DE10017176A1

DE10017176A1 - Induktionskochplatte mit von Generatoren gespeisten Induktionsheizelementen

Info

Publication number: DE10017176A1
Application number: DE10017176A
Authority: DE
Inventors: Dominique Akel; Henri Schlumberger
Original assignee: JAEGER REGULATION CHARTRES
Current assignee: JAEGER REGULATION CHARTRES
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2001-01-18
Anticipated expiration: 2020-04-08
Also published as: GB0008263D0; ITMI20000770A1; IT1317201B1; GB2348750B; FR2792157A1; DE10017176B4; ES2173021B1; ES2173021A1; NL1014888C2; ITMI20000770A0; BE1013306A5; GB2348750A; FR2792157B1

Abstract

Kochgenerator mit Resonanzinduktion von mittlerer oder geringer Leistung, arbeitend mit einer einzigen Frequenz oder Mehrfachfrequenz, mit der Möglichkeit, modulartigen Heizelementen zugeordnet zu werden, um deren Leistung zu erhöhen oder Heizflächen zu bilden, deren Leistungen je nach den Stellen unterschiedlich sein kann. Die verschiedenen Sklavengeneratoren sind dann in Resonanz in MGI-Form mit Bezug auf ein Meistersystem.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Induktionskoch platte mit von Generatoren gespeisten Induktionsheizele menten.

Das Kochen mit Induktion oder allgemeiner das Induktions erhitzen benutzt Wirbelströme, die in ein zu erhitzendes Teil aus elektrisch leitendem Material durch ein Magnet feld mit hoher Frequenz induziert werden. Dieses Teil ist z. B. ein Kochtopf. Das Magnetfeld wird von einem Induktor erzeugt, der mit einem Hochfrequenzwechselstrom von einem Generator gespeist wird, der die Frequenz und die Ampli tude des Stroms in Abhängigkeit von der gewünschten Er hitzung anpaßt. Die für die Erhitzung angepaßte Frequenz ist abhängig von einer bestimmten Anzahl von Parametern und insbesondere von der relativen magnetischen Permea bilität µ_r des Behältnisses und dessen elektrischer Konduk tivität σ.

Ausgehend von der Dicke der Haut, die man z. B. gleich der Hälfte der Dicke des Bodens des zu erhitzenden Behält nisses annehmen kann, bestimmt man sodann die Pulsation ω unter Benutzung der Formel:

woraus man die Frequenz ableitet durch die Formel:

f = ω/2 . π

Man erhält so eine zu verwendende optimale Frequenz in der Größenordnung von 10 bis 50 kHz.

Der Generator wird ausgehend vom elektrischen Netz ge speist, dessen Versorgungsspannung gleichgerichtet und ge filtert wird. Der mit dieser gleichgerichteten Spannung U gespeiste Generator ist im allgemeinen ein Resonanzgene rator. Faktisch werden die Induktoren typischerweise ge bildet, indem man einen elektrischen Leiter spiralisch aufwickelt, derart, daß die gegenüberstehende Auflast an diesen Induktor mit der Betriebsfrequenz einen mit der auf die Auflast zu übertragenden Leistung P = U²/R kompatiblen Widerstand R anlegt. Diese Induktoren selbst sind im all gemeinen mechanisch, elektrisch und thermisch von der zu erhitzenden Auflast isoliert, was einen Luftspalt von mehreren Millimetern zwischen der Auflast und dem Induktor nach sich zieht. In diesem Abstand und in diesem Frequenz bereich ist die Impedanz Z = R + j . L . ω des belasteten In duktors stark reaktiv, was einen Qualitätsfaktor des In duktors Q = L . ω/R << 1 mit sich bringt. Es reicht dann, einen oder mehrere Kondensatoren C dem Induktor der Induk tivität L hinzuzufügen, um einen Schwingkreis zu bilden, mit der Frequenz:

Aus diesem Grunde sind die Generatoren prinzipiell Reso nanzwechselrichter. Da die Impedanz Z und insbesondere die Induktivität L des Induktors von den Eigenschaften der Auflast abhängen, sind die Betriebsfrequenzen bei einer Induktionskochplatte mit mehreren Heizelementen im allge meinen nicht identisch, sondern aneinanderangrenzend. Dieses Phenomen wird andererseits durch die Tatsache be tont, daß zur Beibehaltung weicher Kommutationsformen die Leistungsregelungen im allgemeinen erfolgen, indem die Ar beitsfrequenz geregelt wird und somit zwei Heizelemente, die dazu bestimmt sind, identische Auflasten mit ver schiedenen Leistungen zu erhitzen, unterschiedliche Fre quenzen benutzen. Es ist zu bemerken, daß diese Art der Regelung den Nachteil besitzt, den Wechselrichter mit Fre quenzen arbeiten zu lassen, die von seiner natürlichen Re sonanzfrequenz entfernt sind, was erhöhte Verluste er zeugt. Der beste Kompromiß besteht darin, mit einem Dualthyristor zu arbeiten, indem man für die maximale Leistung so nahe wie möglich an der Resonanz arbeitet, die die niedrigste Arbeitsfrequenz ist, und zum Absenken dieser Leistung die Arbeitsfrequenz zu erhöhen.

Diese aneinandergrenzenden Frequenzen erzeugen Schläge, die auf das zu erhitzende Behältnis übertragen werden und die, aufgrund ihres geringen Unterschieds, im hörbaren Be reich (einige Hz bis einige kHz) liegen. Diese Frequenz schläge erzeugen außer dem Geräusch, das sie in den Auf lasten hervorrufen, Schwierigkeiten für die Kontrolle der unabhängigen Generatoren.

Um dieses Phenomen zu vermeiden, das von seiner Amplitude die Verwendung des Produktes sehr unangenehm machen kann, ist es nötig, die verschiedenen Paarungen (Generatoren- Induktionsheizelemente) gut zu trennen, was ein sehr großes Handicap bezüglich der Modulfähigkeit der Produkte darstellt; aus dem gleichen Grund ist es unmöglich, z. B. ein großes Behältnis auf mehreren naheliegenden Heizele menten zu erhitzen, die von verschiedenen Generatoren ge speist werden.

