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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Induktionsheizeinrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Induktionsheizeinrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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Induktionskochgeräte bzw.
Induktionsherde finden eine immer stärkere Verbreitung. Vorteilhaft
ist ihr hoher Wirkungsgrad und die schnelle Reaktion auf eine Änderung
der Kochstufe. Nachteilig ist der im Vergleich zu Glaskeramikkochfeldern
mit Strahlungsheizkörpern
hohe Preis.
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Induktionskochgeräte umfassen üblicherweise
eine oder mehrere, einer jeweiligen Kochstelle zugeordnete Induktionsheizeinrichtungen
mit einer Induktionsspule, die mit einer Wechselspannung bzw. einem
Wechselstrom beaufschlagt wird, wodurch in einem magnetisch mit
der Induktionsspule gekoppelten, zu erhitzenden Kochgeschirr Wirbelströme induziert
werden. Die Wirbelströme
bewirken eine Erhitzung des Kochgeschirrs.
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Zur
Ansteuerung der Induktionsspule sind unterschiedliche Schaltungsanordnungen
und Ansteuerverfahren bekannt. Allen Schaltungs- bzw. Verfahrensvarianten
ist gemeinsam, dass sie aus einer niederfrequenten Netzeingangsspannung
eine hochfrequente Ansteuerspannung für die Induktionsspule erzeugen.
Derartige Schaltungen werden als Umrichter bezeichnet.
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Zur
Umrichtung bzw. Frequenzwandlung wird üblicherweise zunächst die
Netzeingangs- bzw. Netzwechselspannung mit Hilfe eines Gleichrichters in
eine Versorgungsgleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung gleichgerichtet
und anschließend
zur Erzeugung der hochfrequenten Ansteuerspannung mit Hilfe von
einem oder mehreren Schaltmitteln, im allgemeinen Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT),
aufbereitet. Am Ausgang des Gleichrichters, d.h. zwischen der Zwischenkreisspannung
und einem Bezugspotential, ist üblicherweise
ein so genannter Zwischenkreiskondensator zur Pufferung der Zwischenkreisspannung
vorgesehen.
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Eine
in Europa verbreitete Umrichtervariante bildet eine Halbbrückenschaltung
aus zwei IGBTs, wobei die Induktionsspule und zwei Kondensatoren, die
seriell zwischen die Zwischenkreisspannung und das Bezugspotential
eingeschleift sind, einen Serienschwingkreis bilden. Die Induktionsspule
ist mit einem Anschluss mit einem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren
und mit ihrem anderen Anschluss mit einem Verbindungspunkt der beiden
die Halbbrücke
bildenden IGBTs verbunden. Diese Umrichtervariante ist leistungsfähig und
zuverlässig,
jedoch aufgrund der beiden benötigten
IGBTs relativ teuer.
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Eine
aus Kostengesichtspunkten optimierte Variante verwendet daher nur
ein Schaltmittel bzw. einen IGBT, wobei die Induktionsspule und
ein Kondensator einen Parallelschwingkreis bilden. Zwischen die
Ausgangsanschlüsse
des Gleichrichters, parallel zum Zwischenkreiskon densator sind der
Parallelschwingkreis aus Induktionsspule und Kondensator und der
IGBT seriell eingeschleift. Diese Variante wird auch als Eintransistorumrichter
bezeichnet.
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Üblicherweise
gibt ein Bediener des Induktionskochgerätes eine gewünschte Heizleistung
der Kochstelle bzw. der der Kochstelle zugeordneten Induktionsheizeinrichtung
vor. Wenn eine Regelung der eingestellten Heizleistung erfolgen
soll, ist es notwendig, die tatsächlich
von der Induktionsheizeinrichtung bzw. von deren Induktionsspule
abgegebene Leistung zu ermitteln und auf den eingestellten Sollwert
zu regeln.
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Aufgabe
und Lösung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb
einer Induktionsheizeinrichtung und eine Induktionsheizeinrichtung zur
Verfügung
zu stellen, bei denen die durch die Induktionsspule abgegebene Leistung
zuverlässig
und kostengünstig
ermittelbar ist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer Induktionsheizeinrichtung
nach Anspruch 1 und eine Induktionsheizeinrichtung nach Anspruch
5.
