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Anwendungsgebiet und Stand
der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Induktionsheizeinrichtung für ein
Induktionskochfeld sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen
Induktionsheizeinrichtung. Des weiteren betrifft die Erfindung auch
noch ein Induktionskochfeld mit einer solchen Induktionsheizeinrichtung.
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Aus
der
EP 1 916 876 A ist
es bekannt, eine sogenannte große Bräterzone für
induktive Beheizung zu schaffen, bei der zwei nebeneinander liegende,
etwas beabstandete Induktionsspulen eine weitere, kleinere Induktionsspule
zwischen sich aufweisen. Die Versorgung mit Leistung erfolgt entweder über
jeweils einen Umrichter pro Induktionsspule, also insgesamt drei
Umrichter. Alternativ können zwei Umrichter vorgesehen
sein, von denen jeweils einer nur an eine der äußeren
Induktionsspulen angeschlossen ist zu deren Leistungsversorgung
und der andere Umrichter gleichzeitig an die anderen beiden Induktionsspulen
zu deren Leistungsversorgung. Dabei ist es nötig, dass
die Induktionsspulen mit der gleichen Frequenz betrieben werden.
Unterschiedliche Arbeits frequenzen könnten sonst über
die benachbarten Induktionsspulen hörbare und unangenehme
Interferenzen erzeugen. Für einen solchen Betrieb mit gleicher
Frequenz ist unter Umständen hoher technischer Aufwand
notwendig.
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Aufgabe und Lösung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Induktionsheizeinrichtung, ein
Verfahren zu deren Betrieb sowie ein damit versehenes Induktionskochfeld
zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik vermieden
werden können und insbesondere auf vorteilhafte Art und
Weise ein Betrieb mehrerer Induktionsspulen einzeln und gemeinsam
als Bräter möglich ist.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Induktionsheizeinrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
10 sowie ein Induktionskochfeld mit den Merkmalen des Anspruchs
15. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden
näher erläutert. Manche der nachfolgend aufgezählten
Merkmale werden nur für die Induktionsheizeinrichtung,
das Verfahren oder das Induktionskochfeld genannt. Sie sollen jedoch
unabhängig davon für die Induktionsheizeinrichtung,
das Verfahren und das Induktionskochfeld gelten können.
Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche
Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Das
Induktionskochfeld weist vorteilhaft neben der erfindungsgemäßen
Induktionsheizeinrichtung weitere Induktionsspulen als Heizeinrichtungen auf,
die jeweils eigene Umrichter für ihre Leistungsversorgung
aufweisen. Bei der Induktionsheizeinrichtung sind drei Induktionsspulen
in benachbarter Anordnung nebeneinander vorgesehen. Dies erfolgt derart,
dass eine mittlere Induktionsspule zwischen zwei äußeren
Induk tionsspulen verläuft bzw. angeordnet ist, insbesondere
also drei Induktionsspulen in einer Reihe nebeneinander. Dabei kann
auch die mittlere Induktionsspule eine der anderen beiden zumindest
teilweise umgreifen, sie muss aber eben auch in der Mitte zwischen
den beiden anderen verlaufen. Es sind zwei Umrichter für
die Leistungsversorgung der Induktionsspulen vorgesehen sowie ein Umschalter.
Erfindungsgemäß ist die Induktionsheizeinrichtung
so ausgebildet, dass einer der beiden Umrichter mittels des Umschalters
wahlweise entweder nur der mittleren Induktionsspule oder nur einer der
beiden äußeren Induktionsspulen zuschaltbar ist zu
deren Leistungsversorgung, nicht aber der anderen äußeren
Induktionsspule. Die Zuordnung zwischen dem Umrichter und dem Umschalter
ist fest, so dass also der Umschalter stets nur diesen einen Umrichter
entweder auf die mittlere oder die äußere Induktionsspule
schalten kann. Der andere Umrichter ist vorteilhaft nur mit der
anderen äußeren Induktionsspule verbunden. In
einer alternativen Ausgestaltung kann er, quasi spiegelbildlich
zu dem erstbeschriebenen Umrichter, ebenfalls einen Umschalter aufweisen
und damit an die mittlere und seine äußere Induktionsspule
anschließbar sein.
