DE2559502B2

DE2559502B2 - lnduktions-Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2559502B2
Application number: DE2559502A
Authority: DE
Inventors: Mitsuyuki Kadoma Osaka Kiuchi (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1974-05-17
Filing date: 1975-05-16
Publication date: 1978-07-27
Also published as: DE2521941B2; DE2559503C3; FR2271735A1; SE7505490L; FR2271735B1; US4320273A; AU8113975A; GB1472492A; NL7505810A; US4275281A; DE2559503B2; CA1047120A; DE2521941A1; DE2559503A1; SE408518B; DE2559502A1; DE2521941C3

Description

Die Erfindung betritt eine Unduktions-Heizvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Bei einer solchen Induktions-Heizvorrichtung schwankt, wenn die Heizspule durch eine Last, beispielsweise eine Koch- oder Bratpfanne, die in der Nähe der Heizspule abgesetzt wird, belastet wird, die von der Schaltung einschließlich der Heizspule gebildete Impedanz in einem weiten Bereich je nach dem Material, das die an die Heizspule angekoppelte Last bildet. Dadurch ergeben sich unerwünscht hohe Schwankungen in den Arbeitsbedingungen der Heizspule und des Umformers und insbesondere bei den Halbleiterelementen, die den Schalter bilden. Diese Gefahr ist besonders beim Einschaltbetrieb der Vorrichtung und in einem solchen Zustand ausgeprägt, bei dem die Heizspule einer zunehmenden Last ausgesetzt wird. Die Schwankungen in den Betriebsbedingungen des Umformers und der Heizspule sind Ursache für ungewöhnliche Strom- oder Spannungsänderungen an der Heizspule. Daraus ergibt sich die Gefahr, daß die Heizspule durchbrennt und das in der Heizvorrichtung enthaltene Isoliermaterial zerstört wird.

Es ist bereits eine Induktions-Heizvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt (DE-OS 23 04 411). Bei der bekannten Vorrichtung besteht die Heizeinheit aus der Reihenschaltung der Heizspule mit einem Filterkondensator, deren beider Resonanzfrequenz im unbelasteten Zustand der Heizspule unterhalb der Frequenz des vom statischen Umformer gelieferten Speisewechselstroms ist. Um einen möglichst sinusförmigen Laststrom in der Heizspule zu erhalten, ist jedoch der Unterschied der beiden genannten Frequenzen nicht sehr hoch. Eine Belastung der Heizspule durch eine Bratpfanne oder dergleichen führt zu einer Verringerung der Induktivität der Heizspule und damit zu einer Erhöhung der von dieser Induktivität beeinflußten Resonanzfrequenz. Diese Resonanzfrequenz kann dadurch größer als die Frequenz des Speisewechelstroms werden. In einem solchen Fall schwingt jedoch der statische Umformer nicht oder nur schwer an. Zur Lösung dieses Problems ist bei der bekannten Unduktions-Heizvorrichtung eine veränderliche Induktivität vorgesehen, die mit der Heizspule in Reihe geschaltet und so mit einem Hauptschalter gekuppelt ist, daß sie unmittelbar nach dem Einschalten einen hohen Wert aufweist, der sich nach Erreichen eines stabilgen Arbeitszustands des Umformers verringert. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die Resonanzfrequenz der den Umformer belastenden Heizeinheit einschließlich der zusätzlichen Induktivität unterhalb der Frequenz des Umformers liegt, so daß dieser sicher anschwingen kann.

Es ist auch bekannt, einen stabilen Betrieb des Umformers durch eine Änderung der Resonanzfrequenz des Umformers zu erzielen. Hierzu waren jedoch bislang aufwendige Schaltungen erforderlich, die zu einer Herabsetzung der Betriebssicherheit und einer Erhöhung der Herstellungskosten führten.

Aus der DE-OS 23 17 565 ist ein Induktions-Heizgerät bekannt, bei dem die Heizeinheit in ihrer Resonanzfrequenz von einem selbsterregten Oszillator gespeist wird. Der selbsterregte Oszillator ist mit einer Startschaltung versehen, die sein Anschwingen ermöglicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Induktionsheizeinrichtung der eingangs benannten Art so auszugestalten, daß mit einfachen Mitteln beim Einschalten der Vorrichtung ein schnelles Erreichen des stabilen Arbeitszustands des statischen Umformers gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale nach dem Patentanspruch gelöst.