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Vorteilhafte
sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
weiteren Ansprüche
und werden im folgenden näher
erläutert. Der
Wortlaut der Ansprüche
wird durch ausdrückliche Bezugnahme
zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
dient zum Betrieb einer Induktionsheizeinrichtung mit einer Induktionsspule,
einem Kondensator, welcher der Induktionsspule parallel geschaltet
ist, wobei die Induktionsspule und der Kondensator einen Parallelschwingkreis
bilden, einem ansteuerbaren Schaltmittel, das in Serie mit dem Parallelschwingkreis
zwi schen eine aus einer Netzwechselspannung erzeugte Zwischenkreisspannung
und ein Bezugspotential eingeschleift ist und derart angesteuert
wird, dass während
eines Heizbetriebs eine Schwingung des Parallelschwingkreises bewirkt
wird, und eine Freilaufdiode, die dem Schaltmittel parallel geschaltet
ist. Beim Betrieb der Induktionsheizeinrichtung wird ein durch das
Schaltmittel fließender
Schaltmittelstrom gemessen, wenn das Schaltmittel durchgeschaltet ist,
und ein durch die Freilaufdiode fließender Diodenstrom gemessen,
wenn das Schaltmittel gesperrt ist. Zur Bestimmung der durch die
Induktionsspule abgegebenen Leistung wird der Schaltmittelstrom und
der Diodenstrom ausgewertet. Der Diodenstrom und der Schaltmittelstrom
stehen mit der von der Induktionsspule abgegebenen Leistung bzw.
Wirkleistung in Beziehung. Daher kann durch deren Auswertung einfach
und zuverlässig
eine Leistungsermittlung erfolgen.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird ein zeitlicher Mittelwert
des Schaltmittelstroms ermittelt, ein zeitlicher Mittelwert des
Diodenstroms ermittelt und ein Betrag des zeitlichen Mittelwerts
des Schaltmittelstroms und ein Betrag des zeitlichen Mittelwerts
des Diodenstroms zur Bildung eines Summenmittelwertstroms addiert,
wobei die Leistung anhand des Summenmittelwertstroms ermittelt wird. Der
derart gebildete Summenmittelwertstrom entspricht in etwa dem aus
dem Netz entnommenen Wirkstrom und kann daher zuverlässig zur
Ermittlung der Wirkleistung verwendet werden. Vorteilhaft wird zur
Ermittlung der durch die Induktionsspule abgegebenen Leistung der
Summenmittelwertstrom mit einem Effektivwert der Netzwechselspannung
multipliziert. Auf diese Weise ist die durch die Induktionsspule
abgegebene Wirkleistung einfach zu errechnen.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird die durch die Induktionsspule
abgegebene Leistung auf einen vorgebbaren Sollwert geregelt, wobei
die ermittelte Leistung als Istwert der Regelung dient. Die erfindungs gemäß ermittelte
Leistung ermöglicht
eine präzise
Leistungsregelung der Induktionskocheinrichtung.
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Die
erfindungsgemäße Induktionsheizeinrichtung
umfasst eine Induktionsspule, einen Kondensator, welcher der Induktionsspule
parallel geschaltet ist, wobei die Induktionsspule und der Kondensator
einen Parallelschwingkreis bilden, ein ansteuerbares Schaltmittel,
das in Serie mit dem Parallelschwingkreis zwischen eine aus einer
Netzwechselspannung erzeugte Zwischenkreisspannung und ein Bezugspotential
eingeschleift ist und derart angesteuert wird, dass während eines
Heizbetriebs eine Schwingung des Parallelschwingkreises bewirkt wird,
und eine Freilaufdiode, die dem Schaltmittel parallel geschaltet
ist. Erfindungsgemäß umfasst
die Induktionsheizeinrichtung ein Strommessmittel zum Messen eines
durch das Schaltmittel fließenden Schaltmittelstroms,
wenn das Schaltmittel durchgeschaltet ist, und eines durch die Freilaufdiode
fließenden
Diodenstroms, wenn das Schaltmittel gesperrt ist, und eine Auswerteeinrichtung
zum Auswerten des Schaltmittelstroms und des Diodenstroms zur Bestimmung
der durch die Induktionsspule abgegebenen Leistung. Als Schaltmittel
können
grundsätzlich
alle geeignet spannungsfesten Schaltmittel verwendet werden, insbesondere
sind dies hochspannungsfeste Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren
(IGBTs).
