DE3903978A1 - Lichtkochstelle mit mindestens zwei infrarotroehren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Licht­ kochstelle mit mindestens zwei Infrarotröhren, welche mit einer Einrichtung zur Anlaufstrombegrenzung sowie mit einer Einrichtung zur Leistungsregelung versehen sind.

Lichtkochstellen mit Infrarotröhren als Heizkörper haben sich in der Praxis bereits hervorragend bewährt.

Derartige Infrarotröhren erlauben durch den hohen Anteil an Infrarotstrahlung ein äußerst schnelles Ansprechen auf Änderungen einer Reglereinstellung, ähnlich, wie dies bei Gas-Kochstellen der Fall ist. Der Vorteil in der Praxis liegt in kurzen Ankochzeiten sowie hohen Leistungen bei einem großen Regelungsbereich.

Die verwendeten Infrarotröhren zeichnen sich aus durch geringe thermische Trägheit. In einer derartigen Infra­ rotröhre, die mit Schutzgas gefüllt ist, wird ein Wolfram­ draht bis auf ca. 2000°C aufgeheizt. Der Wolframdraht verändert dabei in starkem Maße seinen Widerstand, wobei Erfahrungswerte zeigen, daß der Widerstand des Wolfram­ drahtes im erhitzten Zustand etwa um den Faktor 10 höher ist als im kalten Zustand.

Bislang werden derartige Infrarotröhren lediglich als Einkreisheizkörper eingesetzt, d.h., daß Form und Größe der Kochstelle nicht veränderbar sind.

Dabei sind die Infrarotröhren bislang nebeneinander oder beispielsweise dreieckförmig hintereinander angeordnet, so daß insbesondere die Darstellung Lichtkochstellen großer Leistung bei großer nutzbarer Kochstelle und gleichzeitiger, gleichmäßiger Leistungsverteilung äußerst schwierig ist.

Darüber hinaus ist die Verwendung von derartigen Infra­ rotröhren in Zweikreisausführung, also mit in Form und/ oder Größe veränderbarer Kochstelle, bislang noch nicht überzeugend verwirklicht worden.

Dies liegt daran, daß bei derartigen Infrarotröhren be­ sondere Maßnahmen zur Begrenzung des Anlaufstromes ge­ troffen werden müssen.

Die bei derartigen Kochstellen in Einkreisausführung be­ kannten Maßnahmen sind nicht ohne weiteres auf Zweikreis­ ausführungen zu übernehmen, sei es aus Platz- oder ande­ ren Gründen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtkochstelle der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die einerseits allen elektrischen Anforderungen gerecht wird und die andererseits einen platzsparenden und ko­ stengünstigen Aufbau ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Infrarotröhre im inneren Bereich der Kochstelle von mindestens einer weiteren Infrarotröhre im äußeren Bereich der Kochstelle umschlossen ist und daß für die Begrenzung des Anlaufstromes sowie zur Leistungsregelung im Strom­ kreis jeder Infrarotröhre ein Triac angeordnet und beide Triacs mittels eines gemeinsamen Steuerteiles mit einer abgestuften, synchronisierten, symmetrischen Impulspaket­ steuerung mit Anlaufstrombegrenzung durch Zündzeitpunkt­ steuerung gesteuert sind.

Mit einer derart konzipierten Lichtkochstelle wird einer­ seits den elektrischen Anforderungen Rechnung getragen und andererseits eine platzsparende und wirtschaftliche Ausführung ermöglicht, da die Mittel zur Anlaufstrombe­ grenzung und zur Leistungsregelung aus kleinen und preis­ werten Bauteilen besteht.

Die Einschaltstrombegrenzung wie auch die Leistungsrege­ lung erfolgen ausschließlich über die Steuerung der Triacs, d.h., auf rein elektronischem Wege.

Dies ist sowohl für Einkreis- wie auch für Zweikreisaus­ führungen vorteilhaft.

Bei einer Einkreisausführung ergibt sich auch noch der Vorteil einer gleichmäßigen Leistungsverteilung über die Gesamtfläche der Lichtkochstelle.