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Mit
der erfindungsgemäßen Induktionsheizeinrichtung
ist es also möglich, dass, wenn der Umschalter auf die äußere
Induktionsheizeinrichtung geschaltet ist, die beiden äußeren
Induktionsspulen über jeweils ihren Umrichter beliebig
und vor allem auch getrennt voneinander betrieben werden können.
Sie bilden also zwei beabstandete Induktionsheizeinrichtungen bzw.
Induktionskochstellen an dem Induktionskochfeld. Dadurch, dass sie
einen gewissen Abstand zueinander aufweisen, nämlich die Ausdehnung
der mittleren Induktionsspule, muss auch nicht auf eine gleiche
Ansteuerfrequenz geachtet werden. Sie können also in ihrem
Betrieb völlig individuell und beliebig arbeiten.
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Es
kann für das Verfahren vorgesehen sein, dass niemals zwei
nebeneinander liegende Induktionsspulen betrieben werden. Dann können
die beiden Umrichter mit einem Parallelschwingkreis versehen sein,
ohne ihre Arbeitsfrequenz aufwendig synchronisieren zu müssen.
Dies erleichtert deren Aufbau enorm und ermöglicht den
Einsatz günstiger Umrichter.
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Vorteilhaft
ist für das Verfahren vorgesehen, dass im gemeinsamen Betrieb
der Induktionsspulen als großer Bräter, wenn also
möglichst ein die gesamte Fläche der drei Induktionsspulen überdeckendes
Kochgefäß erwärmt werden soll, entweder
die beiden Umrichter an die beiden äußeren Induktionsspulen
angeschlossen sind und diese mit Leistung versorgen. Dabei kann
vorteilhaft vorgesehen sein, dass die beiden Umrichter dazu ausgebildet
sind, jeweils die gleiche Leistung bzw. Dauerleistung zu erzeugen.
Unabhängig davon kann vorgesehen sein, dass die drei Induktionsspulen
ebenfalls dazu ausgebildet sind, mit gleicher Leistung betrieben
zu werden, also gleicher Dauerleistung. So kann beim Betrieb der
beiden äußeren Induktionsspulen mit jeweils gleicher
Momentanleistung eine gleichmäßige Erwärmung
des Kochgefäßes in den seitlichen Bereichen erfolgen.
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Dann
kann der Umrichter ohne Umschalter ausgeschaltet werden, der Umschalter
schaltet den anderen Umrichter auf die mittlere Induktionsspule und
dann wird diese allein betrieben, um den mittleren Bereich des Kochgefäßes
zu erwärmen. Dazu kann diese mittlere Induktionsspule auch
so ausgebildet sein, dass sie, anders als die beiden äußeren Induktionsspulen,
mit deutlich erhöhter Momentanleistung, vorzugsweise bis
zu doppelter Momentanleistung, betrieben werden kann. Als vorteilhaft
und technisch gut umsetzbar wird eine Erhöhung um etwa
30% angesehen. Selbst wenn der sie versorgende Umrichter nicht dauerhaft
für diese erhöhte Momentanleistung ausgebildet
ist, so geht es doch für eine kürzere Zeit durch
eine noch vertretbare Überbelastung des Umrichters. Dazu
kann er vorteilhaft auch eine leistungsfähigere Kühlung
aufweisen als der andere Umrichter. In weiterer Ausgestaltung des
erfin dungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein,
dass dann die mittlere Induktionsspule mit erhöhter Momentanleistung
entsprechend kürzer betrieben wird wie die Betriebsdauer
für die beiden äußeren Induktionsspulen.
