DE10011773A1 - Induktions-Gareinrichtung mit Abschirmeinrichtung - Google Patents
Induktions-Gareinrichtung mit AbschirmeinrichtungInfo
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Abstract
Die Gareinrichtung umfasst DOLLAR A a) wenigstens eine Induktionsheizeinrichtung zum Erzeugen eines zeitlich veränderlichen magnetischen Feldes mit wenigstens einer Induktionsspule (3) und wenigstens einer Steuereinheit (8) zum Anlegen eines zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes an die Induktionsspule, DOLLAR A b) eine auf ein im Wesentlichen konstantes elektrisches Potential gelegte Trägereinrichtung (7) aus elektrisch leitfähigem Material mit einer Trägerflasche (70), auf der die Induktionsspule elektrisch isoliert angeordnet ist, DOLLAR A c) wenigstens einer zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung angeordneten Abschirmeinrichtung (10, 40, 41) aus elektrisch leitfähigem Material, die mit einem niederfrequenten Verbindungspunkt (VP) in der Steuereinheit elektrisch verbunden ist. DOLLAR A Vorteile: geringere Gleichtaktstörungen, dadurch preiswertere Komponenten mit geringerer Performance einsetzbar.
Description
Die Erfindung betrifft eine Gareinrichtung.
Es sind Gareinrichtungen bekannt mit einer Kochfeldplatte
mit einer oder mehreren Kochzonen, bei der unterhalb wenig
stens einer der Kochzonen eine durch einen Hochfrequenz-
Generator ansteuerbaren Induktionsspule zum induktiven Be
heizen von auf der Kochzone aufgestelltem Kochgeschirr be
kannt. Die Induktionsspule ist auf einer metallischen Trä
gereinrichtung fixiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besondere
Gareinrichtung mit Induktionsbeheizung anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merk
malen des Anspruchs 1.
Die Gareinrichtung umfasst wenigstens eine Induktionsheiz
einrichtung mit einer oder mehreren Induktionsspulen (mit
wenigstens einer Windung) und wenigstens einer Steuerein
heit zum Anlegen einer hochfrequenten Betriebsspannung (ei
nes zeitlich veränderlichen hochfrequenten elektrischen
Feldes) an die Induktionsspule zum Erzeugen eines entspre
chend zeitlich veränderlichen magnetischen Feldes sowie ei
ne auf ein im Wesentlichen konstantes externes (außerhalb
der Steuereinheit befindliches) elektrisches Potential,
insbesondere Masse oder Erde, gelegte Trägereinrichtung
(Gehäuse, Chassis) aus elektrisch leitfähigem Material zum
Tragen der Induktionsspule. Die Steuereinheit umfasst eine
Umsetzeinheit, die an eine niederfrequente Netzspannung ei
ner Netzspannungsquelle, die im Allgemeinen wenigstens zwei
Phasen aufweist, von denen wenigstens eine Phase eine aktive
Phase ist, anschließbar oder angeschlossen ist und die
niederfrequente Netzspannung in die hochfrequente Betriebs
spannung umsetzt.
Die Erfindung geht aus von der aufgrund von Messungen ge
wonnenen überraschenden Beobachtung, dass im Betrieb der
Induktionsheizeinrichtung hochfrequente Störströme auftre
ten können, die nach der Norm EN 55011 vorgegebene Grenz
werte überschreiten, sobald die Trägereinrichtung auf das
konstante externe elektrische Potential geschaltet ist,
insbesondere geerdet ist.
Die Erfindung geht weiter aus von der aus den Messungen ge
folgerten Überlegung, dass für die Störströme eine zu hohe
elektrische Kapazität zwischen der Induktionsspule und der
Trägereinrichtung verantwortlich ist. Auch bei einer elek
trischen Isolierung der Induktionsspule von der Träger
einrichtung, die einen direkten Ladungsfluss zumindest
weitgehend verhindert, stellt immer noch der aus Indukti
onsspule und Trägereinrichtung gebildete Kondensator, be
sonders in dem für Induktionsbeheizung typischen Hochfre
quenzbereich, als parasitäre Kapazität gewissermaßen eine
Schwachstelle für Verschiebeströme zum konstanten externen
Potential hin dar.
Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, zwischen
der Induktionsspule und der Trägereinrichtung wenigstens
eine Abschirmeinrichtung aus elektrisch leitfähigem Materi
al anzuordnen und diese Abschirmeinrichtung elektrisch auf
einen niederfrequenten Verbindungspunkt in der Steuerein
heit, also auf ein gegenüber dem hochfrequenten Potential
in der Induktionsspule näherungsweise elektrisch konstantes
(elektrisch stabiles) Potential in der Steuereinheit zu le
gen. Die Abschirmeinrichtung schirmt nun den parasitären
Kondensator zwischen Induktionsspule und Trägereinrichtung
ab, und bildet selbst mit der Induktionsspule einen neuen
Kondensator. Ein hochfrequenter elektrischer Strom über den
mit der Abschirmeinrichtung und der Induktionsspule gebil
deten Kondensator (Kapazität) fließt nun wegen der ohmschen
Kopplung der Abschirmeinrichtung an den niederfrequenten
Verbindungspunkt nicht mehr zum externen konstanten Poten
tial und tritt deshalb praktisch nicht mehr als Störstrom
in Erscheinung. Der Störeinfluss dieses Kondensators zwi
schen Abschirmeinrichtung und Induktionsspule ist also
deutlich kleiner als der Störeinfluss der ursprünglichen
parasitären Kapazität zwischen Induktionsspule und Träge
reinrichtung (ohne Abschirmeinrichtung), so dass die Stör
ströme der Induktionsgareinrichtung im Betrieb deutlich
verringert sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Gareinrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom
Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
Die niederfrequente Netzspannung (Wechselspannung) für die
Gareinrichtung hat vorzugsweise eine Grundfrequenz unter
halb von 400 Hz, typischerweise eine Grundfrequenz von 50 Hz
in europäischen Stromversorgernetzen oder 60 Hz in den
USA oder auch andere Frequenzen insbesondere in autarken
Versorgungsnetzen wie beispielsweise auf Schiffen. Die Fre
quenzanteile der hochfrequenten Betriebsspannung der Steu
ereinheit der Gareinrichtung liegen im Allgemeinen oberhalb
einer Grundfrequenz von etwa 20 kHz, vorzugsweise oberhalb
etwa 25 kHz, und können auch oberhalb einer Grundfrequenz
von etwa 100 kHz oder sogar 250 kHz liegen und reichen im
Allgemeinen in den Oberfrequenzen (Harmonischen) bis in den
Bereich von 10 MHz. Die hier als hochfrequent bezeichneten
Frequenzen sind also mindestens um das 50fache, typischerweise
um über das 300fache, höher als die als niederfre
quent bezeichneten Frequenzen.
Zum Unterdrücken von Gleichtaktstörungen umfasst die Steu
ereinheit in einer vorteilhaften Ausführungsform eine zwi
schen die Netzspannungsquelle und die Umsetzeinheit schalt
bare oder geschaltete Gleichtakt-Filtereinheit. Die
Gleichtakt-Filtereinheit weist eine mit einer Phase der
Netzspannungsquelle elektrisch verbindbare oder verbundene
erste Induktivität und eine mit einer anderen Phase der
Netzspannungsquelle elektrisch verbindbare oder verbundene
sowie gegenphasig (gegensinnig) zur ersten Induktivität
verschaltete zweite Induktivität. Die beiden Induktivitäten
sind mit einer stromkompensierten Ringkerndrossel mit zwei
auf einem Ringkern gegensinnig angeordneten Spulen gebil
det.
Die Steuereinheit ist in einer besonders vorteilhaften Aus
führungsform von dem externen konstanten Potential kapazi
tiv entkoppelt, also über wenigstens einen Kondensator mit
dem konstanten Potential gekoppelt. Vorzugsweise umfasst
die Gleichtakt-Filtereinheit dazu für jeden mit einer der
Phasen der Netzspannungsquelle verbundenen Stromzweig einen
von diesem Stromzweig gegen das konstante elektrische Po
tential geschalteten Kondensator, ist also über die Konden
satoren mit dem konstanten elektrischen Potential gekop
pelt.
Auch Gegentaktstörungen können mit Hilfe einer zwischen die
Netzspannungsquelle und die Umsetzeinheit schaltbaren oder
geschalteten Gegentakt-Filtereinheit unterdrückt werden.
Zum Gleichrichten der Netzspannung kann die Steuereinheit
einen zwischen die Netzspannungsquelle und die Umsetzein
heit schaltbaren oder geschalteten Gleichrichter umfassen.
Für den Verbindungspunkt zur niederfrequenten Ankopplung
der Abschirmeinrichtung an die Steuereinheit sind mehrere
Schaltungsmöglichkeiten vorteilhaft:
- - In einer ersten Ausführungsform wird der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung elektrisch zwischen die Um setzeinheit und die Gleichtakt-Filtereinheit bzw. die Ge gentakt-Filtereinheit gelegt.
- - In einer zweiten, auch mit der ersten Ausführungsform kombinierbaren, Ausführungsform wird der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung in den an eine Phase, insbe sondere die Nullphase (wenn vorhanden) oder an die oder eine der aktiven Phasen, der Netzspannungsquelle an schließbaren oder angeschlossenen Stromzweig der Steuer einheit geschaltet.
