you can not easily work with independent power level. The variation of the resonant frequency may cause, depending on the switching frequency, individual switches of the power stage to be switched on under voltage, and / or that a short circuit over the power stage occurs for a short time until a corresponding freewheeling diode blocks. This leads to circuit losses.
Eine Lösung dieses Problems besteht darin, dass eine externe Schutzbeschaltung der Schalter der Leistungsstufe vorgenommen wird (Snubberschaltung). Mit einer solch externen Beschaltung können ungeeignete Arbeitspunkte zwar nicht verhindert, jedoch zumindest höhere Einschaltströme verkraftet werden. Dies führt jedoch weiterhin zu Schaltverlusten. Eine solche Beschaltung ist zudem recht aufwändig und entsprechend teuer.A solution to this problem is that an external protection circuit of the power stage switches is made (snubber circuit). Although such an external circuit can not prevent unsuitable operating points, at least higher inrush currents can be absorbed. However, this still leads to switching losses. Such a circuit is also quite complex and correspondingly expensive.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung eine Schaltungsanordnung für ein Induktionsgerät, ein Verfahren zum Ansteuern dieser Schaltungsanordnung, sowie ein Induktionsgerät mit einer solchen Schaltungsanordnung zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Schaltungen für Induktionsgeräte behebt. Es ist insbesondere Aufgabe der Erfindung eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ansteuern einer solchen Schaltungsanordnung zu schaffen, welche eine sichere Betriebsweise und ein mit weniger Schaltverlusten behaftetes Betreiben eines Induktionsgerätes ermöglicht und vorzugsweise gleichzeitig das Problem von sich gegenseitig beeinflussenden Magnetfeldern und Schwingungen von nebeneinander liegenden Induktionskochfeldern behebt.It is therefore an object of the invention to provide a circuit arrangement for an induction device, a method for driving this circuit, as well as an induction device with such a circuit arrangement, which overcomes the disadvantages of the known circuits for induction devices. It is a particular object of the invention to provide a circuit arrangement and a method for driving such a circuit arrangement, which enables safe operation and with less switching losses operating an induction device and preferably simultaneously solves the problem of interacting magnetic fields and oscillations of adjacent induction cooktops ,
Die Aufgabe wird durch die Schaltungsanordnung, das Verfahren zum Ansteuern der Schaltungsanordnung und das Induktionskochgerät gelöst, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben sind.The object is achieved by the circuit arrangement, the method for driving the circuit arrangement and the induction cooking appliance, as described in the independent claims.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung für ein Induktionskochgerät weist einen Schwingkreis mit mindestens einer Induktionsspule zur induktiven Beheizung eines Induktionskochgeschirrs und mindestens einer Kapazität auf. Zusätzlich beinhaltet der Schwingkreis ein variables Schaltungselement zur Variation der Induktivität und/oder der Kapazität des Schwingkreises. Das variable Schaltungselement wird bevorzugt durch mindestens eine steuerbare Drossel gebildet, wobei diese mindestens eine steuerbare Drossel beispielsweise durch Gleichstrom gesteuert wird (Transduktordrossel).The inventive circuit arrangement for an induction cooking appliance has a resonant circuit with at least one induction coil for inductive heating of an induction cookware and at least one capacity. In addition, the resonant circuit includes a variable circuit element for varying the inductance and / or the capacitance of the resonant circuit. The variable circuit element is preferably by at least one controllable throttle formed, wherein this at least one controllable throttle, for example, controlled by DC (transductor).
Um die Schaltung in einem sicheren Bereich zu betreiben sollte eine Schaltfrequenz, welche einer Ansteuerungsfrequenz der Leistungsstufe der Schaltungsanordnung entspricht, immer grösser einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises sein. Ist eine Schaltfrequenz kleiner oder gleich der Resonanzfrequenz ist ein Resonanzbetrieb praktisch nicht kontrollierbar. Zudem verursachen kleinere Frequenzen unerwünschte hörbare Geräusche.In order to operate the circuit in a safe area, a switching frequency which corresponds to a drive frequency of the power stage of the circuit arrangement should always be greater than a resonance frequency of the resonant circuit. If a switching frequency is less than or equal to the resonance frequency, resonance operation is practically uncontrollable. In addition, smaller frequencies cause unwanted audible noise.
