DE29515355U1

DE29515355U1 - Gerät zur Steuerung der Heizelementen zugeführten Leistung

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Publication number: DE29515355U1
Application number: DE29515355U
Authority: DE
Original assignee: Whirlpool Europe BV
Current assignee: Whirlpool Europe BV
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1995-11-23
Anticipated expiration: 2005-09-27
Also published as: IT1271237B; ITMI942006A1; FR2725323A3; ITMI942006A0; US5646460A; FR2725323B3

Description

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Gerät zur Steuerung der Heizelementen zugeführten Leistung

Diese Erfindung betrifft ein Gerät zur Steuerung der Heizelementen, wie Widerstandselementen, Halogenlampen und dgl., zugeführten Leistung, insbesondere in elektrischen Haushaltsgeräten, wie Kochgeräten, Kochplatten und Öfen. Die Art dieses Steuergeräts ist im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.

Es ist allgemein bekannt, daß die einem Heizelement zugeführte Leistung, insbesondere bei elektrischen Haushaltsgeräten, durch Schaltgeräte, insbeondere durch sogenannte "Bock"-Konverter, kontinuierlich gesteuert werden kann, die eine steuerbare Ausgangsspannung dadurch erzeugen, daß aus einer Wechselstromquelle eine gleichgerichtete und gefilterte Spannung abgeleitet wird und daß das An- und Abschaltezeitverhältnis eines Halbleiterschalters gesteuert wird.

Das Grundschaltbild eines solchen Steuergeräts ist in Fig. 1 gezeigt, in der eine Gleichrichterbrücke DB und ein kapazitives Eingangsfilter CF für eine Gleichspannung Vin aus einer Wechselspannung Vac einer Stromversorgungsquelle sorgen.

Der Halbleiterschalter S, der zur Vereinfachung der Darstellung als Kontakt gezeigt ist, wandelt die am Punkt 1 auftretende Gleichspannung Vin in eine pulsierende Hochfrequenzspannung um, deren Mittelwert geringer als die Gleichspannung Vin oder ebenso groß wie diese ist. Die pulsierende Spannung wird dann durch das kapazitive und induktive Filter LO+CO gefiltert, um eine an die Enden des Heizelements anzulegende Gleichspannung zu gewinnen, das hier durch das Widerstandselement RL dargestellt ist.

Der Hauptnachteil eines solchen Steuergeräts besteht in der Erzeugung eines pulsierenden Stroms im öffentlichen Netz, der sowohl eine niedrige Frequenz (durch die Wirkung des Eingangskondensators CF) als auch eine hohe Frequenz

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(Schaltfrequenz) durch den Betrieb des Schalters S aufweisen kann. Das bedeutet, daß teure und große passive Filter zum öffentlichen Netz hin eingesetzt werden müssen, die neben dem Kostenaufwand auch den Nachteil der Verminderung des Wirkungsgrads des Umwandlungsprozesses aufweisen.

Eine besondere Leistungskonverteranordnung ist ebenfalls bekannt, die denselben, für die besondere Stromversorgungsanwendung vorgesehenen Leistungspegel ermöglicht, die jedoch eine verringerte Amplitude des pulsierenden Stroms am Eingang der Konverterstufe schafft. Eine derartige Anordnung ist in den US-A-4184197, 4186437, 4257087, 4274133 und 4654769 breit beschrieben. Insbesondere beschreibt die üS-A-4274133 in Spalte 8 und Fig. 9C eine mögliche Abart dieser Anordnung, die eine Übertragungsfunktion in Abwärtsschritten vorsieht, während in Spalte 4 und Fig. 7 eine äquivalente Anordnung beschrieben ist, die jedoch mit gekoppelten Induktivitäten arbeitet. Vollständigkeitshalber ist diese letztgenannte Anordnung in der beigefügten Fig. 2 wiedergegeben. Die Induktivitäten Ll und L2 können entweder miteinander gekoppelt oder nicht gekoppelt sein. Diese bekannte Anordnung hat den innewohnenden Vorteil, daß die Eingangsbrummspannung (Störspannung) in der Spannungsquelle und die Ausgangsbrummspannung in der Last verringert werden, und zwar hauptsächlich dann, wenn die Induktivitäten Ll, L2 (Fig. 1) mit einem bestimmten Kopplungsfaktor miteinander gekoppelt sind. Dieser beschriebene, bekannte Konverter muß jedoch mit einer reinen Gleichspannung, wie sie durch die Batteriespannung Vg dargestellt ist, d.h. mit einer wellenfreien Spannung, gespeist werden, wobei hierfür die Verwendung von weiteren teuren Filtern erforderlich ist, wenn eine Gleichrichterbrücke zur Ableitung der Gleichspannung vom öffentlichen Netz verwendet wird.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine besondere Anordnung zur steuerbaren Umwandlung der Leistung einer Wechselstromquelle in eine Leistung zur Speisung eines Heiz-