- - Eine dritte Ausführungsform ist dadurch ausgezeichnet, dass der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung in einen zu einem Gleichspannungspunkt des Gleichrichters führenden Stromzweig gelegt wird, also im Wesentlichen der niederfrequenten und gleichgerichteten Netzspannung ausgesetzt ist.
In allen drei Ausführungsformen ist die Abschirmeinrichtung
über den Verbindungspunkt nicht ohmsch mit dem konstanten
Potential verbunden, sondern nur über in Reihe geschaltete,
zum konstanten Potential führende Kondensatoren, insbeson
dere den zwischen Abschirmeinrichtung und Trägereinrichtung
gebildeten Kondensator sowie die Kondensatoren des
Gleichtakt-Filters (falls ein solches vorhanden ist), und
damit gegenüber dem konstanten Potential kapazitiv entkop
pelt.
Die Trägereinrichtung besteht insbesondere zumindest im Be
reich der der Induktionsspule zugewandten Trägerfläche aus
Metall oder einer Metall-Legierung, beispielsweise Alumini
um, einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder Stahl, wobei das
Metall vorzugsweise in Form eines Bleches geeigneter Stärke
verwendet wird.
Auch die Abschirmeinrichtung besteht vorzugsweise aus Me
tall, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer, oder einer
Metall-Legierung, insbesondere einer Aluminiumlegierung
oder Stahl, insbesondere aus einer Lage aus einem Metall
blech oder einer Metallfolie oder einer Metallschicht.
Die Abschirmeinrichtung ist im Allgemeinen von der Träge
reinrichtung durch eine elektrische Isolierung (Isolierla
ge) elektrisch isoliert.
An einer der Trägereinrichtung zugewandten Unterseite der
Induktionsspule ist in einer Weiterbildung der Gareinrich
tung wenigstens ein Feldleitkörper aus einem magnetisch
leitenden Material, insbesondere einem ferritischen oder
densitischen Material, angeordnet ist, wobei die Indukti
onsspule vorzugsweise mit ihren Feldleitkörpern auf der Ab
schirmeinrichtung aufliegt.
Die Gareinrichtung kann als Induktionskochstelle ausgebil
det sein und umfasst dann wenigstens eine Kochfeldplatte
zum Aufstellen von Kochgeschirr, wobei jeweils wenigstens
ewnee Induktionsspule unterhalb einer zugehörigen Kochzone
der Kochfeldplatte angeordnet ist. Alternativ kann natürlich
auch ein Garofen mit einem verschließbaren Garraum mit
der Induktionsbeheizung gemäß der Erfindung ausgestattet
werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei
spielen weiter erläutert. Dabei wird auf die Zeichnung Be
zug genommen, in der jeweils in einer schematischen Dar
stellung zeigen:
Fig. 1 eine Induktionsgareinrichtung mit einer auf einer
Trägereinrichtung getragenen Induktionsspule und
einer Abschirmeinrichtung zwischen der Trägerein
richtung und der Induktionsspule und
Fig. 2 eine Induktionsgareinrichtung gemäß dem Stand der
Technik,
Fig. 3 eine elektrische Schaltung einer Steuereinheit ei
ner Induktionsgareinrichtung.
Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 3 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 2 ist eine Induktionsgareinrichtung dargestellt, de
ren Aufbau im Prinzip bekannt ist. Diese Induktionsgarein
richtung gemäß dem Stand der Technik umfasst eine Kochfeld
platte 1, auf der in einer Kochzone ein Gargutbehälter 2
aufgestellt ist, in dem sich Gargut 6 befindet. Im Boden
des Gargutbehälters 2 ist eine Suszeptorspule 5 darge
stellt. Unterhalb der Kochzonen der Kochfeldplatte 1 ist
eine Induktionsspule 3 angeordnet, die als Flachspule aus
gebildet ist mit einer im wesentlichen parallel zur Koch
feldplatte 1 ausgerichteten Ebene.
Die Induktionsspule 3 ist, vorzugsweise mittels einer Kle
beverbindung, auf einem oder mehreren Feldleitkörpern 4 an
geordnet. Der oder die Feldleitkörper 4 sind auf einer Trä
gerfläche 70 einer Trägereinrichtung 7 angeordnet, insbesondere
ebenfalls aufgeklebt, und bestehen vorzugsweise aus
einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität
und mit einer möglichst geringen elektrischen Leitfähig
keit, beispielsweise einem ferritischen oder densitischen
Material. Die Induktionsspule 3 kann auch zusammen mit ei
ner Anzahl, beispielsweise sechs, sternförmig angeordneten.
