EP2494846A1 - Kochfeld mit wenigstens zwei heizelementen und einer leistungselektronikanordnung - Google Patents

Kochfeld mit wenigstens zwei heizelementen und einer leistungselektronikanordnung

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EP2494846A1
EP2494846A1 EP10776822A EP10776822A EP2494846A1 EP 2494846 A1 EP2494846 A1 EP 2494846A1 EP 10776822 A EP10776822 A EP 10776822A EP 10776822 A EP10776822 A EP 10776822A EP 2494846 A1 EP2494846 A1 EP 2494846A1
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EP
European Patent Office
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heating elements
power supply
heating
power
relays
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EP10776822A
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English (en)
French (fr)
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EP2494846B1 (de
Inventor
Daniel Anton Falcon
Carlos Bernal Ruiz
José Miguel Burdio Pinilla
Jose Maria De La Cuerda Ortin
Jose-Ramon Garcia Jimenez
Pablo Jesus Hernandez Blasco
Sergio Llorente Gil
Oscar Lucia Gil
Arturo Mediano Heredia
Ignacio Millan Serrano
Fernando Monterde Aznar
Daniel Moros Sanz
Jose Joaquin Paricio Azcona
Diego Puyal Puente
Jose Ignacio Artigas Maestre
Luis Angel Barragan Perez
Claudio Carretero Chamarro
Oscar Jimenez Navascues
Denis Navarro Tabernero
Isidro Urriza Parroque
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H05B6/062—Control, e.g. of temperature, of power for cooking plates or the like
    • H05B6/065—Control, e.g. of temperature, of power for cooking plates or the like using coordinated control of multiple induction coils
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power

Definitions

  • Hob with at least two heating elements and one
  • the invention relates to a hob with at least two heating elements and a power electronics assembly according to the preamble of claim 1.
  • Cooking hobs are known from EP 0 986 287 B1 and from EP 0 971 562 B1, which comprise a plurality of heating elements and a power electronics arrangement for connecting the hob to one or more phases of a household power grid. It is common to use separate power electronics assemblies each with a filter and a rectifier for each phase of a household power grid. Hobs, which are connected to only one phase of the household electricity network, are usually of low cost and simple design and have due to the power limitation of the household electricity network over a limited heating capacity, which may be for example a maximum of 4.6 kW.
  • Such switch assemblies typically combine a large number of heating elements, for example, small inducers of a matrix cooktop, with a much smaller number of power supply units, such as inverters.
  • the switch assembly therefore branches in the direction of the heating elements and each heating element is usually associated with the end of a branch of the branching tree structure.
  • Each of the heating elements can therefore be supplied in exactly one way with a power supply. be connected. Exceptions to this rule can be found in cooktops with a so-called booster mode, in which two power supply units can be interconnected to operate a single heating element.
  • a corresponding electromechanical relay opens or closes a bridge between the two power supply units, in particular between two inverters of an induction hob. Since the heating power is to be concentrated in the booster mode just on a heating element, in each case a further switch is disposed between this switch bridge and the heating elements, which can separate the heating elements not to be heated from the power supply.
  • the invention is therefore based on the object of making the association between power supply units and heating elements more flexible, reducing the number of switching operations necessary for the alternating use of a power supply unit for a plurality of heating elements and simplifying compliance with standards for electromagnetic compatibility. Furthermore, the invention has the object to enable emergency operation of the hob even if one of the switches in the switch assembly is rendered inoperable by a defect.
  • the object is achieved in particular by a hob with the features of claim 1. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
  • the invention is particularly based on a hob with at least two heating elements and a power electronics assembly for connection to a single phase of a household electricity network.
  • the power electronics assembly includes a plurality of power supply units for supplying each one or more heating elements with heating currents.
  • the hob comprises a switch arrangement with several electric Romechanischen relay for connecting and / or separating the power supply units with or from the heating elements.
  • the invention relates to cooktops with at least three heating zones or at least three heating elements, which are fed by a single phase of the household power network and which are arranged, for example, under a cover plate with edge lengths between 60 and 80 cm.
  • At least one of the heating elements is fixedly connected to one of at least two output terminals of at least two of the electromechanical relays.
  • a redundant switch arrangement is realized, in which the heating element can be supplied with heating current optionally via two different paths, wherein each of the paths comprises one of the two relays.