Zur Anlaufstrombegrenzung wird eine Zündzeitpunktsteue­ rung mit gleichmäßig wachsendem Zündzeitpunkt verwendet.

Während dieser Einschaltphase werden nur Vollwellen ange­ steuert, um keinerlei Ströme mit den Frequenzen der In­ terharmonischen zu erzeugen. Der Zündzeitpunkt wird kon­ tinuierlich verändert, um "drehende Zeiger" in der kom­ plexen Ebene zu erhalten, d.h., die Phasenlage ändert sich kontinuierlich und somit ergeben sich keine bleibenden Ströme für die kritischen Interharmonischen.

Außerdem wird hierdurch erreicht, daß der Effektivwert, des Stromes gleichmäßig ansteigt und, bedingt durch die Änderung des Widerstandes der Infrarotröhre, nach Errei­ chen einer Sättigung sogar noch fallen kann, trotz wei­ terer Veränderung des Zündzeitpunktes.

Zur anschließenden Leistungsregelung ist eine Kombina­ tion von abgestufter Durchschaltung von positiven und negativen Halbwellen im Dritteltakt und eine zeitge­ steuerte Ein-Aus-Schaltung vorgesehen, also eine abge­ stufte, synchronisierte, symmetrische Impulspaketsteuerung.

Bei Benutzung beider lnfrarotröhren werden die Einschalt­ zeitpunkte gegeneinander versetzt, vorzugsweise derart, daß der Einschaltzeitpunkt des zweiten Heizkreises in den Bereich der Sättigungsphase des ersten Heizkreises fällt.

Es können wahlweise je eine von insgesamt drei Halbwel­ len, also insgesamt zwei Halbwellen, durchgeschaltet wer­ den. Diese Durchschaltung im Dritteltakt je Infrarotröhre kann kombiniert werden mit einer Ein-Aus-Schaltung, um innerhalb vorgegebener Leistungsstufen eine Feinregulie­ rung vornehmen zu können.

Wird die Ein-Aus-Schaltung zur Feinregulierung aktiviert, so erfolgt bei jeder Einschaltphase wieder die schon er­ wähnte Zündzeitpunktsteuerung mit gleichmäßig wachsendem Zündzeitpunkt, um die Anlaufstrombegrenzung in jedem Falle sicherzustellen.

Durch die Gesamtheit dieser Maßnahmen wird verhindert, daß unerwünschte Rückwirkungen auf das Netz eintreten.

Es hat sich gezeigt, daß durch die angegebenen Maßnahmen die Flickerwirkung relativ gering ist und in absolut un­ kritischen Bereichen liegt. Dies ist darauf zurückzufüh­ ren, daß durch die schaltungs- bzw. steuerungstechni­ schen Maßnahmen nur geringe Unterschiede in den Effek­ tivwerten des jeweils fließenden Stromes liegen. Gerade hohe Sprünge des Effektivwertes des Stromes hingegen haben negative Flickerwirkung.

Generell sind, wie bereits gesagt, die Einschaltzeitpunk­ te für beide Infrarotröhren gegeneinander versetzt, vor­ zugsweise ist der Einschaltzeitpunkt der später einge­ schalteten Infrarotröhre gegenüber dem Einschaltzeit­ punkt der zuerst eingeschalteten Infrarotröhre um etwa 0,2 bis 0,5 Sek. versetzt.

Die weiter oben angegebenen Regelungen der beiden In­ frarotröhren sind untereinander gleich.

Durch den zeitlichen Versatz der Einschaltzeitpunkte werden wieder hohe Einschaltströme vermieden.

Grundsätzlich sind entweder beide Infrarotröhren ein­ schaltbar oder lediglich die innere der konzentrisch zueinander angeordneten Infrarotröhren.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung im folgenden noch einmal ausführlich erläutert.

lm einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung einer Lichtkochstelle mit in Zeitkreisausführung angeordneten Infrarotröh­ ren,

Fig. 2 ein Schaltbild der Lichtkochstelle gemäß Fig. 1,

Fig. 3a bis 3f eine symbolische Darstellung der für verschie­ dene Leistungsstufen möglichen Schaltzustände,

Fig. 4 ein Diagramm des Stromverlaufes während einer Einschaltphase beider Infrarotröhren, mit einem 50 Hz-Filter gemessen.