Feldleitkörpern 4 in einem Gehäuse 15 eingefasst sein, das
insbesondere aus einem hitzebeständigen Kunststoff besteht.
Die Klebeschichten sind nicht nur zur Fixierung vorgesehen,
sondern isolieren auch die Komponenten elektrisch voneinan
der. Anstelle einer Klebeverbindung können auch andere Fi
xierungsmittel zum Verbinden der Induktionsspule 3 mit den
Feldleitkörpern 4 oder der Trägereinrichtung 7 oder der
Feldleitkörper 4 mit der Trägereinrichtung 7 vorgesehen
sein, beispielsweise eine lösbare Verbindung wie eine
Schraubverbindung oder Rastverbindung. Die elektrische Iso
lierung wird dann im Allgemeinen mit getrennten dielektri
schen Mitteln erreicht.
Die Trägereinrichtung 7 besteht aus einem elektrisch lei
tenden Material, insbesondere Metall, beispielsweise Alumi
nium oder einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einem
Stahl, insbesondere aus einem Metallblech. Die Trägerein
richtung 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel kasten
förmig ausgebildet mit der durchgehenden Trägerfläche 70 an
der der Induktionsspule 3 zugewandten Seite und seitlich
davon nach unten ragenden Seitenwänden. Auf einer Bodenwand
71 ist eine elektrische Steuereinheit 8 getragen, die die
Induktionsspule 3 elektrisch ansteuert. Insbesondere ist
die Steuereinheit 8 mittels einer oder mehrerer Schrauben
11 an der Trägereinrichtung 7 befestigt. Die Schraube 11
stellt zugleich eine elektrische Verbindung zwischen der
Steuereinheit 8 und der Trägereinrichtung 7 her, die direkt
mit der Erde (Masse) oder allgemeiner einem im wesentlichen
konstanten Potential verbunden ist. Die elektrische Verbin
dung der Trägereinrichtung 7 zur Erde kann auch unabhängig
von der mechanischen Befestigung mit einer separaten elek
trisch leitenden Verbindung, beispielsweise einem elektri
schen Kabel und/oder einer Clips-Verdrahtung, Verwirklicht
werden.
Die Steuereinheit 8 versorgt im Betrieb der Induktions
gareinrichtung die Induktionsspule 3 mit einem zeitlich
veränderlichen elektrischen Feld (einer zeitlich veränder
lichen elektrischen Spannung), die hochfrequente Anteile im
Bereich ab einer Grundfrequenz (Fundamentalfrequenz) von 20 kHz,
vorzugsweise ab 25 kHz, enthält. Durch Induktion er
zeugt die Induktionsspule 3 nun ein zeitlich veränderliches
magnetisches Feld, dessen Flussdichte in der Fig. 4 mit B
bezeichnet ist und dessen Feldlinien gestrichelt darge
stellt sind, mit einem dem elektrischen Feld der Steuerein
heit 8 entsprechenden Frequenzspektrum. Die Feldleitkörper
4 konzentrieren und bündeln das Magnetfeld B, so dass es
nach unten weitgehend abgeschirmt ist. Nach oben durch
dringt das Magnetfeld B die Kochfeldplatte 1, die insbeson
dere aus einem dielektrischen hitzebeständigen Material,
beispielsweise einer Glaskeramik, Glas, einer Keramik oder
einem anderen Material, besteht, und induziert in der Sus
zeptorspule 5 des Gargutbehälters 2 einen elektrischen
Strom, der durch Joulesche Verluste den Gargutbehälter 2
erhitzt. Die Aufheizwirkung wird im Allgemeinen noch da
durch verstärkt, dass ein ferromagnetisches Material vorge
sehen wird, wodurch zusätzliche thermische Energie durch
Ummagnetisierungsprozesse im Material des Gargutbehälters 2
frei wird. Es kann, dann auch der Boden des Gargutbehälters
2 einfach aus ferromagnetischem Material bestehen. Eine
Suszeptorspule 5 ist nicht unbedingt erforderlich.
Die Trägereinrichtung 7 hat neben der mechanischen Träger
funktion für die Induktionsspule 3 zusätzlich die Funktio
nen der Wärmeabführung von der Induktionsspule 3 und Homo
genisierung der Temperaturverteilung sowie der Anpassung
der Resonanzfrequenz sowie auch einer Art Gegenspule zum
Verringern von Streufeldern. Ferner schirmt die Trägerein
richtung 7 die elektronischen Komponenten der Steuereinheit
8 vor dem Magnetfeld der Induktionsspule 3.