  • the heating elements are inductors and the power supply units comprise an inverter which can generate a high-frequency heating current from the rectified and possibly filtered current from the domestic power grid.
  • the frequencies of heating currents in induction hobs are typically between 20 kHz and 100 kHz.
  • the sum of the nominal outputs of the heating elements can be selected greater than the nominal power of the power electronics assembly.
  • the nominal power of the power electronics assembly is usually just below the maximum available power of a phase of the household power grid and can be, for example, 4.6 kW for Germany.
  • the maximum power consumed by the power electronics can also be made adjustable depending on the available power. This setting can be used in combination with other country settings, such as a time zone and / or language.
  • each of the heating elements is fixedly connected to one of at least two output terminals of at least two of the electromechanical relays.
  • the redundant power supply can thus be realized for each of the heating elements.
  • one or more heating elements may be connected to one of at least two output terminals of only a single electromagnetic relay.
  • the power electronics assembly includes a low pass filter and a rectifier shared for all power supply units.
  • single-pole changeover switches can be used as electromechanical relays, wherein the two output poles can be connected to different heating elements.
  • a common center terminal of the relay is connected to a power supply unit and the two output poles of the relay are each arranged with a heating element or in the connection between the heating element and the power supply unit in the corresponding direction.
  • a further increased flexibility of the switch arrangement can be realized by a plurality of series-connected relays in a connection between a power supply unit and a heating element.
  • the switch arrangement may in particular comprise a plurality of branch layers.
  • the number of branch layers or the number of relays connected in series can also be designed differently for different heating elements.
  • the centrally arranged heating elements can be combined very flexibly with other heating elements to form heating zones, which is not necessary to the same extent for heating elements which are arranged at the edge of the heating zone.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a hob with a plurality of heating elements and a power electronics assembly for connection to a single phase of a household electricity network
  • FIG. 2 shows schematically the structure of a hob according to an alternative embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows schematically the structure of a hob after another
  • Fig. 4 shows schematically the structure of a hob in a generalization of the inventive concept.
  • Fig. 1 shows schematically a hob with four heating elements 10a-10d and a power electronics assembly 12.
  • the power electronics assembly is used to connect the hob to a single phase 14 of a household electricity network and supplies the entire hob from the flow of this phase fourteenth
  • the power electronics assembly comprises a filter 16 and a rectifier 18, which filter the AC current drawn from the household power grid and in a DC ström, which undergoes further filtering by a damping capacitor 20.
  • the filter 16 is a low-pass filter that prevents damage to the hob by strong pulses from the household power grid and flicker amplifying feedback from the hob in the household power grid.
  • the power electronics module further comprises two power supply units 22a, 22b, which are designed as inverters and which are operated by a control unit not shown here so that a heating current is generated with a desired heating frequency.
  • the two inverters 22a, 22b can thereby generate heating currents with different heating frequencies, different amplitudes and / or different load cycles or phases in order to generate the desired heating power in the heating elements 10a-10d.
  • the heating elements 10a-10d are inductors that generate a high-frequency magnetic field at the frequency of the heating current. The magnetic field induces eddy currents in a ferromagnetic ground of a cooking utensil element placed on the cooking field in the region of the relevant heating element 10a-10d, which is heated thereby.
  • a switch arrangement 24 with electromechanical relays 26a-26d is arranged between the power supply units 22a, 22b and the heating elements 10a-10d.
  • the relays 26a-26d are unipolar changeover switches whose common center connection is connected to a respective pole of two further relays 28a, 28b.
  • the further relays 28a, 28b are connected via their center connection to a respective power supply unit 22a, 22b.
  • Each of the power supply units 22a, 22b can be connected to each of the heating elements 10a-10d by suitable switching of the relays 26a, 26b, 28a-28d.
  • the heating elements 10a-10d are in turn fixedly connected to two output terminals of two different relays 26a-26d of the second relay layer of the switch arrangement 24.
  • each of the heating elements 10a-10d can be connected to both power supply units 22a, 22b at the same time in order to concentrate the total available energy on the heating element 10a-10d in question.
  • the two power supply units 22a, 22b designed as inverters should generate heating currents with the same heating frequency in order to avoid destructive interference.
