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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anregungsanordnung zur
Erwärmung
von Speisen und/oder Wasser in Flugzeugen mittels Induktionserwärmung, bei
dem zumindest ein einen Induktor aufweisender Lastkreis mit einer
Lastkreiswechselspannung und/oder einem Lastkreiswechselstrom angeregt
wird.
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Bei
der Induktionserwärmung
wird ein Induktor zu Schwingungen im Mittelfrequenzbereich angeregt.
Bekannt ist es, diesen Induktor mit Hilfe einer zusätzlichen
Kapazität
in einen sogenannten Lastschwingkreis einzugliedern, der von einem
Wechselrichter angeregt wird, z.B. durch Zuschalten von Spannungspulsen
in der Nähe
der Resonanzfrequenz des Schwingkreises mittels einer Brückenschaltung,
Halbbrückenschaltung
oder mittels eines einzelnen Schalters.
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Üblicherweise
wird dazu eine Netzspannung, z.B. eine Einphasen- oder Mehrphasen-Wechselspannung
gleichgerichtet, geglättet,
und die Gleichspannung einem Wechselrichter zugeführt, der
den Lastschwingkreis an regt.
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Diese
Anordnung verursacht jedoch einen hohen Anteil von Oberwellen im
Strom am Netzanschluss. Dabei entstehen die Oberwellen im Wesentlichen
durch die Gleichrichtung und Glättung
der gleichgerichteten Spannung und weniger durch den Wechselrichter,
bzw. lassen sich die Anteile, die durch den Wechselrichter entstehen,
sehr leicht filtern, da dieser meist mit deutlich höheren Frequenzen – von einigen
kHz bis hin zu einigen MHz – arbeitet
als die Netzspannung.
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Um
diesen Nachteil zu umgehen, werden im Stand der Technik entweder
passive Filterschaltungen oder aktive sogenannte Power Factor Correction-(PFC)-Glieder
zwischengeschaltet. Beide Schaltungen sind zum einen teuer und zum
anderen sehr schwer, da sie große
Induktivitäten
erfordern. Zudem benötigen
sie viel Platz.
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Induktionsöfen für Flugzeuge
sind z.B. aus der
DE
198 18 831 A1 bekannt. Die Anregungsanordnungen für solche Öfen müssen leicht
sein und haben sehr enge Beschränkungen
bezüglich
der Oberwellen.
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Die
Netzspannung in Flugzeugen beträgt 200
Volt von Phase zu Phase gemessen bei einem Dreiphasen-System, das
bei einer Frequenz von z.B. 400Hz arbeitet. In diesem Bereich arbeiten
die PFC-Glieder nur mit speziell anzufertigenden und deswegen relativ
teuren und zudem schweren Induktivitäten. Ein passives Filterelement
würde noch
aufwändigere
Induktivitäten
(Größe, Gewicht
und Preis) erfordern.
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In
Zukunft sind in den Flugzeugen Spannungen mit ungeregelter Frequenz
(Bereich bis 800Hz) geplant, was die Verwendung von PFC-Gliedern noch komplizierter
macht. Außerdem
steigen das Gewicht der Anregungsanordnungen und der Preis.
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Eine
Anregungsanordnung des Standes der Technik ist in der
3 gezeigt.
Die Spannung jeder Phase P1, P2, P3 wird gegenüber dem Neutralleiter N mit
je einem einzelnen Brückengleichrichter
11,
21,
31 gleichgerichtet.
Die so erzeugten Gleichspannungen werden auf je einen Sperrwandler
13,
23,
33 gegeben,
der von je einem PFC-Controller
12,
22,
32 angesteuert
wird. Dieser PFC-Controller
12,
22,
32 sorgt
dafür,
dass ein weitestgehend sinusförmiger Strom
aus dem Netzanschluss gezogen wird und so die auf das Netz wirkenden
Oberwellenanteile gering bleiben. Die Ausgangswechselspannungen
des Sperrwandlers
13,
23,
33 werden wieder
einzeln mittels Gleichrichter
14,
24,
34 gleichgerichtet
und dann auf eine gemeinsame Zwischenkreisspannung U4 gegeben. Die
Zwischenkreisspannung U4 ist durch die Ansteuerung der Sperrwandler
13,
23,
33 einstellbar.