Eine bekannte Lösung besteht darin, benachbarte Heizele mente zyklisch mit einer variierenden Sekundenperiode für mechanische Kommutationsvorrichtungen in Zehnermilli sekunden für vollständig elektronische Lösungen zu speisen. In diesen beiden Fällen müssen die Generatoren in der Leistung überdimensioniert sein, da die Leistung nicht permanent an das Heizelement übertragen wird, sondern alternierend mit einem zyklischen Verhältnis, das gemäß den Leistungen variiert, die auf jedem an den Generator angeschlossenen Heizelement abverlangt werden. Außerdem kann diese zyklische Versorgung für den Gebrauch des Gerä tes als lästig empfunden werden wegen heftiger Leistungs änderungen in der Auflast, wenn die Periode in der Größen ordnung der Sekunde liegt, oder aufgrund des Geräusches, das mit der Kommutation verbunden ist, wenn diese Periode in der Größenordnung von einigen Millisekunden liegt, was Frequenzen von einigen 100 Hertz entspricht.

Eine andere bekannte Lösung auf dem Gebiet der Steuerung und der Leistungselektronik besteht darin, Induktoren mit der gleichen Frequenz zu speisen, indem Generatoren mit harter Kommutation, z. B. ein Zerhacker verwendet werden, dessen Leistungsregelart dann mit fester Frequenz in der Art (MGI) Modulation der Größe des Impulses erfolgen kann. Es ist jedoch nicht sinnvoll, diese Generatorart zum Speisen herkömmlicher Induktoren zu verwenden, insbe sondere aufgrund des erhöhten Qualitätsfaktors der Spulen in der Arbeitsfrequenz. Dieses erzeugt allerdings eine Schwierigkeit, den Strom in den induktiven Spulen (Drei eckströme) zirkulieren zu lassen, und erhebliche Verluste, wenn man den Strom in diesen Spulen hält, was eine sehr bedeutende Überdimensionierung des Leistungsgenerators nach sich zieht.

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile zu beseitigen, und schlägt vor, eine Induktionskochplatte mit geringer oder starker Leistung zu entwickeln, und in all gemeiner Weise, ein Induktionsheizgerät, das mit einer einzigen Frequenz oder Mehrfachfrequenzen arbeitet, um Schläge zu vermeiden und insbesondere die Möglichkeit zu schaffen, Generatoren von geringer Leistung und insbeson dere modulartige Generatoren zu benutzen.

Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Kochplatte der oben angegebenen Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die benachbarten oder ein gleiches Heizelement bildenden Induktoren mit einer gleichen Frequenz oder Mehrfach frequenzen gespeist werden, und dadurch, daß sie zumindest ein Heizelement mit starker Leistung umfaßt, das von zu mindest zwei Induktoren gebildet ist, die eine auf diese Induktoren ungeachtet der auf das Heizelement aufgelegten Auflast aufgebrachte nahezu identische Verbraucherimpedanz besitzen. Eine einzige Steuerung steuert dann die Genera toren, die in Resonanzform mit weicher Kommutation ar beiten.

In vorteilhafter Weise umfaßt diese Kochplatte zwei mit Induktoren ausgerüstete Induktionsheizelemente, wobei zu mindest eines der Heizelemente (erstes Heizelement) eine starke Leistung mit zumindest zwei Induktoren hat, die eine ungeachtet der Art, der Form und der Position der auf dieses Heizelement aufgebrachten Auflast nahezu identische Verbraucherimpedanz besitzen. Ein Wechselrichtergenerator ist jedem Heizelement zugeordnet und arbeitet mit weicher Kommutation, wobei eine einzige Steuerung die beiden Gene ratoren steuert. Eine Kommutationsvorrichtung ist dem Ge nerator des zweiten Heizelements zugeordnet und besitzt zwei Zustände:

- einen Normalzustand, für den die Kommutationsvor richtung den Generator mit dem Induktor des zweiten Heizelements verbindet, und
- einem Leistungszustand, in dem die Kommutationsvor richtung den Generator des zweiter Heizelements mit dem zweiten Induktor des ersten Heizelements verbin det.

Die Resonanzwechselrichtergeneratoren ermöglichen es, wenn sie in der Frequenz synchronisiert sind, ein Heizelement von starker Leistung mit Generatoren von geringer Leistung zu schaffen, die besonders wirtschaftlich sind, da sie permanent in der weichen Kommutationsform arbeiten. Eine Kommutationsvorrichtung ermöglicht es, die Leistung zweier oder mehrerer Generatoren auf verschiedene Heizelemente zu leiten; es ist jedoch durchaus möglich, diese Kommutati onsvorrichtung nicht zu benutzen und permanent mehrere Ge neratoren mit einem einzigen Heizelement, indem so seine Leistung erhöht wird, zu verbinden.

Dank der Kommutationsvorrichtung ist es der Kochplatte möglich, von der Tatsache zu profitieren, daß es bei einer geläufigen Benutzung dieser Geräte für den Benutzer nicht notwendig ist, kontinuierlich über die erhöhten Leistung zu verfügen, umsomehr bei Induktionssystemen, wo die Leistung direkt an die Auflast übertragen wird, ist der Nutzeffekt besonders hoch. Diese Leistungen sind bei be sonderen Zubereitungen, und von kurzer Dauer, nützlich (Wasser kochen, Erwärmen großer Flüssigkeitsmengen, einen großen Grill auf Temperatur bringen). Im Dauerbetrieb sind die notwendigen Leistungen für den Erhalt eines Kochvor gangs (am Kochen halten, schonendes Weiterkochen) sehr viel geringer, und können von einem einzigen Generator ge liefert werden.

Bei dieser Kochplatte können die beiden Heizelemente je weils von zwei oder mehreren Induktoren gebildet sein, die, für jedes Heizelement, eine von seinen Induktoren ge lieferte nahezu identische Verbraucherimpedanz haben; da jedes Heizelement einem Generator zugeordnet ist, ermög lichen es die Kommutationsvorrichtungen, Generatoren anderer Heizelemente mit den Induktoren eines gleichen Heizelements zu verbinden, um so über eine sehr große Leistung zu verfügen, die von mehreren Generatoren mit ge ringer Leistung und nicht von einem einzigen Generator mit hoher Leistung geliefert wird. Dieses ermöglicht insbe sondere eine modulartige Herstellung, und in großem Maß stab, von Resonanzwechselrichtergeneratoren geringer Leistung, die im übrigen auf zahlreichen anderen Gebieten einsetzbar sind.