Die Induktions-Heizvorrichtung besitzt somit eine Steuereinrichtung, die den Schalter während der anfänglichen Betriebsstufe mit einer bestimmten Fre-

)5 quenz triggert und danach die Triggerfrequenz für den Schalter auf einen vorgegebenen Normalwert verstellt. Die Steuereinrichtung besitzt eine Frequenzsteuerschaltung, die den Umschalter während der anfänglichen Betriebsstufe mit einer bestimmten Frequenz triggert, die höher als die Normalfrequenz ist. Der Zeitgeber weist eine der anfänglichen Betriebsstufe entsprechende Verzögerungszeit auf und beeinflußt die Frequenzsteuerschaltung nach Ablauf der Verzögerungszeit derart, daß die Triggerfrequenz des Schalters auf die Normalfrequenz reduziert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung, teilweise in

so Blockform, einer allgemeinen Anordnung einer erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung,

F i g. 2a bis 2c graphische Darstellungen von Beispielen für die Triggerimpulse (F i g. 2a), die an den Schalter des Umformers der in F i g. 1 gezeigten Anordnung angelegt werden, den Strom (F i g. 2b), der durch den Schalter fließt, wenn die Triggerimpulse von F i g. 2a auftreten, und die Spannung (Fig.2c), die über dem Schalter aufgebaut wird, wenn der in Fig.2b gezeigte Strom durch ihn hindurchfließt,

F i g. 3 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Widerstand der Heizspule und der Abschaltzeit des Schalters bei verschiedenen Schwingungsfrequenzen des statischen Umformers der in F i g. 1 gezeigten Anordnung wiedergibt,

Fig.4 eine schematische Darstellung, teilweise in Blockform, eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung.
F i g. 1 zeigt die grundlegende Schaltungsanordnung

einer erfindungsgemäßen Induktions-Heizvorrichtung. Die Induktions-Heizvorrichtung weist einen statischen Umformer 30 mit einer Gleichrichtereinheit 32 auf, die an eine Wechselstromquelle 34 angeschlossen ist und einen positiven und einer negativen Ausgangsanschluß 36 bzw. 36' hat. Die Gleichrichtereinheit 32 ist ein Vollwellenbrückengleichrichter, der aus den Dioden 32a, 326, 32c und 32d besteht, die in einer diametralen Brücke zwischen den positiven und negativen Anschlüssen 36 und 36' angeschlossen sind. Zwischen den Anschlüssen 36 und 36' ist eine Reihenschaltung aus einer den Strom begrenzenden Spule 38 und einem Halbleiter-Schalter 40 angeschlossen, der aus der Parallelschaltung eines Thyristors 42 und einer Diode 44 besteht, die gegensinnig gepolt sind. Über dem Schalter 40, ist eine Reihenschaltung aus einer kommutierenden Spule 46 und einem kommutierenden Kondensator 48 angeschlossen, die einen Schwingkreis bilden. Der Thyristor 42 und die Diode 44 sind daher mit ihren entsprechenden Anoden- und Kathodenanschlüssen parallel durch die Spule 38 mit dem positiven Ausgangsanschluß 36 der Gleichrichtereinheit 32 und durch die Spule 46 mit einer Elektrode des Kondensators 48 verbunden. Die jeweils anderen Kathoden- und Anodenanschlüsse sind mit dem negativen Anschluß 36' der Gleichrichtereinheit 32 und mit der anderen Elektrode des Kondensators 48 verbunden.

Der auf diese Weise gebildete statische Umformer 30 hat einen positiven und einen negativen Ausgangsanschluß 50 bzw. 50' und ist mit einer Induktions-Heizeinheit 52 verbunden, die aus einer Reihenschaltung eines Filterkondensators 54 und einer Heizspule 56 besteht und zwischen den Ausgangsanschlüssen 50 und 50' des Umformers 30 angeschlossen ist. Der Filterkondensator 54 sperrt den Gleichstrom, so daß nur ein Wechseltrom in die Heizspule 56 fließen kann. Eine zu beheizende Last, die beispielsweise eine Pfanne 58 sein kann, wird in die Nähe der gewöhnlich spiralförmig ausgebildeten Heizspule 56 gebracht.