  • the output poles of the relays 26a-26d, to which one of the heating elements 10a-10d is connected, are selected so that in the non-switching state of the relays 26a-26d exactly one of the two relays connects the heating element 10a-10d to one of the power supply units 22a, 22b while the other relay 26a-26d disconnects the connection to the other power supply unit 22a, 22b.
  • the heating element 10a is thus connected, for example, to the normally closed (NC) output terminal of the relay 26b and to the normally open (NO) output terminal of the relay 26c.
  • the sum of the nominal powers of the heating elements 10a-10d is greater than the nominal power of the power electronics assembly 12 and the phase 14 of the household power grid.
  • the sum of the nominal outputs of the heating elements 10a-10d can be 7.2 kW and the nominal power of the power electronics assembly 4.6 kW.
  • FIG. 1 two-layer structure of the switch assembly 24 are each two series-connected relays 28a, 28b, 26a-26d arranged in the connections between the heating elements 10a-10d and the power supply units 22a, 22b.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of the invention.
  • the following description is essentially limited to differences from the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1, while reference is made to the description in FIG. 1 with regard to features that are the same.
  • the hob comprises three heating elements 10a-10c and the switch assembly 24 includes only a total of four relays
  • the heating element 10a is connected to the power supply units 22a, 22b via only one relay 28a, 28b, while the heating elements 10b, 10c are connected to the power supply units 22a, 22b via two series-connected relays 26a, 28a and 26b, 28b, respectively.
  • Fig. 3 shows a further alternative embodiment of the invention with only two relays 26a, 26b and three heating elements 10a, 10b, 10c. Of the heating elements, only the middle heating element 10b is connected to output terminals of both relays 26a, 26b, while the heating elements 10a are connected to the output terminal of only one relay 26a, 26b, respectively.
  • FIG. 4 shows a generalization of the structure of an induction hob according to the invention with M power supply units 22.1 -22.
  • N which via a switch assembly 24 with the power supply units 22.1 -22. M are connected. It is M ⁇ N.
  • K of the array 24 is at least as large as the smallest integer greater than the 2's logarithm of the number of power supply units M.
  • the switch assembly 24 may be on a separate board or together with the power supply units 22.1 -22.
  • M can be mounted on a single board. The same applies to the low-pass filter 16 and the rectifier 18. These elements can also be used on a separate board or together with the power supply units 22.1 -22. M can be mounted on a large board.
  • the invention can be used both for traditional well mirrors with four fixed heating zones and for matrix hobs with a large number of heating elements arranged in a grid and flexibly combined to heat a single pot.
  • the topology in Fig. 3 is particularly suitable for wells with so-called paella heating zones, in which in the middle of the hob by means of the central heating element 10b, a large heating zone for heating a Paellapfanne is generated.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Control Of Resistance Heating (AREA)

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Kochfeld mit wenigstens zwei Heizelementen (10a-10d) und einer Leistungselektronikanordnung (12) zum Anschluss an eine einzige Phase (14) eines Haushaltsstromnetzes, wobei die Leistungselektronikanordnung (12) mehrere Stromversorgungseinheiten (22a, 22b) zur Versorgung jeweils eines oder mehrerer Heizelemente (10a-10d) mit Heizströmen umfasst, sowie mit einer Schalteranordnung (24) mit mehreren elektromechanischen Relais (26a-26d; 28a, 28b) zum Verbinden und/oder Trennen der Stromversorgungseinheiten mit bzw. von den Heizelementen (10a-10d). Um die Zuordnung zwischen Stromversorgungseinheiten (22a, 22b) und Heizelementen (10a-10d) flexibler zu gestalten, die für die abwechselnde Verwendung einer Stromversorgungseinheit (22a, 22b) für mehrere Heizelemente (10a-10d) notwendige Anzahl von Umschaltvorgängen zu reduzieren und das Erfüllen von Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit zu vereinfachen, wird vorgeschlagen, dass zumindest eines der Heizelemente (10a-10d) fest mit jeweils einem von zumindest zwei Ausgangspolen von wenigstens zwei der elektromechanischen Relais (26a-26d) verbunden ist.