Der Markt der Leistungselektronik und der Frequenzwandler befindet sich in starker Ausdehnung und einige Anwendungen sind oder werden demnächst in Millionen von Exemplaren produziert, wie die Frequenzwandler für die Steuerung von Motoren oder die für die Magnetronen für Mikrowellenherde z. B. bestimmten Leistungsversorgungen. Es ist daher wirt schaftlich sehr vorteilhaft, von diesem Steigerungseffekt profitieren zu können, sei es bei den Leistungsbauteilen, sei es bei den Mikrosteuerungsgeräten, sei es bei den Ge neratoren selbst. Die Produktionen in großer Serie ergeben sich bei den Wandlern, deren Leistung geringer ist. Die beschriebene Herstellungsart ermöglicht es, über Genera toren verschiedener Leistung zu verfügen, indem man diese Wandler mit geringer Leistung mit Heizelementen kuppelt, deren Leistung gleich der Summe der Leistungen der mit dem Heizelement verbundenen Wandler ist.

Die Frequenz der verschiedenen mit einem Heizelement ver bundenen Generatoren muß daher identisch sein oder ein Mehrfaches ein und derselben Frequenz betragen. Die Phase der verschiedenen Generatoren ist im allgemeinen null (Ge neratoren in Phase), jedoch kann es vorteilhaft sein, die Generatoren in Phasenopposition zu steuern, um den Magnetfluß benachbarter Induktoren zu kumulieren, was außerdem die Wirkung hat, daß das Magnetfeld in der unmit telbaren Umgebung der Induktoren verringert wird. Im Falle geschachtelter Induktoren, die ein gleiches Heizelement bilden und jeweils eine nahezu identische Verbraucher impedanz erbringen, wenn sich die gleiche Anzahl ver schachtelter Induktoren in Phase und in Opposition befin det, erzeugt sodann das Heizelement ein Magnetfeld und da mit eine Leistung von nahezu null. Indem man die je weiligen Phasen der mit dem Heizelement verbundenen Gene ratoren von 180° bis 0° variieren läßt, kommt man sehr leicht dazu, die Leistung des Heizelements von null auf eine Gesamtleistung sämtlicher Generatoren variieren zu lassen, die mit dem Heizelement verbunden sind, wenn sie alle in Phase sind. Dieses ist besonders vorteilhaft, da die Regelung der Leistung dann mit einer fixen Frequenz erfolgen kann, die ausreichend nahe an der natürlichen Re sonanz des Wandlers gewählt werden kann, derart, daß die Verluste in diesem minimiert werden. Die Leistungsreglung ist viel enger, da es schwierig ist, die Arbeitsfrequenz des Generators in bezug auf seine natürliche Resonanz un bestimmt zu erhöhen, um seine Leistung abzusenken, und diesseits einer bestimmten Leistung müssen Schneid techniken angewandt werden, um ausreichend schwache Leistungen zu erreichen. Schließlich kann das Annulieren des Feldes eines Induktors durch die Steuerung der Wandler, die mit ihm verbunden sind, ebenfalls besonders vorteilhaft sein, mit dem Ziel, das magnetische Streufeld im Falle von nicht oder schlecht mit Auflasten gekuppelten Induktoren zu minimieren.

Gemäß weiteren vorteilhaften Merkmalen

- umfaßt die Platte mehrere Generatoren von geringer Leistung, die mit einem oder mehreren Induktoren ver bunden sind;
- umfaßt die einzige Steuerung einen Fühler, der das Vor handensein einer Auflast auf einem Induktor erkennt, um dessen Versorgung durch einen oder mehrere Generatoren zu gestatten;
- steuert die einzige Steuerung die benachbarten Induk toren so, daß ihre elektromagnetischen Felder komulative Flüsse zwischen den Induktoren und unter der Auflast aufweisen;
- steuert die einzige Steuerung die Induktoren eines gleichen Heizelements, indem die relative Phase der Ströme geregelt wird, die von den diesen Induktoren zu geordneten Generatoren geliefert werden in einem Phasen verschiebungsbereich zwischen 0° und 180°, um die Leistung des Heizelements zu regeln oder die Strahlung des Heizelements zu begrenzen;
- ist die Platte von Generatoren mit geringer Leistung ge bildet, die in Großserie mit Vorrichtungen produziert werden, die es ermöglichen, sie zu assoziieren und Heiz elemente mit sehr hoher Leistung zu schaffen;
- sind die Induktionsspulen in der Lage, erhöhten Tempe raturen Stand zu halten und so nahe wie möglich an der Auflast angeordnet, stets elektrisch isoliert, derart, daß der Widerstand der Spule unter Last vor ihrer Induk tivität stark ist;
- umfaßt der Generator einen Entkopplungskondensator, der aufgeteilt ist, um einen kapazitiven Teiler mit Quasi-Fixspanung zu erzeugen;
- besteht die Kommutationsvorrichtung aus einem Kommu tator, um den Generator des zweiten Heizelements auf den zweiten Induktor des ersten Heizelements zu schalten;
- umfaßt die Kommutationsvorrichtung einen Schalter zwischen dem Verbindungspunkt der Induktivitäten des ersten Heizelements und den Kondensatoren des Resonanz kreises der ersten Induktivität des ersten Heizelements, um den Resonanzkreis des ersten Induktors des ersten Heizelements zu schließen (Öffnen), und einen Kommutator zum Schalten des Induktors des zweiten Heizelements auf seinen Generator oder zum Schalten des zweiten Gene rators auf den zweiten Induktor des ersten Heizelements, in Reihe mit dem ersten Induktor dieses ersten Heizele ments und in Reihe mit einem gemeinsamen Kondensator.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben:

Fig. 1 ist ein Schema einer ersten Ausführungsform einer Kochplatte mit zwei Heizelementen nach der Erfindung im Normalbetrieb und unabhängig von den beiden Heizelementen;