Im erfindungsgemässen Verfahren zum Ansteuern der Schaltungsanordnung wird nun, ausgehend von einer Abgabeleistung eines Induktionskochgerätes, eine Reduktion der Abgabeleistung durch Reduktion der Resonanzfrequenz des Schwingkreises mittels Variation des variablen Schaltungselements erreicht. Vorzugsweise wird eine weitere Reduktion der Abgabeleistung durch eine Reduktion eines Aussteuerungsgrades einer speisenden Wechselspannung erreicht.In the method according to the invention for driving the circuit arrangement, starting from an output power of an induction cooking appliance, a reduction in the output power is achieved by reducing the resonant frequency of the oscillatory circuit by means of variation of the variable circuit element. Preferably, a further reduction of the output power is achieved by a reduction of a modulation level of a feeding alternating voltage.
Durch Variation des variablen Schaltungselements ist sichergestellt, dass ein Schalter einer Brückenschaltung zur Speisung des Schwingkreises jeweils stromlos eingeschaltet wird. Insbesondere ein Transistor wird stromlos eingeschaltet, bevorzugt nur dann, wenn eine zugehörige Freilaufdiode stromführend ist. Damit ist keine entsprechende Schutzbeschaltung erforderlich, und deren Schaltverluste entfallen. Ferner können Kurzschlüsse über die Speisung verhindert werden.By varying the variable circuit element, it is ensured that a switch of a bridge circuit for supplying the resonant circuit is in each case switched on without current. In particular, a transistor is turned on without power, preferably only when an associated freewheeling diode is energized. Thus, no corresponding protective circuit is required, and their switching losses omitted. Furthermore, short circuits can be prevented via the power supply.
Die Schaltungsanordnung ist vorzugsweise derart aufgebaut, dass wenn beim Ansteuern der Schaltung ein stromführender Transistor eines Brückenzweiges ausgeschaltet wird, der Strom dann auf eine Freilaufdiode eines gegenüberliegenden Brückenzweiges kommutiert. Ein Transistor dieses gegenüberliegenden Brückenzweiges wird eingeschaltet, während dem sich die Freilaufdiode noch im leitenden Zustand befindet. Ein Transistor wird somit nur in spannungslosem Zustand eingeschaltet.The circuit arrangement is preferably constructed in such a way that when a current-conducting transistor of a bridge branch is switched off when driving the circuit, the current is then applied to a freewheeling diode of an opposite one Bridge branches commuted. A transistor of this opposite bridge branch is turned on, during which the freewheeling diode is still in the conducting state. A transistor is thus switched on only in de-energized state.
Im Gegensatz zu beispielsweise externen Beschaltungen, werden mit der beschriebenen Lösung keine ungeeigneten Zustände für einen Schwingkreis oder eine Leistungsstufe nachträglich beeinflusst, sondern vollständig oder nahezu vollständig verhindert. Damit können die teils massiven Schaltungsverluste verhindert werden.In contrast to, for example, external circuits, the described solution does not subsequently influence inappropriate states for a resonant circuit or a power stage, but completely or almost completely prevents them. Thus, the sometimes massive circuit losses can be prevented.