Wenn jeweils ein Betrieb mit den äußeren beiden
Induktionsspulen etwa 10 bis 30 Sekunden dauert, vorzugsweise etwa
20 Sekunden, und mit der mittleren Induktionsspule entsprechend kürzer,
bei um 30% erhöhter Momentanleistung um 30% verringert
und bei verdoppelter Momentanleistung etwa halb so lange, so sind
kurzzeitige Überbelastungen vertretbar.
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Wie
vorbeschrieben, können mindestens die beiden äußeren
Induktionsspulen gleich bzw. sogar identisch ausgebildet sein. Dies
reduziert die Anzahl einzelner Komponenten. Auch die mittlere Induktionsspule
kann identisch ausgebildet sein.
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Vorteilhaft
können die Induktionsspulen in Form von Rechtecken mit
abgerundeten Ecken ausgebildet sein, insbesondere als Rechtecke
mit gleicher Länge bzw. oval. Sie liegen möglichst
nahe beieinander bzw. direkt aneinander an in der Induktionsheizeinrichtung
bzw. sind in dem Induktionskochfeld montiert, um so eine möglichst
große Flächenleistung an der Induktionsheizeinrichtung
zu erreichen.
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Um
in einer etwas aufwendigeren Variante der Erfindung die kurzzeitige Überbelastung
des einen Umrichters mit der verdoppelten Leistungsversorgung für
die mittlere Induktionsspule auszugleichen, kann vorgesehen sein,
dass beide Umrichter auf ähnliche Art und Weise einen Umschalter
aufweisen oder derart mit einem Umschalter für die gesamte
Induktionsheizeinrichtung versehen sind, dass beide Umrichter wahlweise
an eine der äußeren Induktionsspulen und dann
wieder an die mittlere Induktionsspule verbunden sind, der andere
Umrichter aber entweder an die andere äußere Induktionsspule
angeschlossen wird oder nicht an die mittlere Induktionsspule. So
kann im Wechsel die kurzzeitige Überbelastung des Umrichters
auf beide Umrichter verteilt werden.
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Wenn
am Umschalter umgeschaltet wird zwischen den Induktionsspulen bzw.
den Umrichtern kann vorgesehen sein, dass der entsprechende Umrichter
kurzzeitig abgeschaltet wird. So kann der Umschalter von Belastung
durch Schaltströme freigehalten werden.
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Das
Induktionskochfeld weist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
eine vorbeschriebene Induktionsheizeinrichtung auf, die also großflächig ausgebildet
ist, beispielsweise für einen Bräter-Betrieb.
Sie weist noch weitere Induktionsheizeinrichtung auf, beispielsweise
drei Stück, die aber jeweils einzelne Induktionsspulen
sind bzw. zumindest keine nebeneinander anschließende Induktionsspulen oder
Spulenbereiche aufweisen. Die anderen Induktionsspulen des Induktionskochfeldes
sind jeweils mit eigenen Umrichtern und einer eigenen Leistungsversorgung
versehen.
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Diese
und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren
in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der
Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für sich schutzfähige Ausführungen
darstellen können, für die hier Schutz beansprucht
wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie
Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen
gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und
werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 eine
Teildarstellung eines erfindungsgemäßen Induktionskochfeldes
mit einer erfindungsgemäßen Induktionsheizeinrichtung
samt Ansteuerung und
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2 ein
schematisches Schaltbild der Induktionsheizeinrichtung aus 1.
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Detaillierte Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Induktionskochfeld 11 bzw.
dessen linker oberer Eckbereich dargestellt mit einer erfindungsgemäßen
Induktionsheizeinrichtung 13. Die Induktionsheizeinrichtung 13 bildet
eine sogenannte Bräterkochstelle 14, welche neben
einer gestrichelt dargestellten, normalen weiteren Kochstelle 16 am
Induktionskochfeld 11 vorhanden ist. Die Bräterkochstelle 14 ist
in drei Bräterzonen 15a, 15b und 15c aufgeteilt,
die durch dicke Linien verdeutlicht sind. Die Markierungen für
diese Bräterzonen 15a bis 15c sind wie üblich
oben auf einer nicht dargestellten Kochfeldplatte als Markierungen
angezeichnet. Die Bräterzonen 15a und 15b können
auch separat und völlig unabhängig voneinander
betrieben werden als Kochstellen ähnlich wie die Kochstelle 16.