Fig. 1A zeigt das Schema der Fig. 1 in der Leistungs arbeitsweise auf dem Heizelement, das von ein geschachtelten Induktoren gebildet ist, die eine identische Verbraucherimpedanz erbringen;

Fig. 2 zeigt ein Schema einer ersten Ausführungsab wandlung einer Kochplatte mit zwei Heizelemen ten in normaler Arbeitsweise und die beiden Heizelemente unabhängig;

Fig. 2A zeigt das Schema der Kochplatte nach Fig. 2 in der Leistungsarbeitsweise,

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsabwandlung einer Kochplatte mit zwei Heizelementen nach der Er findung in normaler Arbeitsweise;

Fig. 3A zeigt das Schema der Kochplatte nach Fig. 3 in der Leistungsarbeitsweise;

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer Kochplatte mit drei Induktoren, die eine beliebige Ver braucherimpedanz erbringen;

Fig. 5 zeigt eine Verallgemeinerung der Kochplatte nach Fig. 4, die mit mehreren Induktoren ar beiten kann, die eine beliebige Verbraucher impedanz erbringen.

Gemäß Fig. 1 betrifft die Erfindung eine nicht darge stellte Induktionskochplatte, die zwei Heizelemente F1, F2 umfaßt. Eines der Heizelemente F1 bzw. das erste Heizele ment ist vorgesehen, um eine starke Leistung zu liefern, während das andere Heizelement F2 vorgesehen ist, um eine mittlere Leistung zu liefern.

Das Heizelement F1 mit starker Leistung umfaßt zwei Induk toren L1, L'1, die eine quasi identische auf diese Induk toren gebrachte Verbraucherimpedanz besitzen. Diese iden tische Verbraucherimpedanz wird durch die hier nicht be schriebene Konzeption der Induktoren erreicht. Diese Verbraucherimpedanz ist die gleiche, ungeachtet der Art, der Form und der Position der Auflast, d. h. des zu heizen den Gerätes, das auf das mit seinen beiden Induktoren aus gerüstete Heizelement F1 aufgesetzt ist. Diese Heizele mente werden mit einem Hochfrequenzstrom gespeist, wie dies allgemein bekannt ist, ausgehend von einer mit E schematisierten Gleichspannungsquelle. Diese Quelle stellt faktisch eine Gleichrichter- und Filtereinheit dar, die an das elektrische Verteilernetz angeschlossen ist und am Ausgang eine gleichgerichtete Spannung liefert, die eine Nullkomponente besitzt.

Diese Gleichspannung speist zwei Wechselrichtergeneratoren G1, G2. Der Generator G1 ist dem Heizelement F1 und der Generator G2 dem Heizelement F2 zugeordnet. Diese Genera toren arbeiten mit weicher Kommutation. Sie bestehen je weils aus zwei Transistoren T1, T2 bzw. T3, T4, die in ge wohnter Weise mit nicht bezeichneten Dioden und Konden satoren ausgerüstet sind. Diese Generatoren speisen je weils einen Schwingkreis, der von einer Induktanz und einer Kapazität gebildet ist, wobei die durch die Auflast auf den Induktoren erbrachten Widerstände nicht darge stellt und einfach in dem Ausdruck Li, in Reihe mit den Widerständen, enthalten sind.

Der Schwingkreis des Generators G1 ist durch die Indukti vität L2 des Induktors I₂ des Heizelements F2 und der Lastkondensatoren C1, C2 gebildet.

Der Schwingkreis des Generators G2 ist von der Induktivi tät L2 des Induktors I₂ des Heizelements F2 und den Last kondensatoren C3, C4 gebildet.

Die Transistoren T1, T2 und T3, T4 der beiden Generatoren G2, G1 sind an eine gemeinsame Steuerung CU angeschlossen, die sie entweder unabhängig oder synchron steuert.

Das Leistungsheizelement F1 besteht aus zwei Induktoren L₁, L'₁, die verbunden sind, damit ihre erbrachte Ver braucherimpedanz identisch ist; und ihre Verbindung ist in Fig. 1 dargestellt.

Die Versorgung E ist durch einen Entkopplungskondensator Cd abgekoppelt.

Der Schaltkreis umfaßt ferner eine Kommutationsvorrichtung mit zwei Zuständen, in Normal- und einen Leistungszustand. In dem Beispiel ist die Kommutationsvorrichtung von einem Kommutator K1 mit zwei Stellungen gebildet, der dem Gene rator G2 des zweiten Heizelements F2 zugeordnet ist. Dieser Kommutator K1 kann sich im Normalzustand (Fig. 1) befinden, indem er den Kreis des Genertors G2 schließt, da dieser sodann an die Induktivität L2 des Induktors I₂ an geschlossen ist und die Speisung des Heizelements F2 er möglicht. Dieser Kommutator K1 kann ferner in einen zweiten Zustand bzw. Leistungszustand (Fig. 1A) übergehen, in welchem er einen Anschluß der Induktivität L1' des er sten Heizelements F1 gewährleistet, so daß in dieser Po sition die Induktivität L₁ von dem Generator G1 und die Induktivität L'1 von dem Generator G2 gespeist wird, wobei die Induktivität L₂ des zweiten Heizelements F2 abge schaltet ist. Wenn hypothetisch in dieser zweiten Position die Verbraucherimpedanzen und damit die Induktivitäten L1, L'1 identisch sind, können die beiden Induktoren I₁, I'₁ des Heizelements F1 synchron gesteuert werden und synchron in weicher Kommutationsart arbeiten.

Die beiden Generatoren liefern eine variable Leistung zwischen null und einer maximalen Leistung P gleich oder unterschiedlich für die beiden in Normalposition, und wenn der Kommutator K1 den Anschluß des Induktors I₂ herbei führt, können die Heizelemente F1 und F2 alle beide eine Leistung erhalten, die bis zur maximalen Leistung P jedes der Generatoren G1, G2 geht, mit denen sie unabhängig ver bunden sind. Die beiden Generatoren können daher für unterschiedliche Leistungen dimensioniert sein.

In dem zweiten, sog. Leistungszustand erhält das Heizele ment F1 einen doppelte Leistung, die bis zur maximalen Leistung 2P gehen kann.