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elements, insbesondere für elektrische Haushaltsgeräte, zu schaffen, wobei diese Anordnung sich durch eine niedrige Brummspannung in der Wechselstromquelle, einen einheitlichen Leistungsfaktor, Einfachheit (wichtig für niedrige Kosten) und einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet. Dies ist besonders wichtig, wenn mit hohen Leistungspegeln (die von einigen hundert Watt bis zu wenigen Kilowatt reichen) zu rechnen ist.

Diese Aufgabe und weitere Aufgaben, die aus der folgenden, ausführlichen Beschreibung hervorgehen, werden mit einem Steuergerät gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung wird nun anhand von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den schematischen, elektrischen Schaltungsanordnungen der Figuren 3 bis 5 gezeigt sind, während die Figuren 1 und 2 die zwei vorher beschriebenen, schematischen, elektrischen Schaltungsanordnungen darstellen.

In Fig. 3 ist mit Vac eine Wechselstromversorgungsguelle bezeichnet, an die eine Gleichrichterbrücke DB angeschlossen ist, deren ungefilterte Ausgangsgleichspannung Vin im Schaubild A sowohl als Momentanwert Vin als auch als Durchschnittswert Vin_B gezeigt ist. Der eine Ausgang der Gleichrichterbrücke DB ist mit dem einen Ende einer auf einem ersten Eisenkern angeordneten Wicklung Ll verbunden, während der andere Ausgang der Gleichrichterbrücke DB über einen Kondensator CF und eine auf einem zweiten Eisenkern angeordnete Wicklung L2 mit dem anderen Ende der Wicklung Ll verbunden ist. Parallel zur Reihenschaltung des Kondensators CF und der Wicklung L2 liegt die Reihenschaltung aus einem Kondensator Co und und einem statischen Schalter S. Im Brückenzweig der zwei parallelen Reihenschaltungen liegt eine Diode DF. Ein Lastwiderstand RL ist dem Kondensator Co parallelgeschaltet. Die Ausgangsspannung Vout ist ebenfalls als Momentanwert und als Mittelwert Vout_B in einem Schaubild rechts gezeigt und wird der Last zugeführt. Der statische Schalter S ist als

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Transistor gezeigt, dessen Basis mit einem Steuersignal Ton, Toff gesteuert wird. Diese Steuersignale sind in einem Schaubild rechts neben dem Schalter S dargestellt und können durch eine beliebige, bekannte Treiberschaltung bereitgestellt werden.

Die Schaltungsanordnung der Fig. 4 unterscheidet sich von der der Fig. 3 nur dadurch, daß die beiden Wicklungen Ll, L2 auf einem gemeinsamen Eisenkern angeordnet sind und durch eine einzige Wicklung mit einer Mittelanzapfung gebildet sein können.

Das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel ist mit einem zusätzlichen Schaltungsteil versehen, um die Leistung der Schaltungsanordnung zu verbessern. Dem Schalter S liegt dabei die Reihenschaltung aus einer auf einem Eisenkern angeordneten Wicklung LR und einem weiteren, statischen Schalter SR parallel. Ferner liegt eine Reihenschaltung aus einem Kondensator CR und einer Diode D2 der Freilaufdiode DF parallel. Zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Wicklung LR und des Schalters SR und dem gemeinsamen Verbindungspunkt des Kondensators CR und der Diode D2 ist eine Diode Dl angeordnet.