Fig. 1 zeigt die bildliche Darstellung einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehenen Lichtkochstelle mit in Zweikreisausführung angeordneten Infrarotröhren 2 und 3.

Die äußere Infrarotröhre 3 verläuft in etwa konzentrisch zur innen angeordneten Infrarotröhre 2.

Zwischen den beiden Infrarotröhren 2 und 3 ist ein erster Heizzonen-Trennring 4 angeordnet und die äußere Infrarot­ röhre 3 wird von einem äußeren Heizzonen-Trennring 5 um­ schlossen.

Durch diese Heizzonen-Trennringe 4 und 5 sind letztend­ lich die nutzbaren Grundflächen der Kochstelle definiert.

Über einen Stabausdehnungsregler 6 wird in bekannter Weise ein Überhitzungs- oder Überlastungsschutz der In­ frarotröhren 2 und 3 bewirkt.

In Fig. 2 ist das Schaltbild der Lichtkochstelle 1 nach Fig. 1 gezeigt.

Die beiden Infrarotröhren 2 und 3 sind hier als Wider­ stände dargestellt.

Es ist deutlich erkennbar, daß im Stromkreis jeder Infra­ rotröhre 2 und 3 ein Triac 7 bzw. 8 angeordnet ist. Diese beiden Triacs 7 und 8 werden durch ein Steuerteil 9 ge­ steuert. Das Steuerteil 9 ist mit einem Reglerknopf 10 versehen.

Die Steuerung der beiden Triacs 7 und 8 durch das Steuerteil 9 kann als abgestufte, synchronisierte, symmetrische Impulspaketsteuerung mit Anlaufstrombe­ grenzung bezeichnet werden.

Grundsätzlich gibt es nur zwei Schaltungsmöglichkeiten. Entweder ist nur die innere Infrarotröhre 2 eingeschaltet oder es sind beide Infrarotröhren 2 und 3 eingeschaltet.

Im letzteren Falle erfolgt die noch zu erläuternde Lei­ stungsregelung der äußeren Infrarotröhre 3 in gleicher oder ähnlicher Weise wie die der inneren Infrarotröhre 2.

Zur Reduzierung der vollen Leistung sowohl des inneren als auch des äußeren Heizkreises, der durch die Infra­ rotröhren 2 und 3 definiert ist, arbeitet die Regelung in drei Bereichen.

In den Fig. 3a und 3b ist der Leistungsbereich Zwei­ drittel-Voll-Leistung symbolisch dargestellt.

Fig. 3a zeigt deutlich, daß sowohl bezüglich der inneren wie auch der äußeren Infrarotröhre 2 und 3 alle Halbwel­ len voll durchgeschaltet sind. Dies bedeutet, daß beide Infrarotröhren 2 und 3 voll eingeschaltet sind und damit volle Leistung abgeben.

Fig. 3b zeigt, daß von jeweils drei Halbwellen beim Null­ durchgang nur zwei durchgeschaltet werden. Werden beide Infrarotröhren 2 und 3 eingeschaltet, so erfolgt die Leistungsabgabe der äußeren Infrarotröhre 3 um eine Halb­ welle versetzt gegenüber der Leistungsabgabe der inneren Infrarotröhre 2.

Diese Leistungsregelung (zwei von drei Halbwellen durch­ geschaltet) kann wie bei einer Impulspaketsteuerung mit der vollen Leistung gemäß Fig. 3a kombiniert werden. Durch eine Variation der anteiligen Einschaltzeit der beiden Leistungsstufen bei einer Gesamttaktzeit von beispiels­ weise 10 Sek. lassen sich beliebige Leistungen zwischen Zweidrittel und der maximalen Leistung einstellen. Wegen des temperaturabhängigen und damit auch leistungsabhän­ gigen Widerstandes des Wolframdrahtes der Infrarotröhren 2 und 3 beträgt der untere, einstellbare Leistungswert ca. 70% der maximalen Leistung.