Es ist zu bemerken, daß, da die Induktivitäten L1, L1' durch ihre Anordnung in ihrem Induktor des Heizelements F1 gekoppelt sind, die Notwendigkeit besteht, daß die Ströme, die sie durchqueren, synchron sind. Dies ist gewährleistet durch die einzige Steuerung CU der beiden Generatoren G1, G2 und durch die Tatsache, daß die Auflast, die auf sie aufgebracht wird, die gleiche ist.

Dieser Aufbau der Fig. 1 kann auf eine Zahl (n) von Wechselrichtern verallgemeinert werden, die es ermög lichen, an ein Heizelement eine Leistung zu übertragen, die von null bis n . P geht. Dies ermöglicht es, wie bereits oben ausgeführt, ein Heizelement von starker Leistung mit Generatoren von schwacher Leistung zu realisieren. Als Beispiel sind für bestimmte gewerbliche Anwendungen Heiz elemente mit einer Leistung in der Größenordnung von 7 bis 8 kW erforderlich. Man kann somit ein Heizelement mit einer Leistung von 7,2 kW realisieren, indem vier Gene ratoren benutzt werden, von denen jeder eine Leistung von 1,8 kW besitzt und die an ein Heizelement mit vier ge schachtelten Induktoren angeschlossen sind. Dieser Aufbau ist ebenfalls anwendbar bei Kombinationen geschachtelter Induktoren, die dann eine identische oder mehrfache Verbraucherimpedanz erbringen, derart, daß die Arbeits frequenzen der verschiedenen Generatoren identisch oder mehrfach sind. Im Falle von (n) Wechselrichtern können diese vorteilhaft (n') Kommutationsvorrichtungen besitzen, derart, daß in der Leistungsposition ein Heizelement die Leistung von (n) Generatoren erhalten kann oder mehrere Heizelemente eine Leistung über die Leistung eines einzelnen Generators hinaus erhalten können, und in Nor malposition die (n) Generatoren jeweils ein Heizelement der Induktionskochplatte beliefern, wobei einige Heizele mente permanent mit mehreren Generatoren arbeiten können.

Das Schema der Fig. 1 kann ferner so verallgemeinert wer den, daß es vollständig symmetrisch ist, d. h. zwei Heiz elemente hat, die jeweils zwei Induktoren aufweisen, der art, daß die unabhängige Versorgung jedes der Heizelemente mit seinem Generator und der Einsatz von nur einem der beiden Induktoren oder der Anschluß der beiden Generatoren an die beiden Induktoren eines gleichen Heizelements mög lich ist. Dieses kann bei bestimmten Ausbildungen der Heizoberfläche notwendig sein, um Leistungsheizelemente vorn an der Heizplatte und nicht allein hinten zu haben, wie es herkömmlicherweise der Fall ist.

Da die Kochplatten im allgemeinen vier Heizelemente um fassen, ist es faktisch ausreichend, zwei potentiell sehr leistungsstarke Heizelemente vorzusehen. Das zeitweilige Stillsetzen des vorderen Heizelements während der Nutzung mit starker Leistung des hinteren Heizelements ist nicht hinderlich in dem Maße wie die Leistung jedes Generators verhältnismäßig hoch ist (1400 bis 1800 W maximal) und noch zwei auf der Kochplatte verfügbare ergänzende Heiz elemente verbleiben. Dieses ist schließlich besonders vor teilhaft, da die Heizelementflächen verschieden sind und besser einem Normalgebrauch entsprechen, wo man Kochtöpfe von unterschiedlichen Größen verwendet, die großen auf den großen Heizelementen, die sehr leistungsstark sein können, und die kleinen auf den kleinen Heizelementen, deren Leistung in bezug auf die Größe der zu erhitzenden Auflast ausreichend bleibt.

Bei dem Aufbau gemäß Fig. 1 müssen die Auflasten sehr ähn lich sein. Hierdurch werden nicht nur der Konzeption der Induktoren I₁, I₁' Verpflichtungen auferlegt, sondern auch den Toleranzen der Resonanzkondensatoren.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsabwandlung der Kochplatte nach der Erfindung, die es ermöglicht, die den Bauteilen der Schwingkreisen auferlegten Zwänge zu vermeiden.

Die Schaltungselemente, die mit denen der Schaltung nach Fig. 2 identisch sind, tragen die gleichen Bezugszeichen.

Diese Schaltung unterscheidet sich durch einen zusätz lichen Ladungskondensator C5 und eine Kommutationsvor richtung, die außer einem Schalter K2 auch einen Kommuta tor K3 umfaßt.

Die beiden Induktoren I₁, I₁' sind ihrerseits geschachtelt, und ein Doppelstrich stellt schematisch ihre elektro magnetische Kupplung im Heizelement F1 dar.

Der Schalter K2 kann sich in einer Schließstellung (Fig. 2) und in einer Offenstellung (Fig. 2A) befinden. Der Kommutator K3 kann sich in einer Stellung a (Fig. 2) oder in einer Stellung b (Fig. 2A) befinden.

Somit kann man gemäß der Stellung des Schalters K2 und des Kommutators K3 die beiden Heizelemente F1, F2 getrennt ar beiten lassen, indem man jedes durch seinen Generator G1, G2 speist, oder das Heizelement F1 in Leistung arbeiten lassen, indem man es mit den beiden Generatoren G1, G2 speist. Im ersteren Fall sind die Resonanzkreise für das Heizelement F1 von der Induktivität L1 und den Ladungs kondensatoren C1, C2 und für das Heizelement F2 durch die Induktivität L2 und die Ladungskondensatoren C3, C4 gebil det. Wenn die beiden Generatoren G1, G2 mit den beiden In duktivitäten L1, L1' mit den beiden Induktoren I₁, I₁' des Heizelements F1 verbunden sind, ist der Resonanzkreis von den Induktivitäten L1, L1' in Reihe mit dem Ladungskonden sator C5 gebildet.

Die Fig. 2 zeigt für die Position in dicken Linien der Kommutationselemente (Schalter K2, Kummutator K3) die Speisung des Induktors I₁ des Heizelements F1, da der Re sonanzkreis L1, C1, C2 an die Zuführung angeschlosen ist und den Betrieb des Heizelements F2, da der Resonanzkreis L2, C3, C4 an die Zuführung angeschlossen ist.