Das variable Schaltungselement wird bevorzugt in Serie zur mindestens einen Induktionsspule geschaltet. Wird nun ein Kochgeschirr mit einer bestimmten Induktivität und Kapazität in den Wirkungsbereich der Induktionsspule des Kochgeräts gebracht, wird sich dies auf die Resonanzfrequenz des Schwingkreises auswirken. Mit einem Erhöhen der Induktivität wird eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises verkleinert. Eine Variation der Resonanzfrequenz ist auch möglich mittels des variablen Schaltungselements, wobei bei zunehmender Abweichung der Resonanzfrequenz von der Schaltfrequenz der Leistungsstufe eine Leistungsabgabe an den Schwingkreis und das Kochgerät abnimmt. Damit ist eine stufenlose Variation, insbesondere Reduktion der Leistungsabgabe möglich, indem beispielsweise bei gleichbleibender Schaltfrequenz die Resonanzfrequenz verkleinert wird. Wird nun zusätzlich ein Aussteuerungsgrad (oder Tastgrad) der Leistungsstufe reduziert, so kann ein Gerät mit sehr kleiner Leistung betrieben werden. Aufgrund der reduzierten Resonanzfrequenz kann sichergestellt werden, dass — verglichen mit einer Ansteuerung welche, nur den Tastgrad variiert — bei hohen Tastgraden ein Schalter bzw. Transistor stromlos einschaltet.The variable circuit element is preferably connected in series with the at least one induction coil. If now a cookware with a certain inductance and capacity brought into the sphere of action of the induction coil of the cooking appliance, this will affect the resonant frequency of the resonant circuit. With an increase in the inductance, a resonant frequency of the resonant circuit is reduced. A variation of the resonant frequency is also possible by means of the variable circuit element, wherein with increasing deviation of the resonant frequency from the switching frequency of the power stage, a power output to the resonant circuit and the cooking appliance decreases. For a stepless variation, in particular reduction of the power output is possible, for example, by reducing the resonant frequency at a constant switching frequency. If, in addition, a modulation level (or duty cycle) of the power stage is reduced, then a device with very low power can be operated. Due to the reduced resonant frequency can be ensured that - compared with a control which varies only the duty cycle - at high duty cycles, a switch or transistor turns off power.
In einem variierten Verfahren zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung, werden durch das variable Schaltungselement Einflüsse von unterschiedlichen Induktivitäten oder Kapazitäten von Kochgeschirrmaterialien auf die Induktivität und gegebenenfalls auch die Kapazität des Schwingkreises und damit dessen Resonanzfrequenz kompensiert. Eine durch ein Induktionskochgeschirr hervorgerufene Frequenzänderung des Schwingkreises kann dabei durch eine Variation des steuerbaren Schaltungselements wieder ausgeglichen werden. Eine Steuerung geschieht vorzugsweise automatisch, in dem auf eine vorgegebene, vorzugsweise konstante Frequenz, eingestellt wird. Bevorzugt wird dann ein variables Schaltungselement in einem optimalen Zustand, der beispielsweise einem sehr guten Induktionskochgeschirr entspricht, nicht angesteuert.In a varied method for driving the circuit arrangement, influences of different inductances or capacities of cookware materials on the inductance and possibly also the capacitance of the resonant circuit and thus its resonant frequency are compensated by the variable circuit element. A caused by an induction cookware frequency change of the resonant circuit can be compensated by a variation of the controllable circuit element again. A control is preferably carried out automatically, in which is set to a predetermined, preferably constant frequency. Preferably, a variable circuit element in an optimal state, which corresponds for example to a very good induction cookware, not driven.