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In
einer Weiterbildung der Induktionsheizeinrichtung umfasst das Strommessmittel
einen Widerstand, der zwischen das Schaltmittel und das Bezugspotential
eingeschleift ist. Bevorzugt weist der Widerstand niederohmige Widerstandswerte
auf. Durch Einfügen
des Widerstands zwischen das Schaltmittel und das Bezugspotential,
beispielsweise zwischen den Emitter eines IGBTs, der als Schaltmittel
verwendet wird, und Masse als Bezugspotential, kann durch Messung
des Spannungsverlaufs am Widerstand der Strom durch das Schaltmittel
bzw. den IGBT und die Freilaufdiode zuverlässig bestimmt werden.
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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 alleine 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 und Zwischen-Überschriften beschränkt die
unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnungen schematisch dargestellt und
wird im folgenden näher
beschrieben. Hierbei zeigt die einzige Figur ein Schaltbild einer
erfindungsgemäßen Induktionsheizeinrichtung.
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Detaillierte
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die
Figur zeigt ein Schaltbild einer Induktionsheizeinrichtung mit einem
Eintransistorumrichter EU. Die Induktionsheizeinrichtung ist Teil
eines nicht gezeigten Koch- oder Wärmegeräts, beispielsweise eines Herds,
das mehrere Heizzonen aufweisen kann, wobei jeder Heizzone jeweils
eine Induktionsheizeinrichtungen zugeordnet ist. Die Induktionsheizeinrichtung
dient zur induktiven Erwärmung
eines Kochgeschirrs KG.
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Der
Eintransistorumrichter EU umfasst einen Brückengleichrichter GL, der aus
einer Eingangsnetzwechselspannung UN von 230V und 50Hz eine Zwischenkreisspannung
UZ erzeugt. Ein Puffer- oder Zwischenkreiskondensator C1 ist zur
Stabilisierung bzw. Pufferung der Zwischenkreisspannung UZ zwischen
Ausgangsanschlüsse
N1 und N2 des Gleichrichters GL eingeschleift.
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Eine
Induktionsspule L1 und ein Kondensator C2 sind parallel geschaltet
und bilden einen Parallelschwingkreis. Ein ansteuerbares Schaltmittel
in Form eines IGBTs T1 und ein Strommesswiderstand R1 sind in Serie
mit dem Parallelschwingkreis zwischen die Ausgangsanschlüsse N1 und
N2 des Gleichrichters GL bzw. die Zwischenkreisspannung UZ und ein
Bezugspotential in Form von Masse GND eingeschleift.
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Der
IGBT T1 wird von einer Steuereinheit in Form eines Mikrocontrollers
MC angesteuert. Eine Freilaufdiode D1 ist der Kollektor-Emitter-Strecke des
IGBTs T1 parallel geschaltet.
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Eine
am Strommesswiderstand R1 anstehende Messspannung UM wird durch
ein RC-Filter aus einem Widerstand R2 und einem Kondensator C3 gefiltert
und an einen zugehörigen
hochohmigen Eingang des Mikrocontrollers MC angelegt. Der Eingang
des Mikrocontrollers MC ist intern einem A/D-Wandler des Mikrocontrollers
MC zugeordnet, der aus dem analogen Spannungswert UM einen digitalen
Wert zur Auswertung durch den Mikrocontroller MC erzeugt.
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Nach
dem Anlegen der Netzwechselspannung UN oder wenn die Induktionsheizeinrichtung nicht
in einem Heizbetrieb betrieben wird, lädt sich der Zwischenkreiskondensator
C1 auf einen Scheitelwert der Netzwechselspannung UN auf, beispielsweise
auf 325V bei 230V Netzwechselspannung. Wenn der IGBT T1 ausgehend
von diesem Zustand eingeschaltet wird, nimmt eine Spannung am Kollektor
des IGBTs bzw. an einem Verbindungsknoten des Parallelschwingkreises
und des IGBTs T1 in etwa Massepotential GND an, da der Strommesswiderstand
R1 sehr niederohmig dimensioniert ist.