Für kleinere Leistungen muß der nächsttiefere Leistungs­ bereich gewählt werden, der symbolisch in den Fig. 3c und 3d gezeigt ist. Die obere Stufe dieses Leistungsbereiches ist gekennzeichnet durch die Durchschaltung von zwei von drei Halbwellen, wie in Fig. 3c gezeigt. Die unteren Gren­ ze dieses Leistungsbereiches ergibt sich durch die Durch­ schaltung von jeweils nur einer von drei Halbwellen, wie in Fig. 3d dargestellt. Auch hier ist der äußere Heiz­ kreis, entsprechend der Infrarotröhre 3, um eine Halb­ welle versetzt gegenüber dem inneren Heizkreis, entspre­ chend der inneren Infrarotröhre 2.

Diese Leistungsabgabe (eine von drei Halbwellen ist durchgeschaltet) kann ebenfalls in Form einer Impuls­ paketsteuerung mit der bereits beschriebenen Zweidrittel­ leistung gemäß Fig. 3c kombiniert werden, so daß sich theoretische Leistungsgrenzen von 33,3% und 66,7% er­ geben. Wegen des bekannten temperaturabhängigen Wider­ standes der Infrarotröhren 2 und 3 liegen die Leistungs­ werte in der Praxis zwischen ca. 40 und 70%, so daß nach oben der Anschluß an den weiter oben beschriebenen Lei­ stungsbereich ergibt.

Soll eine weitere Absenkung der Leistung bewirkt werden, so wird die Eindrittel-Regelung in schon bekannter Weise mit einer Aus-Zeit als Impulspaket kombiniert.

Um nun den Anlaufstrom beim Einschalten zu begrenzen, werden beispielsweise die ersten 40 bis 70 geschalteten Halbwellen durch eine Zündzeitpunktsteuerung in ihrem Effektivwert begrenzt. Dies zeigt Fig. 3e. Hierbei ist die Darstellung für die innere Infrarotröhre 2 aus Platz­ gründen verkürzt dargestellt; der zeitliche Versatz des Einschaltzeitpunktes der inneren Infrarotröhre 2 liegt tatsächlich in den oben angegebenen Bereichen von ca. 0,2 bis 0,5 Sek. Dieses wiederholt sich jeweils zu Beginn eines Einschaltzyklusses von vorbestimmter Dauer.

Beträgt der Einschaltzyklus insgesamt beispielsweise 10 Sek., ergibt sich folgendes Bild:

Beim erstmaligen Einschalten der Lichtkochstelle werden auch bei Wahl der höchsten Leistung auf jeden Fall alle unteren Leistungsbereiche durchlaufen, um den Anlauf­ strom zu begrenzen. Das gleiche gilt auch nach einem eventuellen Ansprechen des Stabausdehnungsreglers 6.

Die Netzrückwirkungen der wie vorstehend aufgebauten und gesteuerten Lichtkochstelle 1 sind absolut unkritisch.

So wurden beispielsweise für eine Lichtkochstelle 1, bei der die Leistungsaufnahme der inneren Infrarotröhre 2 bei 1100 Watt und die Leistungsaufnahme der äußeren Infra­ rotröhre 3 bei 1300 Watt lag, ein maximaler Wert für die mittlere Flickerstörwirkung mit P _st =0,91 beim Be­ trieb beider Heizkreise in der Leistungsstufe Eindrit­ tel-Aus ermittelt. Für andere Betriebszustände lagen die typischen Werte bei P _st =0,6.

Die Netzrückwirkung durch Oberwellen lagen bei der vor­ erwähnten Lichtkochstelle im Bereich von etwa 50% der zulässigen Grenzwerte.