In dieser Betriebsart sind die Befehle der beiden Wechsel richter unabhängig in Funktion der Befehlsabfolgen und ihrer jeweiligen Auflasten; wie für das Schema nach Fig. 1 sind die Betriebsfrequenzen vollständig asynchron, was eine ausreichende Beabstandung der beiden verschiedenen Heizelemente erfordert.

Die Fig. 2A zeigt die Position der Kommutationselemente K2, K3 für den Betrieb des Heizelements F1 in Leistung, wobei das Heizelement F2 abgeschaltet ist.

Schalter und Kommutator K2, K3 nehmen die folgende Posi tion ein: Der Schalter K2 ist offen und der Kommutator K3 befindet sich in der Position b, wobei die Induktoren (In duktivitäten L1 + L'1) am Kondensator C5 in Reihe geschal tet werden und der Resonanzkreis des Induktors I₂ des Heizelements F2 abgetrennt wird. Die in den Induktivitäten L2, L'1 zirkulierenden Ströme sind dann vollkommen iden tisch und dieses ungeachtet der Toleranz in den Bauteilen, insbesondere den Resonanzkondensatoren, da diese Induktivitäten in Reihe gespeist werden.

Der Kommutationszustand der beiden Funktionsarten der Schaltung nach Fig. 2 erfolgt auf folgende Weise:

Normalzustand

Normalbetrieb und Heizelemente F1 und F2 unabhängig:

L1 und L2: aktiv
L'1 = 0
K2 = 1
K3 = a (Fig. 2)

Leistungszustand

Arbeitsweise mit hoher Leistung des Heizelements F1:

L1 + L'1: aktiv
L2 = 0
K2 = 0
K3 = b (Fig. 2A)

Die Fig. 3 zeigt eine Vereinfachung der Schaltung nach Fig. 2, bei der die Anzahl der benutzten Kondensatoren mi nimiert ist.

Bei dieser Abwandlung verwendet man die gleichen Bezugs zeichen wie oben, um die gleichen Elemente zu bezeichnen.

Die Abwandlung besteht in der Umwandlung des Entkopplungs kondensators Cd, der getrennt ist in zwei Kondensatoren Cd1, Cd2, die einen kapazitiven Teiler bilden, der eine quasi feste Spannung abgibt. Hierzu müssen die Konditionen zwischen den Kapazitäten Cd1, Cd2, C1 und C2 wie folgt be achtet werden:

Cd1 + Cd2 << C1

Cd1 + Cd2 << C2

Den Entkopplungskondensator in zwei Kondensatoren zu trennen, ist besonders vorteilhaft, um die Gesamtdicke des Generators zu reduzieren.

Wie zuvor, kann diese Kochplatte nach normaler Art mit zwei unabhängigen Heizelementen und einer Betriebsart mit einem einzigen Heizelement von starker Leistung arbeiten.

Diese beiden Arten sind jeweils für die Position des Schalters und Kommutators K2, K3, die die Kommutationsvor richtung bilden, in Fig. 3 und Fig. 3A dargestellt.

Der Kondensator C5 der zweiten Abwandlung (Fig. 2) ist in diesem Fall nicht vorhanden.

Die beiden Funktionsarten sind die folgenden:

Zustand der Normalfunktion (Normalzustand) bei unab hängigen Heizelementen F1, F2:

Der Schalter K2 ist geschlossen und der Kommutator K3 in der Position a. Die Induktivitäten L1, L2 der Induktoren der beiden Heizelemente F1, F2 sind gesondert ange schlossen, jedes an seinen Generator G1, G2.

Die Induktivität L'1 ist nicht angeschlossen.

Der allein für das Heizelement F1 in Betrieb genommene Schwingkreis des Induktors I₁ ist von der Induktivität L1 und den Kondensatoren C1, Cd1, Cd2 gebildet.

Der Schwingkreis des Generators G2 ist von der Induktivi tät L2 und den Kondensatoren Cd1, Cd2 gebildet.

Diese Betriebsart stellt sich wie folgt dar:

L1 und L2: aktiv
L'1 = 0
K2 = 1
K3 = a (Fig. 3)

Der zweite Funktionszustand entspricht der Funktion hoher Leistung des Heizelements F1 allein, wobei das Heizelement F2 nicht gespeist wird. Der Schalter K2 ist dann offen und der Kommutator K3 in der Stellung b.

In diesem Fall sind die Induktivitäten L1, L1' der Induk toren I₁, I₁, des Heizelements F1 auf die Kondensatoren C1, C2 in Reihe geschaltet und bilden die Last der Brücke bei H, gebildet durch die beiden elementaren Wandler G1, G2.

Diese Betriebsart stellt sich wie folgt dar:

L1 + L1': aktiv
L2 = O
K2 = 0
K3 = b (Fig. 3A)

Dieser Aufbau bietet den Vorteil, daß das Gesamtvolumen der Kondensatoren für eine mit der vorstehenden Arbeits weise quasi identische Arbeitsweise deutlich verringert wird.

In allgemeiner Form verlangen die Anordnungen 2 und 3 nicht mehr die Verwendung besonderer Induktoren, die eine identische Verbraucherimpedanz erbringen. Es ist sodann möglich, die Gestaltungen zur Anordnung der Induktoren zu erweitern, indem Heizelemente in verschiedenen Formen und Abmessungen in Zuordnung elementarer Induktoren realisiert werden. Man kann z. B. langgestreckte Heizelemente schaffen, die dazu bestimmt sind, Fischplatten zu er hitzen, wobei diese langgestreckten Heizelemente zum Bei spiel von zwei Heizelementen gebildet sind, von denen das eine neben das andere gesetzt ist. Die Betriebsfrequenz ist sodann einheitlich durch die verwendeten Strukturen.