Mit der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung ist es möglich, verschiedenstes Induktionskochgeschirr mit den unterschiedlichsten Induktivitäten und Kapazitäten zu verwenden. Ein mit einer solch verbesserten Schaltung ausgestattetes Induktionskochgerät bietet zudem den Vorteil, dass Kochgerät und Kochgeschirr nicht aufeinander abgestimmt oder sogar zusammen angeboten werden müssen. Mit einer einfachen und günstigen Änderung ist es möglich auch bestehende Induktionsgeräte und Induktionsgeräte mit mehreren Induktionsspulen zu verbessern.With the inventive circuit arrangement, it is possible to use a wide variety of induction cookware with a wide variety of inductances and capacitances. An induction cooker equipped with such an improved circuit also has the advantage that the cooking appliance and cookware do not have to be matched or even offered together. With a simple and favorable change, it is also possible to improve existing induction devices and induction devices with multiple induction coils.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung wird bevorzugt mit einer konstanten Schaltfrequenz einer speisenden Leistungsstufe betrieben. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, dass mehrere Induktionsspulen nebeneinander in einem Gerät mit Mehrfachkochfeld, wie es in der Gastronomie und Grossküchen üblich ist, angeordnet sein können. Typischerweise weisen diese Geräte eine zusammenhängende Kochplatte, z.B. eine Keramikplatte, auf, welche mehrere Kochfelder umfasst. Jedem Kochfeld ist vorzugsweise eine oder mindestens eine Induktionsspule, z.B. 2,3 oder 4 Induktionsspulen, zugeordnet. Durch die Betreibung aller Induktionsspulen mit derselben konstanten Frequenz werden gegenseitige negative Störungen ausgeschlossen. Durch das variable Schaltungselement wird nun direkt im Schwingkreis selber ein Steuerparameter eingeführt. Vorzugsweise werden die mehreren speisenden Leistungsstufen der mehreren Induktionsspulen durch eine gemeinsame Gleichspannungsspeisung gespeist.The circuit arrangement according to the invention is preferably operated at a constant switching frequency of a feeding power stage. This offers the additional advantage that several induction coils can be arranged next to one another in a device with a multi-hob, as is common in gastronomy and commercial kitchens. Typically, these devices have a contiguous cooking plate, such as a ceramic plate, which includes several cooktops. Each cooktop is preferably associated with one or at least one induction coil, eg, 2.3 or 4 induction coils. By operating all induction coils with the same constant frequency, mutual negative disturbances excluded. Due to the variable circuit element, a control parameter is now introduced directly in the resonant circuit itself. Preferably, the plurality of feeding power stages of the plurality of induction coils are fed by a common DC power supply.
Es können auch mehrere variable Schaltungselemente verwendet werden, welche beispielsweise einen breiteren Induktions-/Kapazitätsbereich abzudecken vermögen.It is also possible to use a plurality of variable circuit elements which, for example, can cover a wider range of induction / capacitance.
In folgenden ist die Erfindung anhand schematischer Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
-
Fig.1 einen Schaltkreis für ein Induktionsgerät gemäss Stand der Technik; -
Fig. 2 einen Schaltkreis mit gesteuerter Drossel. -
Fig. 3a-c simulierte Spulenströme bei unterschiedlichen Betriebsarten der Schaltungsanordnung.
-
Fig.1 a circuit for an induction device according to the prior art; -
Fig. 2 a circuit with controlled throttle. -
Fig. 3a-c simulated coil currents in different modes of the circuit.