Description

Kochfeld mit wenigstens zwei Heizelementen und einer
Leistungselektronikanordnung
Die Erfindung betrifft ein Kochfeld mit wenigstens zwei Heizelementen und einer Leis- tungselektronikanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der EP 0 986 287 B1 und aus der EP 0 971 562 B1 sind Kochfelder bekannt, die mehrere Heizelemente und eine Leistungselektronikanordnung zum Anschluss des Kochfelds an eine oder mehrere Phasen eines Haushaltsstromnetzes umfassen. Es ist üblich, separate Leistungselektronikanordnungen mit jeweils einem Filter und einem Gleichrichter für jede Phase eines Haushaltsstromnetzes zu verwenden. Kochfelder, die nur an eine einzige Phase des Haushaltsstromnetzes angeschlossen werden, sind in der Regel von kostengünstiger und einfacher Bauart und verfügen aufgrund der Leistungsbegrenzung des Haushaltsstromnetzes über eine begrenzte Heizleistung, die beispielsweise maximal 4,6 kW betragen kann.
Andererseits gibt es einen Trend, Kochfelder mit einer Vielzahl von Heizelementen auszustatten, die flexibel eingesetzt werden können und abhängig von einer Größe und/oder Position eines auf das Kochfeld aufgestellten Kochgeschirrelements zugeschaltet oder abgeschaltet werden können. In solchen Kochfeldern werden unabhängig voneinander betätigbare Stromversorgungseinheiten eingesetzt, die jeweils zum Beheizen eines Kochgeschirrelements eingesetzt werden und über eine Schalteranordnung flexibel mit den Heizelementen verschaltet werden können, die dem jeweiligen Kochgeschirrelement zugeordnet sind. Es ist ferner bekannt, zur Realisierung solcher Schalteranordnungen elekt- romechanische Relais zu verwenden, die eine Verbindung zwischen den Stromversorgungseinheiten und den Heizelementen herstellen oder trennen können.
Derartige Schalteranordnungen verknüpfen in der Regel eine große Anzahl von Heizelementen, beispielsweise von kleinen Induktoren eines Matrix-Kochfelds, mit einer sehr viel geringeren Anzahl von Stromversorgungseinheiten, beispielsweise Wechselrichtern. Die Schalteranordnung verzweigt sich daher in Richtung der Heizelemente und jedes Heizelement ist in der Regel dem Ende eines Asts der sich verzweigenden Baumstruktur zugeordnet. Jedes der Heizelemente kann daher auf genau eine Weise mit einer Stromver- sorgungseinheit verbunden werden. Ausnahmen von dieser Regel finden sich in Kochfeldern mit einem sogenannten Booster-Modus, in dem zwei Stromversorgungseinheiten zum Betreiben eines einzigen Heizelements zusammengeschaltet werden können. Ein entsprechendes elektromechanisches Relais öffnet oder schließt eine Brücke zwischen den beiden Stromversorgungseinheiten, insbesondere zwischen zwei Wechselrichtern eines Induktionskochfelds. Da die Heizleistung ja im Booster-Modus gerade auf ein Heizelement konzentriert werden soll, ist zwischen dieser Schalterbrücke und den Heizelementen jeweils ein weiterer Schalter angeordnet, der die nicht zu beheizenden Heizelemente von der Stromversorgung trennen kann.
Um Kosteneinsparungspotentiale zu erschließen, ist es wichtig, die verfügbaren Ressourcen flexibel für verschiedene Heizelemente einsetzen zu können. Dabei ist zu beachten, dass die gleichzeitige Verwendung aller Heizelemente eines Kochfelds mit sehr vielen Heizelementen unwahrscheinlich ist und dass selbst dann, wenn alle Heizzonen bzw. Heizelemente verwendet werden, nur in den seltensten Fällen jedes der Heizelemente mit der maximalen Leistung betrieben werden muss.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Zuordnung zwischen Stromversorgungseinheiten und Heizelementen flexibler zu gestalten, die für die abwechselnde Ver- wendung einer Stromversorgungseinheit für mehrere Heizelemente notwendige Anzahl von Umschaltvorgängen zu reduzieren und das Erfüllen von Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit zu vereinfachen. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Notbetrieb des Kochfelds auch dann zu ermöglichen, wenn einer der Schalter in der Schalteranordnung durch einen Defekt funktionsuntüchtig wird.
Die Aufgabe wird insbesondere durch ein Kochfeld mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung geht insbesondere aus von einem Kochfeld mit wenigstens zwei Heizelementen und einer Leistungselektronikanordnung zum Anschluss an eine einzige Phase eines Haushaltsstromnetzes. Die Leistungselektronikanordnung umfasst mehrere Stromversorgungseinheiten zur Versorgung jeweils eines oder mehrerer Heizelemente mit Heizströmen. Ferner umfasst das Kochfeld eine Schalteranordnung mit mehreren elekt- romechanischen Relais zum Verbinden und oder Trennen der Stromversorgungseinheiten mit bzw. von den Heizelementen.