Eine Messung nach EN 55011 ergab nun, dass bei dieser be
kannten Induktionsgareinrichtung gemäß Fig. 4 unerwünschte
Störströme (und dadurch verursachte Störfelder) in einem
bestimmten Hochfrequenzbereich auftreten, insbesondere in
einem Bereich zwischen 150 kHz und 500 kHz. Es wurde ferner
festgestellt, dass diese Störströme im Wesentlichen auf ei
ne parasitäre Kapazität CD zwischen der Induktionsspule 3
und der Trägereinrichtung 7 zurückzuführen sind.
Man kann nun einen Lösungsweg wählen, bei dem diese parasi
täre Kapazität CD reduziert oder sogar möglichst ganz elimi
niert wird, beispielsweise durch Vergrößern des Abstandes
zwischen Induktionsspule 3 und Trägereinrichtung 7 durch
Einbringen zusätzlichen dielektrischen Materials, insbeson
dere einer dickeren Schicht oder einer zusätzlichen
Schicht, oder eines zusätzlichen Luftzwischenraumes
und/oder durch Verringern der einander gegenüberliegenden
Flächen des aus Induktionsspule 3 und Trägereinrichtung 7
gebildeten Kondensators, insbesondere Verringerung der Trä
gerfläche 70, und/oder Verwendung eines dielektrischen Zwi
schenmaterials zwischen Induktionsspule 3 und Trägerein
richtung 7 mit einer kleineren relativen Dielektrizitäts
konstante.
Gemäß der Erfindung wird ein anderer Lösungsweg beschrit
ten, bei dem zwischen die Trägerfläche 70 der Trägerein
richtung 7 und die Induktionsspule 3 eine Abschirm
einrichtung aus einem elektrisch leitenden Material, insbe
sondere einem Metall oder einer Metallverbindung, einge
bracht wird und diese Abschirmeinrichtung mit einem im Ver
gleich zur hochfrequenten Betriebsspannung für die Indukti
onsspule 3 niederfrequenten Potentialpunkt (Verbindungs
punkt) in der Steuereinheit 8 verbunden wird.
In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Ab
schirmeinrichtung 12 als, vorzugsweise durchgehende (konti
nuierliche, ohne Löcher zusammenhängende), elektrisch lei
tende Lage ausgebildet, die auf einer elektrischen Isolier
lage (dielektrische Schicht oder Folie) 10 angeordnet ist
und auf der die Feldleitkörper 4 aufliegen und befestigt,
beispielsweise wieder verklebt, sind. Die Isolierlage 10
ist auf der Trägerfläche 70 der Trägereinrichtung 7 aufge
bracht, beispielsweise verklebt. An einem elektrischen Kon
takt ist die Abschirmeinrichtung 12 mit einer elektrischen
Verbindungsleitung kontaktiert und über die Verbindungslei
tung mit einem mit der Steuereinheit 8 elektrisch kontak
tierten Verbindungspunkt VP elektrisch verbunden. Die Ab
schirmeinrichtung 12 schirmt nun die Induktionsspule 3 und
die Trägereinrichtung 7 voneinander ab, so dass die Stör
wirkung der parasitären Kapazität CD zwischen Induktionsspu
le 3 und Trägereinrichtung 7 praktisch außer Kraft gesetzt
ist.
Die Abschirmeinrichtung 12 und/oder die Isolierlage 10 kön
nen bzw. kann auch mit einer Schichttechnologie als Film
oder Schicht aufgebracht oder aufgetragen werden, bei
spielsweise aufgedruckt, aufgepresst, aufgedampft, aufgesputtert,
durch chemische Gasphasenabscheidung oder in ähn
licher Weise.
Fig. 3 zeigt ein elektrisches Schaltbild für die Steuerein
heit 8 der Induktionsgareinrichtung gemäß Fig. 1. Auf der
linken Seite des Schaltbildes liegt eine einphasige Netz
spannung UN (einer entsprechenden Netzspannungsquelle oder
Netzanschlusses) an, die im normalen europäischen Stromnetz
230 V mit einer Frequenz von 50 Hz entspricht und eine ak
tive Phase P sowie eine Nullphase N aufweist. Zwischen die
aktive Phase P und die Nullphase N der Netzspannung UN sind
zwei Kondensatoren C1 und C2 sowie eine Gleichrichterbrücke
G geschaltet. Die beiden Kondensatoren C1 und C2 werden
auch als "X-Kondensatoren" bezeichnet. Seriell in den mit
der Phase P verbundenen (oberen) Stromzweig sind zwei In
duktivitäten L1 und L3 sowie ein Hauptschalter S3 geschal
tet und in den mit der Nullphase N verbundenen Stromzweig
eine weitere Induktivität L2. Ferner geht von dem mit der
Phase P verbundenen Stromzweig ein Kondensator (Kapazität)
C3 und von dem mit der Nullphase N verbundenen Stromzweig
ein Kondensator C4 in einen Abzweig ab, der zur Erde 9 ge
schaltet ist. Die beiden Kondensatoren C3 und C4 werden
auch als "Y-Kondensatoren" bezeichnet.