Die Induktions-Heizvorrichtung weist ferner eine Steuereinrichtung 60 mit einem Triggerimpulsgenerator 62 auf, dessen erster Ausgangsanschluß 62a mit dem Gateanschluß 42a des Thyristors 42 und dessen zweiter Ausgang 62b mit der Kathode des Thyristors 42 und der Anode der Diode 44 verbunden ist. Der Triggerimpulsgenerator 62 ist mit seinen Eingangsanschlüssen mit einer Startsteuerschaltung 64 verbunden, um die von dem Umformer 30 während eines anfänglichen Betriebsstadiums erzeugte Schwingungsfrequenz zu steuern.

Im Betrieb wird die von der Gleichrichtereinheit 32 gelieferte Spannung an den Thyristor 42 angelegt, der folglich leitfähig gemacht wird, wenn ein Triggerimpuls von dem Triggerimpulsgenerator 62 geliefert wird. Wenn der Thyristor 42 auf diese Weise getriggert wird, wird die Spannung über dem Thyristor 42 auf im wesentlichen Null reduziert, so daß ein Wechselstrom, der durch die Gesamtimpedanz der Spulen 38 und 46, der Kondensatoren 48 und 54 und der Heizspule 56 bestimmt ist, durch den Schalter 40 aus Thyristor 42 und Diode 44 fließ . Durch diesen Wechselstrom wird über dem Kondensator 48 eine Spannung erzeugt, deren Frequenz gleich der Frequenz ist, mit der der Thyristor 42 getriggert wird. Ein Resonanzstrom mit einer Resonanzfrequenz, die durch die Kapazität des Filterkondensators 54 und die Induktivität der Heizspule 56 bestimmt ist, fließt daher durch die Heizspule 56, wobei der kommutierende Kondensator 48 als Stromquelle wirkt. In der Pfanne 58, die dum sich ändernden Magnetfluß ausgesetzt ist, der durch die Heizspule 56 erzeugt wird, werden daher Wirbelströme erzeugt, so daß die Pfanne 58 durch Induktion aufgeheizt wird.

Der Thyristor 42 wird durch die Triggerimpulse von dem Triggerimpulsgenerator 42 der Steuerrichtung 60 zyklisch eingeschaltet und durch den Wechselstrom ausgeschaltet, der durch die Reihenschaltung der Spule 46 und des Kondensators 48 erzeugt wird. Die Spule 46

ίο und der Kondensator 48 bilden einen Schwingkreis und sind so gewählt, daß sie eine Resonanzfrequenz f, besitzen, die etwa doppelt so groß wie die Frequenz f, ist, mit der der Thyristor 42 von dem Triggerimpulsgenerator 62 getriggert wird.

ig Fig.2a zeigt einen Impulszug, der an dem Gateanschluß 42a des Thyristors 42 ansteht, während Fig. 3b die Wellenform des Stromes zeigt, der durch den Schalter 40 fließt, welcher aus dem Thyristor 42 und der Diode 44 besteht. Fig. 2c zeigt die Wellenform der Spannung, die über dem Schalter 40 aufgebaut wird, wenn der Thyristor 42 durch die in Fig. 2a gezeigten Impulse getriggert wird. Der Strom der in Vorwärtsrichtung durch den Schalter 40 fließt und durch Ir in F i g. 2b dargestellt ist, fließt durch den Thyristor 42, und der Strom, der in Rückwärtsrichtung durch den Schalter 40 fließt und durch Id dargestellt ist, fließt durch die Diode 44. Die Dauer ίο, während der der Strom Iddurch die Diode 44 fließt, wird hier als Abschaltzeit des Schalters 40 bezeichnet. Wenn die Abschaltzcit t₀ kürzer als die Abschaltzeit des Thyristors ist, wird der Strom durch den Schalter 40 nicht kommutiert. Wenn die Heizspule 56 einer Last ausgesetzt wird, kann sie durch ein Ersatzschaltbild dargestellt werden, welches aus der Reihenschaltung der Induktivität und des Widerstandes der Spule besteht. Wenn sich die Resonanzfrequenz f'_r der Reihenschaltung aus der Induktivität der Heizspule 56 und der Kapazität des Filterkondensators 54 der Frequenz f_o der Schwingung des Umformers, d. h. der Triggerfrequenz f, des Thyristors 42, nähert, wird die

4ü genannte Abschaltzeit des Schalters 40 um so kürzer, um so kleiner der Widerstand der Heizspule 56 wird.