Dabei wurde gemessen zwischen 16 2/3 Hz und ganzzahligen Vielfachen davon bis hinauf zu 2000 Hz.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm des Stromverlaufes während einer Einschaltphase beider Infrarotröhren 2 und 3, mit einem vorgeschalteten 50 Hz-Filter gemessen. Zunächst wird die äußere Infrarotröhre 3 eingeschaltet, wobei sich durch die Zeitzündpunktsteuerung während der Ein­ schaltphase ein rampenförmiger, allmählicher Stroman­ stieg ergibt. Dieser Stromanstieg geht nach einer be­ stimmten Zeit in eine Sättigungsphase über und kann, ins­ besondere bedingt durch die temperaturabhängige Verän­ derung des Widerstandes, sogar noch absinken. Mit einer gewissen Zeitverzögerung wird dann die innere Infrarot­ röhre 2 zugeschaltet. Der Zeitversatz liegt hierbei vor­ zugsweise im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 Sek, bezogen auf den Stromverlauf im Bereich der Sättigungsphase des Stromverlaufes für die äußere Infrarotröhre 3.

Auch hier wird eine Zündzeitpunktsteuerung, wie eingehend beschrieben, angewendet, so daß sich auch für die innere Infrarotröhre 2 ein rampenförmiger Anstieg des Effektiv­ wertes des Stromes ergibt. Insgesamt zeigt das Diagramm gemäß Fig. 4 deutlich, daß sich ein nur geringe oder kleine Sprünge aufweisender Verlauf des Effektivwertes des Stromes ergibt. Hieraus resultiert letztendlich die schon erwähnte äußerst geringe Flickerstörwirkung.

Durch die Zündzeitpunktsteuerung mit kontinuierlich ver­ ändertem Zündzeitpunkt erhält man einen drehenden Zeiger in der komplexen Ebene für die interharmonischen Ober­ wellen, woraus die geringen Rückwirkungen auf das Netz resultieren.

Claims (9)

1. Lichtkochstelle mit mindestens zwei Infrarotröhren, welche mit einer Einrichtung zur Anlaufstrombegren­ zung sowie mit einer Einrichtung zur Leistungsrege­ lung versehen sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Infrarotröhre (2) im inneren Bereich der Kochstelle von mindestens einer weiteren Infrarotröhre (3) im äußeren Bereich der Kochstelle umschlossen ist und daß für die Begrenzung des Einschaltstromes sowie zur Leistungsregelung im Stromkreis jeder Infrarotröhre (2, 3) ein Triac (7, 8) angeordnet und beide Triacs (7, 8) mittels eines ge­ meinsamen Steuerteiles (9) mit einer abgestuften, synchronisierten, symmetrischen lmpulspaketsteuerung mit Anlaufstrombegrenzung durch Zündzeitpunktsteue­ rung gesteuert sind.

2. Lichtkochstelle nach Anspruch 1, daß zur Anlaufstrom­ begrenzung eine Zündzeitpunktsteuerung mit gleichmä­ ßig wachsendem Zündzeitpunkt bei Vollwellenbetrieb verwendet wird.

3. Lichkochstelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Leistungsregelung eine Kombination von abgestufter Durchschaltung von positiven und ne­ gativen Halbwellen im Dritteltakt und eine zeitge­ steuerte Ein-Aus-Schaltung vorgesehen ist.

4. Lichtkochstelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltzeitpunkte für die beiden Infrarotröhren (2, 3) gegeneinander versetzt sind.

5. Lichtkochstelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Einschaltzeitpunkt der später einge­ schalteten Infrarotröhre (2, 3) gegenüber dem Ein­ schaltzeitpunkt der zuerst eingeschalteten Infrarot­ röhre (2, 3) um etwa 0,2 bis 0,5 Sek. versetzt ist.

6. Lichtkochstelle nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei abge­ stufter Durchschaltung positiver und negativer Halb­ wellen zur Regelung verschiedener Leistungsbereiche entweder je zwei oder je eine von drei Halbwellen durchgeschaltet sind.

7. Lichtkochstelle nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Überlastungs- oder Überhitzungsschutz für die Infra­ rotröhren (2, 3) ein an sich bekannter Stabausdehnungs­ regler (6) vorgesehen ist.

8. Lichtkochstelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Einschaltzeitpunkt der später einge­ schalteten Infrarotröhre (2, 3) im Bereich der Sät­ tigungsphase des Anlaufstromes der zuerst einge­ schalteten Infrarotröhre (2, 3) liegt.

9. Lichtkochstelle nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils äußere Infrarotröhre (3) vor der inneren Infrarotröhre (2) gezündet wird.