Insbesondere betrifft die Erfindung Kochfelder mit wenigstens drei Heizzonen bzw. we- nigstens drei Heizelementen, die von einer einzigen Phase des Haushaltsstromnetzes gespeist werden und die beispielsweise unter einer Abdeckplatte mit Kantenlängen zwischen 60 und 80 cm angeordnet sind.
Es wird vorgeschlagen, dass zumindest eines der Heizelemente fest mit jeweils einem von zumindest zwei Ausgangspolen von wenigstens zwei der elektromechanischen Relais verbunden ist. Dadurch wird eine redundante Schalteranordnung realisiert, in der das Heizelement wahlweise über zwei verschiedene Wege mit Heizstrom versorgt werden kann, wobei jeder der Wege eines der beiden Relais umfasst. Die Anzahl der Schaltmöglichkeiten und die Anzahl der möglichen Zuordnungen zwischen Stromversorgungseinhei- ten und Heizelementen wird deutlich erhöht und damit die Flexibilität des Kochfelds erhöht.
Wegen der kurzen Ansprechzeiten von Induktionskochfeldern im Vergleich zu Strahlungskochfeldern sind Induktionskochfelder für einen Zeitmultiplexbetrieb besonders geeignet. Daher kommen die Vorteile der Erfindung bei ihrer Anwendung auf Induktionskochfelder besonders zum Tragen. In diesem Fall sind die Heizelemente Induktoren und die Stromversorgungseinheiten umfassen einen Wechselrichter, der einen hochfrequenten Heizstrom aus dem gleichgerichteten und ggf. gefilterten Strom aus dem Haushaltsstromnetz erzeugen kann. Die Frequenzen von Heizströmen in Induktionskochfeldern liegen typi- scherweise zwischen 20 kHz und 100 kHz.
Da durch die Erfindung die Verteilung der verfügbaren Energie auf die Heizelemente bzw. Heizzonen vereinfacht werden kann, kann auch mit einer geringeren Nominalleistung der Leistungselektronikanordnung ein befriedigendes Ergebnis erzielt werden. Insbesondere kann die Summe der Nominalleistungen der Heizelemente größer als die Nominalleistung der Leistungselektronikanordnung gewählt werden. Die Nominalleistung der Leistungselektronikanordnung liegt in der Regel knapp unterhalb der maximal verfügbaren Leistung einer Phase des Haushaltsstromnetzes und kann beispielsweise für Deutschland 4,6 kW betragen. Die von der Leistungselektronik maximal in Anspruch genommene Leistung kann ferner abhängig von der verfügbaren Leistung einstellbar gestaltet werden. Diese Einstellung kann in Kombination mit weiteren Ländereinstellungen, beispielsweise einer Zeitzone und/oder Sprache, erfolgen. Ferner wird vorgeschlagen, dass im schaltstromlosen Zustand bzw. im„normally closed" (NC) Zustand der beiden Relais genau eines der beiden Relais das Heizelement mit einer der Stromversorgungseinheiten verbindet, während das andere Relais die Verbindung zu der gleichen Stromversorgungseinheit oder einer anderen Stromversorgungseinheit trennt. Dadurch kann ein Betrieb des Heizelements auch dann realisiert werden, wenn aufgrund eines Defekts die Schaltströme nicht verfügbar sind.
Ferner wird vorgeschlagen, dass jedes der Heizelemente fest mit jeweils einem von zumindest zwei Ausgangspolen von wenigstens zwei der elektromechanischen Relais verbunden ist. Die redundante Stromversorgung kann damit für jedes der Heizelemente rea- lisiert werden. Alternativ dazu können auch ein oder mehrere Heizelemente mit einem von zumindest zwei Ausgangspolen von nur einem einzigen elektromagnetischen Relais verbunden sein.
Kosteneinsparungspotentiale durch die gemeinsame Verwendung von Hardware können realisiert werden, wenn die Leistungselektronikanordnung ein für alle Stromversorgungseinheiten gemeinsam verwendetes Tiefpassfilter und einen Gleichrichter umfasst.