Bei einer - nicht dargestellten - mehrphasigen Netzspannung
sind entsprechend mehrere aktive Phasen, insbesondere Span
nungen mit Phasenverschiebung zueinander wie z. B. drei Pha
senspannungen mit 120° Phasenverschiebung bei Drehstrom,
und gegebenenfalls eine Nullphase (Null-Leiter) vorgesehen,
wobei zwei der Phasen oder eine der Phasen und die Nullpha
se an die Stelle der dargestellten Phasen P und N treten.
Es ist nun mit den beiden Kondensatoren C1 und C2 sowie der
Induktivität L3 ein differentieller Filter (Gegentakt-
Filtereinheit) gebildet, der Gegentaktstörungen in den bei
den Phasen P und N der Netzspannung UN unterdrückt.
Die beiden Induktivitäten L1 und L2 sowie die beiden Kapa
zitäten C3 und C4 bilden dagegen einen Filter (Gleichtakt-
Filtereinheit) zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen in
den Phasen der Versorgungsspannung UN (common mode noise
filter). Insbesondere können die beiden Induktivitäten L1
und L2 mit einer stromkompensierten Ringkerndrossel mit
zwei gegensinnigen Spulen auf einem gemeinsamen Ringkern,
aber natürlich auch mit zwei getrennten Komponenten ver
wirklicht werden. Da die Induktivitäten L1 und L2 zugleich
die volle Netzspannung UN im Gegentaktbetrieb (gegenphasiger
Normalbetrieb) durchlassen können müssen, sind die Anforde
rungen an die die Induktivitäten L1 und L2 darstellenden
Spulen mit dem Ringkern recht hoch. Um eine Sättigung des
Kerns durch die Gegentaktstörung zu vermeiden, sind nämlich
recht hochwertige magnetische Materialien erforderlich.
Der an der rechten Seite des Schaltbildes gemäß Fig. 3 dar
gestellte Teil der Schaltung enthält eine von mehreren mög
lichen Standardschaltungen zur Realisierung einer Um
setzeinheit zur Umsetzung der niederfrequenten Netzspannung
UN in die zum Betrieb der Induktionsspule 3 mit der Indukti
vität L erforderliche hochfrequente Betriebsspannung (Hoch
frequenzspannung) UHF. Diese auch als Halbbrücke (half
bridge) bezeichnete Steuerschaltung enthält zwei getrennt
mit der notwendigen Taktrate ansteuerbare elektronische
Schalter S1 und S2, beispielsweise Halbleiterschaltelemente
wie Thyristoren, bipolare Leistungstransistoren, IGBTs,
Darlingtonsschaltungen oder auch MCTs, sowie drei Kondensa
toren C5, C6 und C7 und die bereits genannte Gleichrichter
brücke G. Die Hochfrequenzspannung UHF liegt vorzugsweise in
einem Frequenzbereich oberhalb der Grundfrequenz 25 kHz.
Die beim Stand der Technik gemäß Fig. 2 zwischen der Induk
tivität L der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7
gebildete parasitäre Kapazität CD wäre nun bei Verwendung
einer Steuereinheit 8 gemäß Fig. 3 (ohne die Kapazität CD'
und den Verbindungspunkt VP und die dazugehörige elektri
sche Verbindung) über die Erde 9 mit den Kondensatoren C3
und C4 des Gleichtakt-Filters verbunden und brächte durch
die von ihr verursachte Gleichtaktstörung den oder die Ker
ne der Spulen für die Induktivitäten L1 und L2 noch schnel
ler in Sättigung.
Das Vorsehen einer Abschirmeinrichtung 12 gemäß der Erfin
dung, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt, führt nun
dazu, dass anstelle der parasitären Kapazität CD zwischen
der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7 nunmehr
nur die in Fig. 3 mit CD' bezeichnete elektrische Kapazität
(Kondensator) zwischen der Induktionsspule 3 und der Ab
schirmeinrichtung 12 elektrisch wirksam ist.
Die Abschirmeinrichtung 12 (Fig. 1) und damit die zugehörige
Kapazität CD' (Fig. 3) sind ferner mit einem niederfrequenten
Verbindungspunkt VP der Steuereinheit 8 verbunden. Der Ver
bindungspunkt VP liegt zwischen der Induktivität L2 und der
Gleichrichterbrücke G im niederfrequenten Stromzweig an der
Nullphase N der Netzspannung UN. Gegenüber der hochfrequen
ten Betriebsspannung UHF liegt somit der Verbindungspunkt VP
praktisch auf einem konstanten (elektrisch stabilen) inter
nen Referenzpotential, das einerseits über den Kondensator
C4) kapazitiv von der Erde 9 als externem konstanten Poten
tial entkoppelt ist.