Dadurch erfolgt die Leistungssteuerung der Lastschwingkreise. An
die Zwischenkreisspannung ist ein gemeinsamer Wechselrichter
41 angeschlossen,
der die Lastschwingkreise mit Energie versorgt. In die Lastschwingkreise
integriert sind eine oder mehrere Kapazitäten
43 und die Induktoren
15,
25,
35 zur
Induktionserwärmung,
die die Speiseschalen erwärmen.
Es sind Anregungsanordnungen mit zwei Induktoren
15,
25 für die direkte
Erwärmung
der Speiseschalen und einem dritten zuschaltbaren Induktor
35 für die Erwärmung von
Wasser zur Erzeugung von Wasserdampf bekannt, wie in der
DE 198 18 831 A1 beschrieben.
Der Lastschwingkreis für
die Wasserdampferzeugung wird oft nicht und häufig nicht so lange benötigt wie
die anderen Lastkreise. Der Induktor
35 muss also zuschaltbar
sein. Hierzu wird ein relativ aufwändiger bipolar betreibbarer
Schalter
42 benötigt,
der teuer und schwer ist. Vor allem die Einheit rund um die drei
Sperrwandler
13,
23,
33 ist erstens sehr
schwer, da Spulen mit großen
Ferriten benötigt werden
und zweitens sehr aufwändig
und teuer.
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Die
DE 10 2004 005 601
A1 beschreibt eine Induktionsheizeinrichtung, die an einem
einphasigen Netz betrieben wird und aus einem Gleichrichter, einem
Zwischenkreis ohne Glättungskondensator,
sowie einem als Vollbrücke
geschalteten Wechselrichter besteht, der den aus Induktionsspule
und Schwingkreiskondensator bestehenden Schwingkreis zum Schwingen
anregt.
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Aus
der
DE 101 06 245
A1 ist es bekannt, ein Verfahren zur Speisung eines Rinnenofens
mittels einer ein- oder dreiphasigen Stromversorgung mit mindestens
einer Stromversorgungseinheit zur Leistungssteuerung im Hinblick
auf eine Verwendung des Verfahrens, bei dem jedwede Bauform eines
Rinnenofens ohne Reduzierung der Betriebsspannung betreibbar ist,
derart auszubilden, dass die Leistungssteuerung über eine Pulsweitenmodulation
erfolgt.
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Der
Anmelder hat sich die Aufgabe gestellt, eine Anregungsanordnung
einer Induktionsheizeinrichtung eines Flugzeugs bereitzustellen,
mit der Speisen in einem Induktionsheizofen unter weitestgehender
Vermeidung von Oberwellen mittels Induktionserwärmung erwärmt werden können.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Anregungsanordnung einer Induktionsheizeinrichtung, insbesondere
eines Induktionsofens, eines Flugzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Der Netzanschluss kann ein mehrphasiger Netzanschluss sein, der
je einen Leiter für
jede Phase und einen Neutralleiter umfasst. Die Anregungseinheit kann
an eine Phase, d.h. einen Leiter einer Phase, und einen Neutralanschluss,
d.h. den Neutralleiter, oder an zwei Phasen angeschlossen sein.
Mit einer derartigen Anregungsanordnung liegt am Ausgang des Gleichrichters
und am Eingang des Wechselspannungserzeugers eine im Wesentlichen
ungeglättete
gleichgerichtete Spannung an. Durch die Amplitudenmodulation kann
sichergestellt werden, dass das Netz nur mit einem oberwellenarmen
Strom belastet wird.
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Somit
wird sichergestellt, dass vorgegebene Normen zur Begrenzung der
Stromanteile mit Frequenzen, die größer sind als die Netzfrequenz,
eingehalten werden. An der Phase, an der eine Anregungseinheit,
in der das erfindungsgemäße Verfahren
implementiert ist, angeschlossen ist, wird das Netz im Wesentlichen
mit der Grundschwingung des Netzes belastet. Dies bedeutet, dass
der aus dem Netz gezogene Strom sinusförmig ist und kaum Oberwellenanteile
besitzt.