Als elektromechanische Relais können insbesondere einpolige Wechselschalter verwendet werden, wobei die beiden Ausgangspole mit unterschiedlichen Heizelementen ver- bunden sein können. In diesem Fall wird ferner vorgeschlagen, dass ein gemeinsamer Mittelanschluss des Relais mit einer Stromversorgungseinheit verbunden ist und die beiden Ausgangspole des Relais mit jeweils einem Heizelement bzw. in der Verbindung zwischen dem Heizelement und der Stromversorgungseinheit in der entsprechenden Richtung angeordnet sind.
Eine weiter erhöhte Flexibilität der Schalteranordnung kann durch mehrere in Reihe geschaltete Relais in einer Verbindung zwischen einer Stromversorgungseinheit und einem Heizelement realisiert werden. Die Schalteranordnung kann insbesondere mehrere Verzweigungsschichten umfassen. Die Anzahl der Verzweigungsschichten bzw. die Anzahl von in Reihe geschalteten Relais kann für unterschiedliche Heizelemente auch unterschiedlich gestaltet werden. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, die Schalteranordnung so zu gestalten, dass zentral ange- ordnete Heizelemente mit einer besonders großen Zahl von Stromversorgungseinheiten bzw. Wechselrichtern verbunden werden können, während Heizelemente, die am Rand des Kochfelds angeordnet sind, mit einer geringeren Anzahl von Stromversorgungseinheiten verbunden werden können. Dadurch können die zentral angeordneten Heizelemente sehr flexibel mit anderen Heizelementen zu Heizzonen kombiniert werden, was für Heiz- elemente, die am Rand der Heizzone angeordnet sind, nicht im gleichen Maße nötig ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Kochfelds mit mehreren Heizelementen und einer Leistungselektronikanordnung zum Anschluss an eine einzige Phase eines Haushaltsstromnetzes,
Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Kochfelds nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung,
Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau eines Kochfelds nach einer weiteren
alternativen Ausgestaltung der Erfindung, und
Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau eines Kochfelds in einer Verallgemeinerung des Erfindungsgedankens.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Kochfeld mit vier Heizelementen 10a-10d und einer Leistungselektronikanordnung 12. Die Leistungselektronikanordnung dient zum Anschluss des Kochfelds an eine einzige Phase 14 eines Haushaltsstromnetzes und versorgt das gesamte Kochfeld aus dem Strom dieser Phase 14.
Die Leistungselektronikanordnung umfasst ein Filter 16 und einen Gleichrichter 18, die den aus dem Haushaltsstromnetz gezogenen Wechselstrom filtern und in einem Gleich- ström umwandeln, der eine weitere Filterung durch einen Dämpfungskondensator 20 erfährt. Das Filter 16 ist ein Tiefpassfilter, das Beschädigungen des Kochfelds durch starke Impulse aus dem Haushaltsstromnetz sowie Flicker verstärkende Rückkopplungen aus dem Kochfeld in das Haushaltsstromnetz verhindert.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Leistungselektronikbaugruppe ferner zwei Stromversorgungseinheiten 22a, 22b, die als Wechselrichter ausgebildet sind und die von einer hier nicht dargestellten Steuereinheit so betrieben werden, dass ein Heizstrom mit einer gewünschten Heizfrequenz erzeugt wird. Die beiden Wech- selrichter 22a, 22b können dabei Heizströme mit unterschiedlichen Heizfrequenzen, unterschiedlichen Amplituden und/oder unterschiedlichen Lastzyklen bzw. Phasen erzeugen, um in den Heizelementen 10a-10d die gewünschte Heizleistung zu erzeugen. Die Heizelemente 10a-10d sind Induktoren, die ein hochfrequentes Magnetfeld mit der Frequenz des Heizstroms erzeugen. Das Magnetfeld induziert Wirbelströme in einem ferromagneti- sehen Boden eines im Bereich des betreffenden Heizelements 10a-10d auf das Kochfeld aufgestellten Kochgeschirrelements, welcher dadurch erhitzt wird.