In
Die im Schaltkreis zur Ansteuerung der Leistungsstufe 3 verwendete Frequenz oder Schaltfrequenz wird typischerweise zwischen 20-40kHz variiert. Mit einer Frequenzvariation der Schaltfrequenz kann erreicht werden, dass der Schwingkreis in der Nähe seiner Resonanzfrequenz betrieben wird und ein optimaler Arbeitspunkt für den Schwingkreis und/oder die Leistungsstufe 3 hergestellt wird.The frequency or switching frequency used in the power
Je weniger optimal oder auf den Schwingkreis des Induktionsgerätes abgestimmt das Material eines Kochgeschirrs ist, desto mehr Energie wird für das unerwünschte Heizen anderer Schaltungsbestandteile, insbesondere für Schaltungsverluste in der Leistungsstufe 3, aufgebracht. Dies kann bis zu einem Nichtfunktionieren eines Induktionsgerätes führen.The less optimal or matched to the resonant circuit of the induction device is the material of a cookware, the more energy is applied for the unwanted heating of other circuit components, in particular for circuit losses in the
Zum ,Abfangen' von zu hohen Strömen und entsprechenden Schaltungsverlusten in der Leistungsstufe existieren externe Beschaltungen (nicht eingezeichnet) über der Leistungsstufe 3. Wie eingangs bereits kurz beschrieben verhindern diese lediglich, dass zu hohe Ströme fliessen, jedoch sind weiterhin Schaltungsverluste vorhanden und es ist damit kein aktives Eingreifen in den Schwingkreis der Induktionsschaltung selber möglich.For 'intercepting' of high currents and corresponding circuit losses in the power stage exist external circuits (not shown) on the
In
In Serie zur Induktionsspule 1 ist eine steuerbare Drossel 7 angeordnet, welche vorzugsweise mit Gleichstrom angesteuert wird. Durch eine Steuerung der Drossel können bewusst Frequenzänderungen hervorgerufen, oder auch Frequenzänderungen aufgrund einer Induktionsänderung in der Induktionsspule, welche durch ein Kochgeschirr verursacht wird, ausgeglichen werden. Das Gerät ist vorzugsweise so eingestellt, dass als Standardwert der Betrieb des Geräts mit einem ,guten', also idealen, gut ferromagnetischen Kochgeschirr eingestellt wird.In series with the
Zwei Brückenzweige 8,9 einer Brückenschaltung bilden die Leistungsstufe 3. Ein Brückenzweig beinhaltet jeweils einen Transistor T1, T2 und eine ihm zugeordnete Freilaufdiode D1, D2. Nicht eingezeichnet ist eine Gleichspannungsquelle, typischerweise eine Gleichrichterschaltung, welche die Brückenschaltung speist.Two bridge branches 8.9 of a bridge circuit form the
Je nach Betrieb der Schaltung wird die Drossel nicht oder angesteuert. Wird nun ein ,schlechteres', also weniger ferromagnetisches Kochgeschirr verwendet, so wird sich die Induktivität der Induktionsspule verringern. Entsprechend dieser Verringerung kann die Drossel, vorzugsweise automatisch, angesteuert und diese teilweise oder ganz in eine Sättigung getrieben werden bis sich die Gesamtinduktivität des Schwingkreises wieder ausgeglichen hat. In einem Beispiel einer Schaltung weist eine Drossel einen Induktivitätsbereich von typischerweise 0-200µH, z.B. 0-20µH, 0-50µH oder 0-100µH.Depending on the operation of the circuit, the throttle is not or driven. If now a, worse ', so less ferromagnetic cookware used, so the inductance of the induction coil will decrease. In accordance with this reduction, the throttle can be controlled, preferably automatically, and driven partially or completely into saturation until the total inductance of the oscillatory circuit has compensated again. In one example of a circuit, a choke has an inductance range of typically 0-200μH, e.g. 0-20μH, 0-50μH or 0-100μH.
Eine Drossel bietet den Vorteil, dass es sich um ein relativ günstiges und wenig fehleranfälliges Schaltungselement handelt mit beschränktem Platzbedarf. Zudem kann über eine oder mehrere Drosseln ein sehr breiter Induktions-/Kapazitätsbereich abgedeckt werden.A throttle has the advantage that it is a relatively cheap and less error-prone circuit element with limited space requirements. In addition, a very wide induction / capacitance range can be covered by one or more chokes.
Die gezeigte Schaltungsanordnung kann mit einer variablen Frequenz betrieben werden. Dann kann eine Optimierung des Schwingkreises über die beiden Steuerparameter Frequenz und variables Schaltelement vorgenommen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Schaltung mit einer konstanten Frequenz von beispielsweise 20kHz betrieben. Jegliche durch den Betrieb eines Induktionsgeräts hervorgerufene Frequenzänderung im Schwingkreis kann dann (bis zu einem gewissen Grade) alleine durch Steuerung der Drossel kompensiert werden. Alternativ kann eine Leistungsabgabe an den Schwingkreis respektive das Kochgerät mittels der Drossel gesteuert werden.The circuit arrangement shown can be operated with a variable frequency. Then, an optimization of the resonant circuit via the two control parameters frequency and variable switching element can be made. In a preferred embodiment, the circuit is operated at a constant frequency of, for example, 20kHz. Any frequency change in the resonant circuit caused by the operation of an induction device can then be compensated (to a degree) solely by control of the choke. Alternatively, a power output to the resonant circuit or the cooking appliance can be controlled by means of the throttle.