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Die
Frequenz des Wechselspannungssignals kann größer gewählt werden als die Frequenz der
Netzspannung. Durch diese Maßnahme
wird eine einfache und kostengünstige
Filterung von Strom- oder Spannungsanteilen mit der Frequenz des
Wechselspannungssignals möglich.
Zur Filterung können
Elemente eingesetzt werden, die ein geringes Gewicht aufweisen und
kostengünstig
sind. Somit belasten Strom- und Spannungsanteile mit der Frequenz
des Wechselspannungssignals das Netz nicht. Die Einhaltung von Normen
zur Begrenzung von Störspannungen
auf der Netzspannung wird dadurch sichergestellt.
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Die
Leistungssteuerung der dem Lastkreis zugeführten Leistung kann besonders
einfach und kostengünstig
erfolgen, wenn die Leistungssteuerung durch Beeinflussung der Frequenz
des Wechselspannungssignals erfolgt. Insbesondere ist es nicht notwendig,
wie im Stand der Technik, eine Zwischenkreisspannung zu erzeugen.
Die dafür
notwendigen Elemente, die zum Teil ein sehr hohes Gewicht aufweisen,
können
daher entfallen. Die Leistungssteuerung kann also alleine durch
Frequenzvariation erfolgen.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Leistungssteuerung der dem Lastkreis
zugeführten
Leistung durch Auslassen einzelner Impulse bei der Erzeugung des
Wechselspannungssignals erfolgt. Ein Wechselrichter erzeugt aus
einer Gleichspannung innerhalb einer Periodendauer in der Regel
je einen positiven und einen negativen Impuls, mit denen er den
Lastkreis anregt. Die Leistung kann gesteuert werden, indem einzelne
Impulse ausgelassen werden. Dann wird die dem Lastkreis zugeführte Leistung
geringer. Es erfolgt somit eine einfache und kostengünstige Leistungssteuerung.
Ein zusätzlicher Zwischenkreis
ist nicht notwendig.
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Eine
besonders einfache Bauweise ergibt sich, wenn der Wechselspannungserzeuger
als Wechselrichter ausgebildet ist, wobei die Schalt- oder Zündzeitpunkte
der schaltenden Elemente des Wechselrichters durch eine Steuerung
einstellbar sind. Dadurch, dass eine Steuerung zur Steuerung des
Wechselrichters vorgesehen ist, kann die Frequenz des erzeugten
Wechselspannungssignals nahezu beliebig eingestellt werden. Außerdem kann
der Wechselrichter so gesteuert werden, dass einzelne Impulse zur
Ansteuerung des Lastkreises ausgelassen werden. Dadurch kann eine
geringere Leistung in den Lastkreis eingespeist werden. Insbesondere
ist es mit einer derartigen Ausgestaltung möglich, die Leistungssteuerung
mittels Frequenzvariation vorzunehmen. Auf diese Weise lässt sich
die Leistung am einfachsten mit einer minimalen Bauteilanzahl regeln,
was sich positiv auf Preis und Gewicht der Anregungsanordnung auswirkt.
Es sind weitere Verfahren zur Leistungssteuerung, wie Pulsweitenmodulation
oder Phase-Shift, denkbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Filterelement zwischen
dem Gleichrichter und dem Wechselspannungserzeuger vorgesehen sein. Durch
diese Maßnahme
ist es möglich,
Strom- und Spannungsanteile mit der Frequenz des Wechselspannungserzeugers
zu filtern. Stromanteile dieser Frequenz gelangen nicht zurück ans Netz.
Dadurch wird sichergestellt, dass Normen zur Begrenzung von Störspannungen
auf der Netzspannung eingehalten werden. Dabei ist es insbesondere
vorteilhaft, wenn die Frequenz des vom Wechselspannungserzeuger
erzeugten Wechselspannungssignals deutlich über der Netzfrequenz liegt.
Somit können
einfache und kleine Filter verwendet werden, um Strom- und Spannungsanteile
mit diesen Frequenzen zu bedämpfen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Lastkreis als Serienschwingkreis mit
zumindest einem Kondensator und zumindest einem Induktor ausgebildet
ist. Die Leistungssteuerung in Serienschwingkreisen lässt sich
auf besonders einfache Art und Weise durch Frequenzvariation realisieren.