Aufgrund dieser niederfrequenten kapazitiven Kopplung der
Induktionsspule 3 (Induktivität L) an den Verbindungspunkt
VP anstelle an Erde 9 fließen die durch die Kapazität CD'
gekoppelten hochfrequenten Ströme nicht zur Erde 9, sondern
in den niederfrequenten Teil der Steuereinheit 8, und tra
gen dadurch nicht als Störströme im Gegensatz zum Stand der
Technik.
Der außerdem mit der Abschirmeinrichtung 12 und der Träge
reinrichtung 9 und der dazwischen angeordneten Isolierlage
10 gebildete Kondensator ist in Fig. 3 mit CD" bezeichnet.
Dieser Kondensator CD" ist nun parallel zum Kondensator C4
der Gleichtakt-Filtereinheit zwischen den Verbindungspunkt
VP und Erde 9 geschaltet und liegt zwischen dem niederfre
quenten Potential am Verbindungspunkt VP einerseits und dem
konstanten Potential der Erde 9 andererseits. Dadurch flie
ßen über diesen Kondensator CD" praktisch keine Störströme,
vielmehr hat er sogar noch einen zusätzlichen positiven
Einfluss auf die Gleichtakt-Filterwirkung.
Die Maßnahmen gemäß der Erfindung haben nun den großen Vor
teil, dass wegen der deutlich geringeren Störströme die
Komponente bzw. Komponenten für die Induktivitäten L1 und
L2, insbesondere der Ringkern der Drossel, geringeren An
forderungen entsprechen muss bzw. müssen und dadurch eine
beträchtliche Kostenersparnis erreicht wird.
Der Verbindungspunkt VP kann in nicht dargestellten Ausfüh
rungsformen auch in einen anderen niederfrequenten Strom
zweig der Steuereinheit 8 geschaltet sein, beispielsweise
in den mit der aktiven Phase P verbundenen niederfrequenten
Stromzweig oder auch in einen Stromzweig, der zu einem der
mit "+" und "-" bezeichneten Gleichspannungspolen (Gleich
spannungspunkten) der Gleichrichterbrücke 6 führt. An die
sen Gleichspannungspunkten steht nämlich die gleichgerich
tete, immer noch niederfrequente Netzspannung UN an.
Andere - nicht dargestellte, aber standardmäßig eingesetzte
- Möglichkeiten der Umsetzeinheit für die Erzeugung der
Hochfrequenzspannung UHF sind eine Einschalterschaltung
(single switch) und eine Vollbrückenschaltung (full bridge)
mit vier Schaltern. Die Vorteile der Maßnahmen gemäß der
Erfindung kommen auch bei diesen Steuerschaltungen zum Tra
gen.
Anstelle der gezeigten Ausführungsbeispiele kann die Induk
tionsgareinrichtung, bezüglich des mechanischen Aufbaus und
der verwendeten Materialien als auch bezüglich der elektri
schen Verhältnisse, auch anstelle von Fig. 2 auch von einer
anderen bekannten Ausführungsform ausgehen, beispielsweise
gemäß einer der in WO 97/20451, WO 98/41061, WO 98/41062,
WO 98/41063 oder WO 98/41064 offenbarten Ausführungsformen.
Claims (21)
1. Gareinrichtung mit
- a) wenigstens einer Induktionsspule (3),
- b) wenigstens einer auf ein im Wesentlichen konstantes elektrisches Potential (9) gelegten Trägereinrichtung (7) aus elektrisch leitfähigem Material zum Tragen der Induktionsspule,
- c) wenigstens einer Steuereinheit (8) zum Anlegen einer hochfrequenten elektrischen Betriebsspannung (UHF) an die Induktionsspule, wobei die Steuereinheit eine an eine niederfrequente Netzspannungsquelle anschließbare oder angeschlossene Umsetzeinheit (S1, S2, C6, C7) zum Um setzen der Netzspannung (UN) in die Betriebsspannung (UHF) umfasst, und mit
- d) wenigstens einer zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung angeordneten Abschirmeinrichtung (10, 40, 41) aus elektrisch leitfähigem Material, die mit einem niederfrequenten Verbindungspunkt (VP) in der Steuereinheit elektrisch verbunden ist.
2. Gareinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuerein
heit mit dem konstanten elektrischen Potential kapazi
tiv gekoppelt ist.
3. Gareinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der
die Netzspannungsquelle wenigstens zwei Phasen auf
weist, insbesondere wenigstens eine aktive Phase (P)
und eine Nullphase (N) oder wenigstens zwei aktive Pha
sen, aufweist.
4. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Steuereinheit eine zwischen die Netzspan
nungsquelle und die Umsetzeinheit schaltbare oder geschaltete
Gleichtakt-Filtereinheit (L1, L2, C3, C4) zum
Unterdrücken von Gleichtaktstörungen umfasst.
5. Gareinrichtung nach Anspruch 3 und Anspruch 4, bei der
die Gleichtakt-Filtereinheit eine mit einer Phase der
Netzspannungsquelle elektrisch verbindbare oder verbun
dene erste Induktivität (L1) und eine mit einer anderen
Phase der Netzspannungsquelle elektrisch verbindbare
oder verbundene sowie gegensinnig zur ersten Induktivi
tät verschaltete zweite Induktivität (L2) aufweist.
6. Gareinrichtung nach Anspruch 5, bei der die beiden In
duktivitäten mit einer stromkompensierten Ringkerndros
sel mit zwei auf einem Ringkern gegensinnig angeordne
ten Spulen gebildet sind.
7. Gareinrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei der
beide Induktivitäten (L1, L2) jeweils über einen zugehö
rigen Kondensator (C3, C4) mit dem konstanten Potential
elektrisch gekoppelt sind.
8. Gareinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei
der der Verbindungspunkt für die Abschirmeinrichtung
elektrisch zwischen der Umsetzeinheit und der
Gleichtakt-Filtereinheit liegt.
9. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Steuereinheit eine zwischen die Netzspan
nungsquelle und die Umsetzeinheit schaltbare oder ge
schaltete Gegentakt-Filtereinheit (L3, C1, C2) zum Unter
drücken von Gegentaktstörungen umfasst.
10. Gareinrichtung nach einem der auf Anspruch 3 rückbezo
genen Ansprüche, bei der der Verbindungspunkt für die
Abschirmeinrichtung in einem an eine Phase, insbesonde
re die Nullphase, der Netzspannungsquelle anschließba
ren oder angeschlossenen Stromzweig der Steuereinheit
liegt.
11. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Steuereinheit einen zwischen die Netzspan
nungsquelle und die Umsetzeinheit schaltbaren oder ge
schalteten Gleichrichter (G) zum Gleichrichten der
Netzspannung umfasst.
12. Gareinrichtung nach Anspruch 11 in Rückbeziehung auf
einen der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Verbindungs
punkt für die Abschirmeinrichtung in einem zu einem
Gleichspannungspunkt des Gleichrichters führenden
Stromzweig liegt.
13. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Trägereinrichtung zumindest im Bereich der
Trägerfläche aus Metall oder einer Metalllegierung,
insbesondere aus Aluminium, Kupfer oder Stahl, besteht,
insbesondere aus einem Metallblech.
14. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Abschirmeinrichtung (12) aus Metall oder
einer Metall-Legierung, insbesondere aus Aluminium,
Kupfer oder Stahl, gebildet ist, insbesondere aus einem
Metallblech oder einer Metallfolie, einer Metallschicht
oder einer sonstigen Metall-Lage.
15. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Abschirmeinrichtung (12) von der Trägerein
richtung (7) durch eine elektrische Isolierung (10) ge
trennt ist.
16. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
mit wenigstens einer Kochfeldplatte (1) zum Aufstellen
von Kochgeschirr, wobei jede Induktionsspule unterhalb
einer zugehörigen Kochzone der Kochfeldplatte angeord
net ist.
17. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die elektrische Betriebsspannung (UHF) der Steu
ereinheit Frequenzanteile über etwa 20 kHz, vorzugswei
se über etwa 25 kHz, aufweist.
18. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die elektrische Netzspannung (UN) eine Grundfre
quenz unter 400 Hz, vorzugsweise von etwa 50 Hz oder 60 Hz,
aufweist.
19. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der an einer Unterseite der Induktionsspule wenig
stens ein Feldleitkörper (4) aus einem magnetisch lei
tenden Material, insbesondere einem ferritischen oder
densitischen Material, angeordnet ist, wobei die Induk
tionsspule vorzugsweise mit ihren Feldleitkörpern auf
der Abschirmeinrichtung aufliegt.
20. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
mit wenigstens einer Kochfeldplatte zum Aufstellen von
Kochgeschirr, wobei unterhalb wenigstens einer Kochzone
der Kochfeldplatte jeweils wenigstens eine zugehörige
Induktionsspule angeordnet ist.
21. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
mit einem verschließbaren Garraum, dem wenigstens eine
Induktionsspule zugeordnet ist.
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