Zwischen den Stromversorgungseinheiten 22a, 22b und den Heizelementen 10a-10d ist eine Schalteranordnung 24 mit elektromechanischen Relais 26a-26d angeordnet. Die Relais 26a-26d sind einpolige Wechselschalter, deren gemeinsamer Mittelanschluss jeweils mit einem Pol von zwei weiteren Relais 28a,28b verbunden ist. Die weiteren Relais 28a, 28b sind über ihren Mittelanschluss mit jeweils einer Stromversorgungseinheit 22a, 22b verbunden. Jede der Stromversorgungseinheiten 22a, 22b kann durch eine geeignete Schaltung der Relais 26a,26b,28a-28d mit jedem der Heizelemente 10a-10d ver- bunden werden. Die Heizelemente 10a-10d sind ihrerseits fest mit jeweils zwei Ausgangspolen von zwei unterschiedlichen Relais 26a-26d der zweiten Relaisschicht der Schalteranordnung 24 verbunden. Dadurch kann jedes der Heizelemente 10a-10d mit beiden Stromversorgungseinheiten 22a,22b gleichzeitig verbunden werden, um die gesamte verfügbare Energie auf das betreffende Heizelement 10a-10d zu konzentrieren. In diesem Fall sollten die beiden als Wechselrichter ausgebildeten Stromversorgungseinheiten 22a,22b Heizströme mit der gleichen Heizfrequenz erzeugen, um destruktive Interferenzen zu vermeiden.
Die Ausgangspole der Relais 26a-26d, mit denen eines der Heizelemente 10a-10d ver- bunden ist, sind so gewählt, dass im schaltstromlosen Zustand der Relais 26a-26d genau eines der beiden Relais das Heizelement 10a-10d mit einer der Stromversorgungseinheiten 22a,22b verbindet, während das andere Relais 26a-26d die Verbindung mit zu der anderen Stromversorgungseinheit 22a, 22b trennt. Das Heizelement 10a ist also beispielsweise mit dem normalerweise geschlossenen (NC) Ausgangspol des Relais 26b und mit dem normalerweise offenen (NO) Ausgangspol des Relais 26c verbunden.
Die Summe der Nominalleistungen der Heizelemente 10a-10d ist größer als die Nominalleistung der Leistungselektronikanordnung 12 bzw. der Phase 14 des Haushaltsstromnetzes. Beispielsweise kann die Summe der Nominalleistungen der Heizelemente 10a-10d 7,2 kW betragen und die Nominalleistung der Leistungselektronikanordnung 4,6 kW.
Durch den in Fig. 1 dargestellten zweischichtigen Aufbau der Schalteranordnung 24 sind in den Verbindungen zwischen den Heizelementen 10a-10d und den Stromversorgungseinheiten 22a, 22b jeweils zwei in Reihe geschaltete Relais 28a,28b,26a-26d angeordnet.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Um Wiederholungen zu vermeiden, beschränkt sich die nachfolgende Beschreibung im Wesentlichen auf Unterschiede zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, während im Hinblick auf gleichbleibende Merkmale auf die Beschreibung in Fig. 1 verwiesen wird.
In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Kochfeld drei Heizelemente 10a-10c und die Schalteranordnung 24 umfasst nur insgesamt vier Relais
28a,28b,26a,26b. Das Heizelement 10a ist nur über jeweils ein Relais 28a,28b mit den Stromversorgungseinheiten 22a,22b verbunden, während die Heizelemente 10b, 10c über jeweils zwei in Reihe geschaltete Relais 26a, 28a bzw. 26b, 28b mit den Stromversorgungseinheiten 22a,22b verbunden sind.
Fig. 3 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung mit nur zwei Relais 26a, 26b und drei Heizelementen 10a, 10b, 10c. Von den Heizelementen ist nur das mittlere Heizelement 10b mit Ausgangspolen beider Relais 26a,26b verbunden, während die Heizelemente 10a jeweils mit dem Ausgangspol von nur einem Relais 26a,26b verbunden sind.
Fig. 4 zeigt eine Verallgemeinerung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Induktions- kochfelds mit M Stromversorgungseinheiten 22.1 -22. M bzw. Wechselrichtern und N Heiz- elementen 10.1 -10. N, die über eine Schalteranordnung 24 mit den Stromversorgungseinheiten 22.1 -22. M verbunden sind. Es gilt M<N. Die Anzahl K der Verzweigungsstufen 30.1 -30. K der Anordnung 24 ist wenigstens so groß wie die kleinste ganze Zahl, die größer als der Zweierlogarithmus aus der Anzahl der Stromversorgungseinheiten M ist.