Der zwischen ihnen vorhandene Abstand reicht aus, dass sich aufgestellte
Kochgefäße nicht stören bzw. sie ausreichend
weit voneinander entfernt sind. Bei entsprechender Ansteuerung gemäß der
Erfindung ist es auch möglich, die gesamte Fläche
der Bräterkochstelle 14, also alle drei Bräterzonen 15a bis 15c,
zu betreiben für einen großen Bräter
als aufzustellendes Kochgefäß.
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Die
Beheizung der Bräterkochstelle 14 wird durch drei
Induktionsspulen L1, L2 und L3 erreicht. Diese drei Induktionsspulen
L1 bis L3 sind gleich groß und vorteilhaft identisch ausgebildet,
nämlich in etwa oval. Sie sind direkt nebeneinander und
insbesondere direkt aneinander anliegend angeordnet, um möglichst
eine gemeinsame durchgehende Fläche zu bilden. Die äußere
Induktionsspule L1 ist dabei der unteren Bräterzone 15a zugeordnet
und die äußere Induktionsspule L2 der oberen Bräterzone 15b. Die
mittlere Induktionsspule L3 ist der Bräterzone 15c und
damit dem mittleren Bereich zugeordnet. Sie wird also nur dann eingeschaltet,
wenn die gesamte Bräterkochstelle 14 betrieben
werden soll für einen Bräter.
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Eine
Leistungsversorgung der Induktionsspule L1 erfolgt über
einen unteren Umrichter 18a. Dazu ist dieser Umrichter 18a direkt
mit der Induktionsspule L1 verbunden.
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Es
ist ein weiterer Umrichter 18b vorgesehen, der ein Relais 20 aufweist
als Umschalter. Das Relais 20 verbindet den Umrichter 18b in
einer Schaltstellung I mit der Induktionsspule L2 und in einer Schaltstellung
II mit der Induktionsspule L3. Dadurch wird klar, dass auch der
Umrichter 18b stets nur an eine Induktionsspule gleichzeitig
angeschlossen ist.
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Der
Umrichter 18b ist vorteilhaft ähnlich ausgebildet
wie der Umrichter 18a, insbesondere identisch bezüglich
der Leistungselektronik. Er ist aber vorteilhaft mit einer stärkeren
Kühlung versehen, beispielsweise mit stärkeren
bzw. mehr Ventilatoren für eine kurzzeitig erhöhte
Momentanleistung. Dies ist für den Fachmann leicht ausführbar
und deswegen nicht explizit dargestellt.
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In 2 wird
anhand eines Schaltbildes noch einmal verdeutlicht, dass der Aufbau
der Induktionsheizeinrichtung 13 erheblich vereinfacht
sein kann. Es sind jeweils nur Parallelschwingkreise in den Umrichtern 18 vorgesehen
mit Schwingkreiskondensatoren C1 und C2 und einer einfachen Ansteuerung
mit Leistungsschaltern bzw. Leistungshalbleitern T1 und T2 sowie
Dioden D1 und D2.
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Wie
zuvor erläutert worden ist, können die Umrichter 18 und
somit die Induktionsspulen L1 bis L3 mit an sich beliebiger Frequenz
arbeiten bzw. ihre Arbeitsfrequenzen brauchen nicht synchronisiert
zu werden. Im Einzelbetrieb der Induktionsspulen L1 und L2 an den
Bräterzonen 15a und 15b ist das Relais 20 in
der Schaltstellung I. Die Umrichter 18a und 18b versorgen
die Induktionsspulen L1 und L2 völlig unabhängig
voneinander mit Leistung in von einer Bedienperson beliebig vorgegebenen
Maß. Durch den ausreichenden Abstand voneinander, nämlich die
Breite der Induktionsspule L3, treten keine störenden und
ungewünschten Intermodulationen in Form von Pfeifgeräuschen
odgl. auf.