Dies bedingt indessen einen identischen Strom in diesen Heizelementen und damit die Unmöglichkeit, die Leistung bei benachbarten Heizelementen getrennt zu regeln. Es ist indessen möglich, unter Beibehaltung einer einzigen Fre quenz oder mehrfacher Frequenzen die Leistungen benach barter Heizelemente getrennt zu regeln; es ist dann not wendig, besondere Strukturen zu verwenden, die den Begriff Meistergenerator und Sklavengeneratoren verwenden lassen, deren Betrieb an den Betrieb des Meisters gebunden ist.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführung, um z. B. drei Induktoren I1, I2, I3 zu speisen, deren jeweilige Induktivitäten L1, L2, L3 beliebig sind.

Diese Schaltung kann für die Speisung von 2 bis n Induk toren verwendet werden; für 1 Induktor findet man das Schema einer herkömmlichen Halbbrücke in Resonanzreihe.

Die Schwingkreise sind jedesmal von den Iinduktivitäten L1, L2, L3 und den zugehörigen Kondensatoren (C10, C'10), (C20, C'20), (C30, C'30) gebildet. Diese Schaltung umfaßt mehrere Resonanzwechselrichter auf einer gemeinsamen Basisfrequenz. Man findet verschiedene Generatoren.

Somit wird, wenn die Transistoren T30, T40 blockiert sind, die Induktivität L1 mittels der Halbbrücke (T10, T20) ge speist.

Wenn die Transistoren T10 und T20 blockiert sind, speisen die Transistoren T30, T40 die Induktivität L3. Endlich wird, wenn die Transistoren T10, T40 blockiert sind, die Induktivität L2 mittels der Halbbrücke (T20, T30) ge speist. Man kann sie ferner gleichzeitig speisen, indem ein Induktor als Meisterinduktor angesteuert wird und die anderen Induktoren durch die gleiche Spannung, jedoch mit einem zyklischen Verhältnis, angesteuert werden, das nach der Modulationstechnik der Impulsgröße MGI regelbar ist. In diesem Fall paßt man die Kapazität der Resonanzkonden satoren an, damit alle Schalter nach einer Kommutationsart mit Dualthyristor arbeiten. In diesem Fall hat man eben falls eine weiche Kommutation ausgehend von einer einzigen Frequenz für nichtsdestoweniger unterschiedliche Auf lasten, die jedem der Induktoren I1, I2, I3 zugeordnet sind, die gleichzeitig verwendet werden können und einer nahe dem andern angeordnet sind, ohne die Gefahr, Frequenzschläge zu erzeugen, dies mit der Möglichkeit unterschiedlicher Leistungen bei von verschiedenen Wechselrichtern gespeisten benachbarten Induktoren, wobei die Leistungsregelungen in Abhängigkeit von der Größe der Impulse (MGI) erfolgen. Man wird bemerken, daß eine Zer hackermethode MGI ohne an diesem Kunstgriff vorbeizugehen, eine sehr erhebliche Überdimensionierung des Generators aufgrund des sehr induktiven Charakters der Induktoren mit sich bringen würde. Dieser sehr induktive Charakter kann gedämpft werden, indem man den Induktor an das Maximum seiner Auflast annähert, d. h. indem das Material aus glas keramischem Glas durch ein widerstandsfähigeres Material einer geringeren Dicke ersetzt wird, welches die elek trische Isolierung des Induktors und seiner Auflast ge währleistet.

Die Fig. 5 zeigt eine Schaltungsvariante der Fig. 4 für eine größere Anzahl von Induktoren, die nach dem gleichen Prinzip mit einem Meisterinduktor und Sklaveninduktoren zu steuern sind, indem in Kommutation im Durchgang von Null-Spannung (Kommutation ZVS) für sämtliche Generatoren, die die Sklaveninduktoren speisen, gearbeitet wird.

Die Schaltung besteht aus einer Meisterschaltung im oberen Bereich L(CO, C'O) und Sklavenschaltungen, die von den In duktivitäten LA, LB, LC, LD und den zugeordneten Konden satoren (CA, C'A), (CB, C'B), (CC, C'C), (CD, C'D) gebil det sind. Jeder so gebildete Schwingkreis wird von den Kommutatoren (T2i, T3i) (T21, T22, T23, T24 . . ., T31, T32, T33, T34) gesteuert.

Der Schalter T1 wird von einer herkömmlichen Spannung ge steuert und jeder der Arme T2i, T3i wird nach einem vari ablen zyklischen Verhältnis im Inneren dieser Spannung ge steuert, gesondert regelbar für jeden Generator.

Die Kommutationsbedingungen der Betriebsart ZVS sind wie folgt:

- Bei der Öffnung eines Schalters T2i soll der Strom Ii größer sein als 0
- um die Schalter T3i (die sämtlich gleichzeitig geöffnet werden müssen) öffnen zu können, ist es erforderlich, daß
Io < I1 + I2 + . . . + Ii - 1.

Parallel kann man den Strom Io auf feste und kontrollierte Art und Weise erzeugen, indem man nicht einen Induktor, sondern z. B. eine reine Induktivität von festem Wert speist; die Spitzenwerte des Stroms sind fix und berech net, um die Kommutation ZVS sämtlicher Generatoren zu er möglichen. Diese Modulstruktur ist gut geeignet zur Steuerung eines Induktorensystems mit einer großen Anzahl von elementaren Wicklungen. Die Leistung jedes Generators ist dann gering.

Diese Struktur nach der Erfindung ermöglicht es somit, bei einer gleichen Kochplatte getrennte Induktoren zu ver wenden und sie ausreichend anzunähern, damit sie eine große Kochfläche bilden können, die entweder ein einziges Behältnis von großer Abmessung mit hoher Leistung oder verschiedene Behältnisse mit Leistungen, die unterschied lich sein können, erhitzen kann. Da die "Sklaven"-Wandler eine geringe Leistung haben, ist es möglich, sehr wirt schaftliche Bauteile, wie oben angezeigt, zu verwenden, zudem sie im übrigen in sehr großer Serie verwendet werden.

Claims

1. Induktionskochplatte mit von Generatoren gespeisten Heizelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizele mente zumindest einen Induktor umfassen und die benachbar ten oder ein gleiches Heizelement bildenden Induktoren mit einer gleichen Frequenz oder Mehrfachfrequenzen gespeist sind.

2. Kochplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Heizelemente eine starke Leistung hat und von zumindest zwei Induktoren gebildet ist, die eine auf diese Induktoren ungeachtet der auf das Heizelement aufgelegten Auflast aufgebrachte nahezu identische Verbraucherimpedanz besitzen, eine einzige Steuerung (CU) die Generatoren steuert und die Generatoren in Resonanz form mit weicher Kommutation arbeiten.

3. Kochplatte nach Anspruch 1, mit zumindest einem Gene rator, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator von einem Meister-Wechselrichter gebildet ist, der zumindest einen Leistungsinduktor oder eine reine Induktivität beliefert, und zumindest ein weiterer Wechselrichter in Sklavenform arbeitet und mit zumindest einem Induktor verbunden ist, der Sklavengenerator die Frequenz des Meistergenerators verwendet und die Leistung des Sklavenwechselrichters in MGI-Form regelbar ist.

4. Kochplatte nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß sie mindestens zwei getrennte Heizelemente und zumindest zwei Generatoren und eine einem der Genera toren zugeordnete Kommutationsvorrichtung (K) mit zwei Zu ständen umfaßt:
einem Normalzustand, für den die Kommutationsvorrichtung den zweiten Generator mit dem das zweite Heizelement bildenden zweiten Induktor verbindet, und
einem Leistungszustand, für den die Kommutationsvor richtung den zweiten Generator mit dem zweiten Induktor des ersten Heizelements verbindet, um die Leistung dieses Heizelementes zu erhöhen, wobei die Steuerung (CU) die beiden Generatoren (G1, G2) steuert, um die beiden Induk toren (I1, I1') mit der gleichen Frequenz oder Mehrfach frequenzen zu speisen.

5. Kochplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Generatoren von geringer Leistung umfaßt, die mit einem oder mehreren Induktoren verbunden sind.

6. Kochplatte nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die einzige Steuerung (CU) einen Fühler um faßt, der das Vorhandensein einer Auflast auf einem Induk tor feststellt, um dessen Versorgung durch einen oder mehrere Generatoren zu ermöglichen.

7. Kochplatte nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die einzige Steuerung (CU) die benachbarten Induktoren steuert, damit ihre elektromagnetischen Felder kumulative Flüsse zwischen den Induktoren und unter der Auflast aufweisen.

8. Kochplatte nach den Ansprüchen 1, 2 und 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die einzige Steuerung (CU) die Induk toren eines gleichen Induktors steuert, indem die relative Phase der von den diesen Induktoren zugeordneten Genera toren gelieferten Ströme in einem Bereich der Phasenre gelung zwischen 0° und 180° geregelt wird, um die Leistung des Heizelementes zu regeln oder die Strahlung des Heiz elementes zu begrenzen.

9. Kochplatte nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß sie von in Großserie produzierten Generatoren schwacher Leistung gebildet ist, mit Vorrichtungen, die es ermög lichen, sie zuzuordnen und Heizelemente von großer Leistung zu bilden.

10. Kochplatte nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß die Induktionsspulen in der Lage sind, erhöhten Tempera turen standzuhalten, und so nahe wie möglich an der Auf last angeordnet sind, dabei stets im elektrisch isolierten Zustand, derart, daß der Widerstand der Spule unter Last vor ihrer Induktivität groß ist.

11. Kochplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Entkopplungskondensator umfaßt, der aufge teilt ist, um einen kapazitiven Teiler mit Quasi-Fix spannung zu schaffen.

12. Kochplatte nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch ge kenzeichnet, daß die Kommutationsvorrichtung aus einem Kommutator (K1) besteht, um den Generator (G2) des zweiten Heizelements (F2) auf den zweiten Induktor (F'1) des ersten Heizelements (F1) zu schalten.

13. Kochplatte nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kommutationsvorrichtung einen Schalter (K2) zwischen dem Verbindungspunkt der Indukti vitäten (I1, I'1) des ersten Heizelements und den Konden satoren (C1, C2) des Resonanzkreises der ersten Indukti vität (I1) des ersten Heizelements (F1), um den Resonanz kreis des ersten Induktors des ersten Heizelements (F1) zu schließen (öffnen), und einen Kommutator (K3) umfaßt, um den Induktor (I2) des zweiten Heizelements (F2) auf seinen Generator (G2) zu schalten oder um den zweiten Generator (G2) auf den zweiten Induktor (I'1) des ersten Heizele ments zu schalten, in Reihe mit dem ersten Induktor (I1) dieses ersten Heizelements (F1) und in Reihe mit einem ge meinsamen Kondensator (C5).

14. Kochplatte nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- einen Entkopplungskondensator (Cd1, Cd2), aufgeteilt, um einen eine Quasi-Fixspannung ergebenden Teiler kapazi tiver Spannung zu bilden,
- einen Kondensator (C1) in Reihe mit der ersten Induk tivität (L1) des ersten Heizelements (F1) und mit dem
- aufgeteilten Kondensator den Schwingkreis der ersten In duktivität bildend,
- einen Leiter (C2) in Reihe mit der zweiten Induktivität (I'1) des ersten Heizelements (F1),
- der Schaltkreis des ersten Induktors (I1) und derjenige des zweiten Induktors (I'1) verbunden nach den beiden Kondensatoren (C1, C2),
- die Kommutationsvorrichtung gebildet von einem Schalter (K2), der die Verbindung zwischen dem Anschlußpunkt der Schaltkreise des ersten und des zweiten Induktors (I1, I'1) am Punkt der Quasi-Fixspannung des Teilers verbin det (öffnet), und von einem Kommutator (K3), der den zweiten Generator (G2) verbindet, sei es mit:
- dem Induktor (I2) des zweiten Heizelements (F2) und den Konensatoren (Cd1, Cd2) und über den geschlossenen Schalter (K2) dem Kondensator (C1) und dem Induktor (L1) des ersten Heizelements,
- mit der zweiten Induktivität (L'1) des ersten Heizele ments, in Reihe mit dem ersten Induktor (I1) und ihren Kondensatoren (C1, C2), wobei der Schalter (K2) die Verbindung zwischen dem Punkt der Quasi-Fixspannung des aufgeteilten Kondensators abgeschnitten hat.