In allen drei Ausführungsbeispielen wird die Wechselstromquelle (die vorzugsweise das öffentliche Netz ist) durch die Gleichrichterbrücke DB gleichgerichtet. Die Ausgangsspannung dieser Gleichrichterbrücke ist zwar gleichgerichtet, aber nicht geglättet und hat einen Mittelwert, der 2/fr mal dem Maximalwert der Spannung der Wechselstromversorgungsquelle beträgt. Die am Lastwiderstand RL auftretende Spannung Vout ist ebenfalls eine gleichgerichtete, aber nicht geglättete Gleichspannung (wie im betreffenden Schaubild in Fig. 3 gezeigt ist), aber ihr Mittelwert ist kleiner als der Mittelwert Vin_e oder höchstens so groß wie dieser Mittelwert, was vom An- und Abschaltezeitverhältnxs des statischen, als Transistor dargestellten Schalters S abhängt (s. das Schau-

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bild rechts neben dem Schalter S in Fig. 3). Durch Steuerung des An- und Abschaltezeitverhaltnisses des Schalters S kann die Spannung am Heizelement RL festgelegt werden, wobei diese Spannung sich von Null bis Vin ändern kann. Die diesem Heizelement zugeführte Leistung ist daher zwischen Null und dem Quadrat des Effektivwerts der Spannung Vin geteilt durch RL einstellbar.

Der vom statischen Schalter S erzeugte, pulsierende Strom wird durch die zwei Induktivitäten Ll und L2 gefiltert, die auch wie in Fig. 4 gekoppelt sein können, um die Welligkeit weiter zu vermindern. Es sei darauf hingewiesen, daß der Strom im Lastwiderstand pulsiert, aber dies bildet wegen des ohmschen Charakters des Lastwiderstands kein Problem. Auf jeden Fall kann die Strompulsierung im Lastwiderstand durch eine geeignete Wahl des Werts des Glattungskondensators CO auf ein annehmbares Maß vermindert werden.

Der Nutzfaktor (das An- und Abschaltezeitverhältnis) des Schalters S wird konstant gehalten, ebenso wird die Schaltfrequenz bei jeder gewünschten, dem Lastwiderstand RL zugeführten Leistung konstant gehalten. Auf diese Weise wird der Stromfluß in der Quelle Vac (d.h. im Wechselstromnetz, das den Konverter speist) sinusförmig gehalten, weil der Konverter sich bei einem konstanten Nutzfaktor wie eine feste Impedanz (praktisch wie ein Widerstand) für die Wechselspannungsquelle Vac verhält, so daß damit ein praktisch einheitlicher Leistungsfaktor erzielt wird. Die Schaltungsanordnung hat einen einfachen Aufbau, weil nur ein statischer Schalter S (der ein Transistor, ein MOS-Leistungstransistor oder dgl. sein kann), eine Freilaufdiode DF, zwei kleine Kondensatoren CO, CF und zwei Induktivitäten (die in der Praxis auf eine Induktivität durch Kopplung und durch Schaffung eines Mittelabgriffs vermindert werden kann) erforderlich sind. Daher ist die Schaltungsanordnung billig zu fertigen und für die Verwendung in elektrischen Haushaltsgeräten besonders geeignet.

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Es sei darauf hingewiesen, daß es durch geeignete Wahl der Werte für den Kondensator und die Induktivitäten Ll, L2 möglich ist, die Einschaltung des Schalters S und die entsprechende Ausschaltung der Freilaufdiode DF im Stromnulldurchgang entsprechend durchzuführen. Das bedeutet, daß die Schaltverluste in den Halbleiterschaltern wesentlich vermindert werden.