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Soll
die Bräterkochstelle 14 nun vollflächig betrieben
werden um einen aufgesetzten Bräter zu erwärmen,
so werden im Prinzip alle drei Induktionsspulen L1 bis L3 verwendet.
Dazu wird in einem ersten Zeitabschnitt die Induktionsspule L1 vom
Umrichter 18a angesteuert und die Induktionsspule L2 mit dem
Umrichter 18b mit dem Relais 20 in Schaltstellung
I. Beide Umrichter 18a und 18b erzeugen dieselbe
Leistung, was dann auch für die Induktionsspulen L1 und
L2 gilt. Durch den Abstand voneinander braucht aber immer noch keine
Synchronisierung der Arbeitsfrequenzen erfolgen. Dieser erste Zeitabschnitt
kann beispielsweise 10 bis 30 Sekunden betragen, vorteilhaft etwa
20 Sekunden.
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In
einem nachfolgenden, zweiten Zeitabschnitt schaltet das Relais 20 in
die Schaltstellung II und verbindet so den Umrichter 18b mit
der mittleren Induktionsspule L3. Dazu wird der Umrichter 18b kurz
ausgeschaltet oder es wird alternativ im Nulldurchgang des Stromes
geschaltet. Der Unrichter 18a wird abgeschaltet und es
wird lediglich die Induktionsspule L3 mit dem Umrichter 18b betrieben.
Nach Ablauf des zweiten Zeitab schnitts erfolgt wieder ein Umschalten
am Relais 20 in die Schaltstellung I, vorteilhaft wie zuvor
beschrieben. In einem dann folgenden Zeitabschnitt wird wieder wie
im ersten Zeitabschnitt die Induktionsspule L1 mit dem Umrichter 18a betrieben
und die Induktionsspule L2 mit dem Umrichter 18b. Bei Zeitabschnitten
von beispielsweise 10 bis 30 Sekunden stört das Umschalten
der Leistung zwischen den Induktionsspulen L1 bis L3 die Erwärmung
eines aufgestellten Bräters nur wenig. Um aber nun eine
noch geringere Änderung der Leistungsaufnahme zwischen
dem ersten Zeitabschnitt und dem zweiten Zeitabschnitt zu erreichen,
wird die Induktionsspule L3 mit erhöhter Leistung betrieben, vorteilhaft
mit bis zu verdoppelter Leistung, besonders vorteilhaft mit etwa
30% erhöhter Leistung. Um eine Überbelastung bzw.
Beschädigung zu vermeiden, wird dazu die Dauer des zweiten
Zeitabschnitts reduziert entsprechend der Leistungserhöhung,
vorteilhaft also halbiert bzw. um 30% reduziert, und beträgt
somit etwa 5 bis 15 Sekunden bzw. 7 bis 20 Sekunden. Für
diese kurze Zeit kann die Induktionsspule L3 deutlich über
ihrer Nennleistung, also mit erhöhter Momentanleistung,
betrieben werden. Durch die vorbeschriebene stärkere Kühlung
des Umrichters 18b ist dieser auch in der Lage, für
den verkürzten zweiten Zeitabschnitt die stark erhöhte
Leistung für die Induktionsspule L3 zur Verfügung
zu stellen. Somit wird also auf Dauer betrachtet über alle
Induktionsspulen L1 bis L3 dieselbe Energie in den Bräter eingebracht
bzw. auch von den Umrichtern 18 erzeugt, nur eben mit unterschiedlicher
Momentanleistung.