Die Schalteranordnung 24 kann auf einer separaten Platine oder gemeinsam mit den Stromversorgungseinheiten 22.1 -22. M auf einer einzigen Platine montiert werden. Das gleiche gilt für das Tiefpassfilter 16 und den Gleichrichter 18. Auch diese Elemente können auf einer separaten Platine oder gemeinsam mit den Stromversorgungseinheiten 22.1 -22. M auf einer großen Platine montiert werden.
Die Erfindung kann sowohl für traditionelle Muldenspiegel mit vier fest vorgegebenen Heizzonen verwendet werden als auch für Matrix-Kochfelder mit einer großen Zahl von Heizelementen, die in einem Raster angeordnet sind und flexibel zum Beheizen eines einzigen Topfs zusammengefasst werden können. Die Topologie in Fig. 3 ist besonders für Mulden mit sogenannten Paella-Heizzonen geeignet, in denen in der Mitte des Kochfelds mit Hilfe des mittleren Heizelements 10b eine große Heizzone zum Beheizen einer Paellapfanne erzeugt wird.
Bezugszeichen
10 Heizelement
12 Leistungselektronikanordnung
14 Phase
16 Filter
18 Gleichrichter
20 Dämpfungskondensator
22 Stromversorgungseinheit
24 Schalteranordnung
26 Relais
28 Relais
30 Verzweigungsstufe

Claims

Patentansprüche
Kochfeld mit wenigstens zwei Heizelementen (10a-10d) und einer Leistungselektronikanordnung (12) zum Anschluss an eine einzige Phase (14) eines Haushaltsstromnetzes, wobei die Leistungselektronikanordnung (12) mehrere Stromversorgungseinheiten (22a, 22b) zur Versorgung jeweils eines oder mehrerer Heizelemente (10a-10d) mit Heizströmen umfasst, sowie mit einer Schalteranordnung (24) mit mehreren elektromechanischen Relais (26a-26d; 28a, 28b) zum Verbinden und/oder Trennen der Stromversorgungseinheiten mit bzw. von den Heizelementen (10a-10d),
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Heizelemente (10a-10d) fest mit jeweils einem von zumindest zwei Ausgangspolen von wenigstens zwei der elektromechanischen Relais (26a-26d) verbunden ist.
Kochfeld nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (10a-10d) Induktoren sind und die Stromversorgungseinheiten (22a, 22b) jeweils einen Wechselrichter umfassen.
Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Nominalleistungen der Heizelemente (10a-10d) größer ist als die Nominalleistung der Leistungselektronikanordnung.
Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im schaltstromlosen Zustand der beiden Relais (26a-26d) genau eines der beiden Relais das Heizelement (10a-10d) mit einer der Stromversorgungseinheiten (22a, 22b) verbindet, während das andere Relais (26a-26d) die Verbindung zu einer anderen Stromversorgungseinheit (22a, 22b) trennt.
Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Heizelemente (10a-10d) fest mit jeweils einem von zumindest zwei Ausgangspolen von wenigstens zwei der elektromechanischen Relais (26a-26d) verbunden ist.
6. Kochfeld nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Heizelemente (10a-10d) mit einem von zumindest zwei Ausgangspolen von nur einem elektromechanischen Relais (26a-26d) verbunden ist.
7. Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikanordnung ein für alle Stromversorgungseinheiten (22a, 22b) gemeinsam verwendetes Tiefpassfilter (16) und einen Gleichrichter (18) umfasst.
8. Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanischen Relais (26a-26d) einpolige Wechselschalter sind.
9. Kochfeld nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Mittelanschluss des Relais (26a-26d) mit einer Stromversorgungseinheit (22a, 22b) verbunden ist und die beiden Ausgangspole des Relais (26a-26d) mit jeweils einem Heizelement (10a-10d) verbunden sind.
10. Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteranordnung (24) mehrere in Reihe geschaltete Relais (26a-26d; 28a, 28b) in einer Verbindung zwischen einer Stromversorgungseinheit (22a,22b) und einem Heizelement (10a-10d) umfasst.
1 1 . Kochfeld nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verbindungen zwischen zwei Heizelementen (10a-10d) und einer oder zwei Stromversor- gungseinheiten (22a, 22b) eine unterschiedliche Anzahl von in Reihe geschaltete
Relais (26a-26d; 28a,28b) angeordnet ist.
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