Alternativ kann eine weitere Verminderung der Schaltverluste, die das öffentliche Netz mit dem Pulsierungsstrom belasten, durch Verwendung der Schaltungsanordnung der Fig. .5 erreicht werden. Der weitere statische Schalter SR wird dort eingeschaltet, bevor der statische Schalter S eingeschaltet wird, für eine weitere kurze Zeit eingeschaltet gehalten und dann abgeschaltet. Danach wird der statische Schalter S entsprechend der erforderlichen Leistung abgeschaltet, und damit werden der Strom der Freilaufdiode DF und die Ladung der mit dem Schalter S verbundenen Wirbelstromkondensator auf Null gebracht, bevor der statische Schalter S eingeschaltet wird.

Das Endergebnis der vorgeschlagenen Schaltungsanordnungen ist eine Summe von Vorteilen, die zu einer Gesamtvereinfachung, einem sehr hohen Wirkungsgrad, einem einheitlichen Leistungsfaktor und zu einer verminderten, elektromagnetischen Beeinflussung (Störspannungsaufschaltung) der Wechselstromversorgungsquelle führen.

Wie bereits erwähnt wurde, macht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung große Kondensatoren am Ausgang der Gleichrichterbrücke entbehrlich und einen einheitlichen Leistungsfaktor bei einem konstanten Nutzfaktor möglich.

Claims

Pefe-errrfcj^nsprüche

1. Steuergerät für Heizelemente, insbesondere zur Verwendung in elektrischen Haushaltsgeräten, wie Kochgeräte, Kochplatten, Öfen und dergl., mit einem in Reihe mit der Last (RL) liegenden, gesteuerten Schalter (S), einem als Filter arbeitenden, parallel zur Last (RL) liegenden ersten Kondensator (CO), einem als Freilaufkondensator arbeitenden, zweiten Kondensator (CF), der betriebsmäßig in Reihe mit der Parallelschaltung aus Last (RL) und erstem Kondensator (CO) liegt, und mit mindestens einer in Reihe mit der Last (RL) liegenden Induktivität (Ll, L2), dadurch gekennzeichnet, daß

a) der gesteuerte Schalter (S) ein statischer Schalter und damit fähig ist, einen offenen Zustand und einen geschlossenen Zustand einzunehmen,

b) eine Induktivität (L2) oder alternativ ein Teil der Induktivität (Ll, L2) parallel zur Last liegt,

c) eine Freilaufdiode (DF) zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Induktivität oder des Induktivitätsteils (L2) und dem Freilaufkondensator (CF) und dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Last (RL) und des statischen Schalters (S) angeordnet ist, so daß in dem einen Schaltzustand des statischen Schalters (S) der Freilaufkondensator (CF) über die Freilaufdiode (DF), die Last (RL) und die Induktivität (Ll) geladen wird, während in dem anderen Schaltzustand des statischen Schalters (S) der Freilaufkondensator (CF) über die Last (RL), die Induktivität (L2) und den statischen Schalter (S) entladen wird.

2. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere, erste Reihenschaltung aus einer Induktivität (LR) und einem weiteren, in einen offenen oder geschlossenen Zustand bringbaren, statischen Schalter (SR) dem gesteuerten statischen Schalter (S) parallelgeschaltet ist, daß eine weitere, zweite Reihenschaltung

aus einer Diode (D2) und einem Kondensator (CR) der Freilaufdiode (DF) parallelgeschaltet ist und daß im Brückenzweig dieser zwei Rexhenschaltungen eine Diode (Dl) angeordnet ist, wobei der weitere statische Schalter (SR) eingeschaltet wird, bevor der gesteuerte statische Schalter (S) eingeschaltet wird, dann eingeschaltet gehalten und danach abgeschaltet wird, wonach der gesteuerte statische Schalter (S) abgeschaltet wird, und zwar in der Weise, daß der Strom der Freilaufdiode (DF) und die Ladung des mit dem gesteuerten statischen Schalter (S) verbundenen Wxrbelstromkondensatorjauf Null gebracht werden, bevor der gesteuerte statische Schalter (S) aktiviert wird.