F i g. 3 zeigt die allgemeine Beziehung zwischen dem Widerstand der Heizspule 56 und der Abschaltzeit t_o des Schalters 40 für verschiedene Schwingungsfrequenzen fo, die in der Reihenfolge der Kurven a, b und c kleiner werden, wobei die Induktivität der Heizspule 56 als unveränderlich angenommen wird. Aus den Kurven a, b und c ist ersichtlich, daß die Abschaltzeit t_o des Schalters 40 um so kurzer wird, je geringer die Frequenz f_o der Schwingung des Umformers 30 ist. Wenn daher die Frequenz f_o höher als die Resonanzfrequenz f'_r der Reihenschaltung des Filterkondensators 54 und der Induktivität der Heizspule 56 gemacht wird, wird die Abschaltzeit i_odes Schalters 40 länger, so daß der Strom des Umformers 30 leichter schwingen kann. Wenn jedoch die Frequenz /„ viel größer als die Resonanzfrequenz f'r der Reihenschaltung des Filterkondensators 54 und der Induktivität der Heizspule 56 wird, fällt der Ausgangsstrom des Umformers 30 und folglich der durch die Heizspule 56 fließende Strom in kritischer Weise ab, so daß die Heizspule 56 keinen ausreichenden Magnetfluß mehr erzeugen kann. Dieses Problem wird gelöst, wenn einerseits während des anfänglichen Betriebsstadiums der Induktions-Heizvorrichtung der Thyristor 42 mit einer Frequenz getriggert wird, die über einem bestimmten Normalwert liegt, und der Ausgangsstrom des Umformers 30 entsprechend auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert eingestellt wird,

und wenn andererseits die Triggerfrequenz des Thyristors 42 herabgesetzt und folglich der Ausgangsstrom des Umsetzers 30 erhöht wird, nachdem die Induktions-Heizvorrichtung angelaufen ist und sich im stationären Zustand befindet. Dies erweist sich im Hinblick darauf als vorteilhaft, daß die Abschaltzeit des Schalters 40 kurzer wird, wenn die Heizspule 56 einer durch Induktion zu beheizenden Last ausgesetzt wird. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Induktionsheizvorrichtung, die diesen Zweck erfüllen kann.

Gemäß F i g. 4 besteht die Startsteuerschaltung 64 aus einem Zeitgeber 70 und einer Frequenzsteuerschaltung 72, deren Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß des Zeitgebers 70 und deren Ausgangsanschluß mit dem Triggerimpulsgenerator 62 verbunden ist. Die Frequenzsteuerschaltung 72 wird gleichzeitig mit dem Umformer 30 eingeschaltet und steuert den Triggerimpulsgenerator 62, so da dieser einen Impulszug mit einer Frequenz abgibt, die höher als eine vorbestimmte, normale Triggerfrequenz für den Thyristor 42 ist, bis die Frequenzsteuerschaltung 72 ein Ausgangssignal von dem Zeitgeber 70 erhält. Die Frcquenzsteuerschaltung 72 erhält dieses Ausgangssignal von dem Zeitgeber 70

ίο nach einem vorbestimmten Zeitintervall nach Einschalten des Umformers 30. Daraufhin wird die Frequenz der von dem Triggerimpulsgenerator 62 abgegebenen Impulse von der Frequenzsteuerschaltung 72 auf ein vorbestimmtes Normalniveau reduziert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Induktions-Heizvorrichtung mit einer Heizeinheit, die wenigstens eine Heizspule enthält und mit einem statischen Umformer zwischen einer netzfrequenten Wechselstromquelle und der Heizeinheit, der den zugeführten Wechselstrom in einen Hochfrequenzstrom umformt und dadurch ein hochfrequentes Magnetfeld in der in einem Kochfrequenzschwingkreis liegenden Heizspule erzeugt, und bei der der Umformer einen Schalter bestehend aus einer Diode mit antiparallel geschaltetem Thyristor aufweist, dessen Steuerelektrode von einer Steuereinrichtung ansteuerbar ist, die einen Triggerimpulsgenerator enthält, der von einem Zeitgeber steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zeitgeber (70) und dem Triggerimpulsgenerator (62) eine diesen ansteuernde Frequenzsteuerschaltiing (72) liegt, deren Ausgangsfrequenz vom Zeitgeber (70) nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalles nach dem Einschalten des Umformers (30) auf einen vorgebbaren Wert absenkbar ist.