Dies bedeutet, dass durch Variation der Frequenz des Wechselspannungssignals
die in den Serienschwingkreis gespeiste Leistung einfach eingestellt
werden kann.
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Wenn
die Anregungsanordnung mehrere Anregungseinheiten umfasst, wobei
zwei Anregungseinheiten zur Erwärmung
von Speisen und eine Anregungseinheit zur Erwärmung von Wasser vorgesehen
ist, kann die Anregungsanordnung besonders einfach in bestehende
Systeme zur Erwärmung
von Speisen und/oder Wasser in Flugzeugen integriert werden.
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Vorzugsweise
sind die einzelnen Anregungseinheiten an- und ausschaltbar. Die
Speisen- und Wassererwärmung
ist dadurch einzeln ansteuerbar. Es sind keine teueren Schalter
im Lastkreis oder zwischen dem Wechselspannungserzeuger und dem Lastkreis
notwendig.
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In
den Rahmen der Erfindung fällt
auch ein Induktionsheizgerät,
insbesondere ein Induktionsofen, eines Flugzeugs mit mehreren Anregungsanordnungen,
die an ein mehrphasiges Spannungsversorgungsnetz angeschlossen sind,
wobei einige Anregungseinheiten einen ersten Lastkreis zur Erwärmung von
Speisen und einige Anregungseinheiten einen zweiten Lastkreis zur
Erwärmung
von Wasser aufweisen. Dabei ist an jede Phase des Spannungsversorgungsnetzes
dieselbe Anzahl von ersten und zweiten Lastkreisen angeschlossen.
Durch diese Maßnahme
erfolgt eine gleichmäßige Belastung
der Phasen des Spannungsversorgungsnetzes. In der Regel wird für die Erwärmung der
Speisen eine größere Leistung
benötigt
als für
die Erwärmung
von Wasser. Außerdem
sind die Lastkreise zur Erwärmung
von Speisen in der Regel länger
in Betrieb als die Lastkreise zur Erwärmung von Wasser. Würden an
eine Phase ausschließlich
Lastkreise für
die Erwärmung
von Speisen und an eine andere Phase ausschließlich Lastkreise für die Erwärmung von Wasser
angeschlossen, würde
dies zu einer ungleichmäßigen Belastung
des Spannungsversorgungsnetzes führen.
Die ungleichmäßige Belastung des
Spannungsversorgungsnetzes kann vermieden werden, wenn mehrere Anregungsanordnungen
angeschlossen werden, deren Anregungseinheiten gleichmäßig verteilt
die einzelnen Phasen belasten. Die Belastung der Phasen kann daher über mehrere Verbraucher
Bemittelt ausgeglichen werden.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und
werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Anregungsanordnung;
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2a einen
Spannungsverlauf einer Netzspannung;
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2b eine
gleichgerichtete Spannung;
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2c eine
amplitudenmodulierte Lastkreiswechselspannung;
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3 eine
Anregungsanordnung gemäß dem Stand
der Technik.
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In
der 1 ist eine Anregungsanordnung 100 für Induktionsöfen in Fahrzeugen
zur Erwärmung von
Speisen dargestellt. Die Anregungsanordnung 100 weist einen
Netzanschluss 101 auf, über
den die Anregungsanordnung 100 an ein Spannungsversorgungsnetz
mit den Phasen P1, P2, P3 und dem Neutralanschluss N angeschlossen
ist, wobei der Netzanschluss 101 als Steckkontakt ausgebildet
sein kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
sind Gleichrichter 111, 121, 131 jeweils
an eine Phase P1, P2, P3 und den Neutralleiter N angeschlossen.
Den Gleichrichtern 101, 121, 131 wird
daher die in der 2a dargestellte Netzwechselspannung
U1 zugeführt,
die eine Netzfrequenz aufweist.