Es können auch mehrere Drosseln verwendet werden, welche dann bevorzugt in Serie geschaltet werden.It can also be used multiple chokes, which are then preferably connected in series.
Es sind auch andere variable Schaltungselemente denkbar, mit welchen direkt die induktiven und/oder kapazitiven Eigenschaften des Schwingkreises gesteuert werden können. Beispielsweise kann anstelle einer mit Gleichstrom gesteuerten Drossel auch eine Drossel mit variabel einführbarem Kern verwendet werden. Da ein Einfluss eines Kochgeschirrs zum grössten Teil Induktivitätsänderungen bewirkt, ist ein steuerbares Schaltelement, welches direkt einen Ausgleich in der Induktivität bewirkt bevorzugt. Jedoch existieren beispielsweise auch gesteuerte Kapazitäten, welche in der Form von stufenlosen steuerbaren Kapazitäten oder als zugeschaltete Kondenserstufen in den Schaltkreis eingebracht werden können.There are also other variable circuit elements conceivable with which directly the inductive and / or capacitive properties of the resonant circuit can be controlled. For example, instead of a DC-controlled throttle, a throttle with variably insertable core can be used. Since an influence of a cookware for the most part causes inductance changes, a controllable switching element which directly effects a compensation in the inductance is preferred. However, for example, there are also controlled capacities which can be introduced into the circuit in the form of stepless controllable capacitors or as connected capacitor stages.
In den
In
Nun könnte theoretisch durch eine noch grössere Drossel die Leistungsabgabe noch weiter reduziert werden. Wird jedoch der Schwingkreis mit einer Frequenz betrieben, welche zu stark von seiner Resonanzfrequenz abweicht, wird die Schaltung ineffizient. Somit wird nun, wie in
Der Schaltpunkt S3, bei welchem der Transistor des zweiten Brückenzweigs eingeschaltet wird, ist im Gegensatz zum Betrieb bei voller Aussteuerung zeitlich nach vorne versetzt, kurz vor dem Nulldurchgang des Stromes. Damit wird vermieden, dass Strom bereits in die ,falsche Richtung' fliesst und der Transistor nicht mehr stromlos eingeschaltet werden kann.The switching point S3, in which the transistor of the second bridge branch is turned on, in contrast to the operation at full modulation time shifted forward, just before the zero crossing of the current. This avoids that current already flows in the 'wrong direction' and the transistor can not be switched on without power.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird somit ein variables Schaltungselement in Serie zu einer Induktionsspule in Kombination mit einem variablen Tastgrad einer Leistungsstufe, insbesondere einer IGBT Ansteuerung, verwendet.In a preferred embodiment of the method, a variable circuit element is thus used in series with an induction coil in combination with a variable duty cycle of a power stage, in particular an IGBT drive.
Claims (15)
mehreren Induktionsspulen (1) mit derselben Schaltfrequenz zu speisen.Induction cooking appliance according to claim 12, which is adapted to the
several induction coils (1) to feed with the same switching frequency.
zusammenhängende Kochplatte (6) aufweisend mehrere Kochfelder, wobei jedem Kochfeld mindestens eine Induktionsspule (1) zugeordnet ist.Induction cooking appliance according to one of claims 11-13, comprising a
contiguous cooking plate (6) comprising a plurality of cooktops, each cooktop is associated with at least one induction coil (1).
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