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Die
Bestimmung der Leistungserhöhung bzw. Überlast
an einer Induktionsspule oder einem Umrichter sowie der Dauer der
Zeitabschnitte soll einen Ausgleich schaffen zwischen Flickerproblemen bei
zu häufigem Umschalten mit wechselnder Leistungsaufnahme
einerseits und einer Überbelastung der Induktionsspulen
oder Umrichter andererseits. Mit den genannten Werten kann ein als
tauglich angesehener Ausgleich geschaffen werden.
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Um
in einer etwas aufwendigeren Variante die zeitweise Überbelastung
des Umrichters 18b zu vermeiden, könnte ein weiteres
gleiches Relais vorgesehen sein an dem anderen Umrichter 18a,
mit dem dieser an die Induktionsspulen L1 und L3 anschließbar
ist. Für den Betrieb ist dann aber darauf zu achten, dass
stets entweder nur die äußeren Induktionsspulen
L1 und L2 angesteuert werden oder aber die dazwischen liegende mittlere
Induktionsspule L3, und zwar wechselweise zuerst vom Umrichter 18a und
dann im Wechsel vom Umrichter 18b.
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Durch
den Betrieb des Umrichters 18b mit doppelter Leistung für
den zweiten Zeitabschnitt verbraucht die Induktionsheizeinrichtung 13 insgesamt stets
in etwa dieselbe Leistung. Des weiteren ist es so auch möglich,
die gesamte Anschlussleistung für die Induktionsheizeinrichtung 13 bzw.
die Bräterkochstelle 14 zu erhöhen.
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In
einer weiteren, leicht vorstellbaren und nicht gezeigten Variante
der Erfindung ist ausgehend von 1 die mittlere
Induktionsspule L3 nicht gleich groß wie die anderen beiden,
sondern größer. Vorteilhaft sind allgemein alle
drei Induktionsspulen stärker an eine Kreisform angenähert,
wenngleich nicht zwingend völlig kreisrund. Dann kann auch
die mittlere Induktionsspule L3 als vergrößerte
einzelne Kochstelle betrieben werden am entsprechenden Umrichter
und ist als Variation zu einem Einzelbetrieb der anderen beiden
größer, verbessert also den Nutzen der Kochstellen
zur Anpassung an verschieden große Töpfe. Des
weiteren kann auch eine bessere Anpassung an die angenähert
ovale Form großer Bräter erreicht werden. Als
Beispiel können die äußeren beiden Induktionsspulen
einen Durchmesser von etwa 145 mm aufweisen und die mittlere Induktionsspule von
etwa 190 mm bis 210 mm.
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Diese
Variante der Erfindung weist auch den Vorteil auf, dass dann durch
die größere Fläche der mittleren Induktionsspule
die Leistungsauf nahme bei deren alleinigem Betrieb in etwa der gemeinsamen Leistungsaufnahme
der beiden kleineren äußeren Induktionsspulen
entsprechen kann. So können Flickerprobleme reduziert werden
bei etwa gleichbleibender Flächenbelastung der Induktionsspulen.
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In
einer nochmals weiteren, leicht vorstellbaren und nicht gezeigten
Variante der Erfindung sind die drei Induktionsspulen nicht nebeneinander
und quasi voneinander abgetrennt ausgeführt, sondern die
mittlere Induktionsspule grenzt zwar an eine der äußeren
an. Die andere äußere Induktionsspule wird von
der mittleren Induktionsspule umschlossen. Vorteilhaft liegt sie
dabei nicht unbedingt in deren Mitte, sondern die mittlere Induktionsspule
ist sozusagen zu der anderen Induktionsspule hi verschoben. Dann ist
die vo allen Induktionsspulen gemeinsam gebildete Fläche
als Kochstelle zwar nicht symmetrisch ausgebildet, sondern zu einem
Ende hin breiter, was in etwa einer an sich bekannten sogenannten
Schlüsselloch-Kochstelle entspricht. Dies ist aber immer noch
gut realisierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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