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Aus
der Netzwechselspannung U1 erzeugen die Gleichrichter 111, 121, 131 die
in der 2b dargestellte gleichgerichtete
Spannung U2. Bei der Gleichrichtung wird die Spannung nur unwesentlich geglättet. Den
Gleichrichtern 111, 121, 131 sind als Wechselrichter
ausgebildete Wechselspannungserzeuger 117, 127, 137 nachgeschaltet,
die aus der gleichgerichteten Spannung U2 ein Wechselspannungssignal
mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugen. Dadurch entsteht die in
der 2c dargestellte Lastkreiswechselspannung U3. Die
Lastkreiswechselspannung U3 ist eine Schwingung mit der vorgegebenen
Frequenz, die mit der Frequenz der ungeglätteten aber gleichgerichteten
netzseitigen Wechselspannung pulsiert. Die Lastkreiswechselspannung
U3 entspricht somit dem Wechselspannungssignal mit der vorgegebenen
Frequenz als Trägersignal
amplitudenmoduliert mit der Netzeingangsfrequenz, d.h. der Frequenz
des Spannungsverlaufs U1. Das Netz wird somit im Wesentlichen mit
der Grundschwingung des Netzes belastet, was bedeutet, dass der
Strom sinusförmig
ist und kaum Oberwellenanteile besitzt. Mit der amplitudenmodulierten Lastkreiswechselspannung
U3 werden Lastkreise 119, 129, 139 angeregt.
Die Lastkreise 119, 129, 139 sind als
Serienschwingkreise ausgebildet, die jeweils einen Kondensator 118, 128, 138 und
einen Induktor 115, 125, 135 aufweisen.
Die Induktoren 115, 125, 135 sind zur
Erwärmung
von Speisen bzw. zur Erwärmung
von Wasser vorgesehen. Die Induktoren können örtlich entfernt von der restlichen
Anregungsanordnung liegen. Sie können
mittels Kabel an die restliche Anregungsanordnung angeschlossen
sein und der Anschluss an die restliche Anregungsanordnung kann über einen
Steckkontakt ausgebildet sein zur einfachen Montage und Demontage.
Die Leistung zur Regelung der in die Lastkreise 119, 129, 139 gespeisten
Leistung erfolgt durch Steuerungen 120, 130, 140,
durch die die Frequenz des Wechselspannungssignals eingestellt wird.
Um Oberwellen in Richtung des Spannungsversorgungsnetzes zu dämpfen, können Filterelemente 116, 126, 136 zwischen
den Gleichrichtern 111, 121, 131 und
den Wechselspannungserzeugern 117, 127, 137 vorgesehen
sein.
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Die
Anregungsanordnung 100 weist im Ausführungsbeispiel drei Anregungseinheiten
auf, wobei die erste Anregungseinheit aus dem Gleichrichter 111,
dem Filter 116, dem Wechselspannungserzeuger 117 und
dem Lastkreis 119 besteht. Die zweite Anregungseinheit
besteht aus dem Gleichrichter 121, dem Filter 126,
dem Wechselspannungserzeuger 127 und dem Lastkreis 129;
entsprechend entspricht die dritte Anregungseinheit dem Gleichrichter 131, dem
Filter 136, dem Wechselspannungserzeuger 137 und
dem Lastkreis 139.
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In
einem Induktionsofen zur Induktionserwärmung können mehrere Anregungsanordnungen 100 vorgesehen
sein. Die Induktoren 115, 125, 135 der
einzelnen Anregungseinheiten können
unterschiedlich dimensioniert sein. Sind beispielsweise die Induktoren 115, 125 zur
Erwärmung
von Speisen und der Induktor 135 zur Erwärmung von
Wasser vorgesehen, so sollten bei einem Induktionsofen mit mehreren
Anregungsanordnungen 100 in etwa die gleiche Anzahl von
Induktoren 115, 125 und Induktoren 135 an
die Phase P1 wie an die Phasen P2 und P3 angeschlossen sein.
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Die
Frequenz der Netzspannung liegt im hörbaren Bereich. Da diese Frequenz
die Induktorspule ebenfalls anregt, kann es zur Geräuschentwicklung in
den Speiseschalen und Induktoren kommen. Dies fällt aber in Flugzeugen kaum
ins Gewicht, da Turbinen und Lüftungsgeräusche diese
Geräusche
bei weitem übertönen. Außerdem entsteht
das Geräusch in
einem geschlossenen Ofen entsteht. Deswegen eignen sich dies Verfahren
und diese Anregungsanordnung besonders zur Verwendung in Flugzeugen.