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Dies
bewirkt, dass der Kondensator C2 auf den Wert der Zwischenkreisspannung
UZ aufgeladen wird. Da die Induktionsspule L1 ebenfalls mit der
Zwischenkreisspannung UZ beaufschlagt wird, ergibt sich ein linearer
Stromanstieg durch die Induktionsspule L1, wodurch magnetische Energie
in der Spule L1 gespeichert wird.
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Wenn
der IGBT T1 abgeschaltet wird, bildet sich im Schwingkreis eine
Schwingung aus, deren Amplitude am Kollektor des IGBTs T1 erheblich über den
Wert der Zwischenkreisspannung UZ ansteigen kann. Diese Schwingung
induziert beispielsweise in einem Boden des über der Induktionsspule L1
stehenden Kochgefäßes KG einen
Wirbelstrom, der zu dessen Erwärmung
führt.
Dem Schwingkreis wird dadurch Energie entzogen, wodurch die Schwingung gedämpft wird.
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Zur
Messung bzw. Ermittlung der durch die Induktionsspule L1 abgegebenen
Leistung wird in einem ersten Schritt die Spannung UM bzw. der Spannungsverlauf
am Strommesswiderstand R1 gemessen, wenn der IGBT T1 durchgeschaltet
ist. Da die Freilaufdiode für
diesen Fall sperrt, entspricht der Strom IS durch den IGBT T1 dem
Strom durch den Widerstand R1. Bei bekannten Widerstandswert des Widerstands
R1 kann daraus ein Schaltmittelstrom bzw. der Strom IS durch den
IGBT T1 berechnet werden. Aus dem ermittelten Schaltmittelstrom
IS bzw. dem Schaltmittelstromverlauf wird ein zeitlicher Mittelwert
gebildet.
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Wenn
der IGBT T1 abgeschaltet wird, bildet sich eine Schwingung des Parallelschwingkreises aus,
wodurch in bestimmten Phasenlagen der Schwingung ein Diodenstrom
ID, d.h. ein Stromfluss durch die Freilaufdiode D1, und mit gleicher
Stromstärke
durch den Strommesswiderstand R1 bewirkt wird. Durch Messen der
Spannung UM am Strommesswiderstand R1 kann der Strom ID errechnet werden.
Aus dem ermittelten Diodenstrom ID bzw. dem Diodenstromverlauf wird
ein zeitlicher Mittelwert gebildet.
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Zur
Berechnung der durch die Induktionsspule L1 abgegebenen Wirkleistung
wird zunächst der
Betrag des zeitlichen Mittelwerts des Schaltmittelstroms IS und
der Betrag des zeitlichen Mittelwerts des Diodenstroms ID gebildet.
Dies berücksichtigt, dass
die Polarität
der Spannung UM bei eingeschaltetem IGBT im vergleich zu gesperrtem
bzw. ausgeschaltetem IGBT invertiert ist. Zur Wirkleistungsberechnung
sind jedoch nur die Beträge
der Spannung bzw. des Stroms maßgeblich.
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Anschließend werden
die Beträge
der jeweiligen Mittelwerte zur Bildung eines Summenmittelwertstroms
addiert. Dieser Summenmittelwertstrom entspricht in etwa dem aus
dem Netz UN entnommenen Wirkstrom. Durch Multiplizieren des Summenmittelwertstroms
mit einem Effektivwert der Netzwechselspannung kann schließlich die
durch die Induktionsspule L1 abgegebene Wirkleistung berechnet werden.
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Die
genannten Berechnungsschritte werden im Mikrocontroller MC durchgeführt. Der
Mikrocontroller MC steuert nun innerhalb einer geschlossenen Regelschleife
den IGBT T1 derart an, dass ein durch eine nicht gezeigte Einstelleinrichtung
vorgebbarer Leistungssollwert eingeregelt wird, wobei die wie oben
beschrieben ermittelte Leistung als Istwert der Regelung dient.