EP0286044B1 - Schaltung zur Stromversorgung einer induktiven Kochstelle - Google Patents

Schaltung zur Stromversorgung einer induktiven Kochstelle Download PDF

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EP0286044B1
EP0286044B1 EP88105358A EP88105358A EP0286044B1 EP 0286044 B1 EP0286044 B1 EP 0286044B1 EP 88105358 A EP88105358 A EP 88105358A EP 88105358 A EP88105358 A EP 88105358A EP 0286044 B1 EP0286044 B1 EP 0286044B1
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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

Definitions

  • induction currents are generated with an induction coil located below the hotplate in the container made of ferromagnetic metal and containing the cooking material, which heats the container and thereby the cooking material contained therein.
  • the hot plates are supplied e.g. from a power source that supplies an alternating current with a peak / peak amplitude of approximately 18-45 A and a frequency between 25 and 40 kHz.
  • the power supplied to each plate is e.g. between 300 W and 3 kW.
  • the current source contains a so-called half-bridge with two power transistors connected in series, which are alternately controlled and blocked with alternating motions of the working frequency and supply the AC voltage for the heating coil at their connection point.
  • An operating voltage which is obtained by rectifying the AC line voltage, is applied to the transistors.
  • This operating voltage is not a pure DC voltage, but a pulsating DC voltage with a frequency of 100 Hz. This is due to the fact that the effort required for screening to a real DC voltage would be prohibitively high for the processed services.
  • the invention has for its object to reduce the disturbances mentioned when switching a power source between different hot plates. This object is achieved by the invention described in claim 1. Advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
  • the microprocessor is controlled by the current source with a voltage which contains information about the respective zero crossing of the mains voltage.
  • the microprocessor also contains the values for the pick-up time and the drop-out time of the relays that cause the changeover. By means of this information, the microprocessor controls the relays assigned to the two hotplates in such a way that in the region of the zero crossing of the mains voltage, one hotplate is first switched off and then the other hotplate is switched on.
  • the inevitable pick-up time and fall-off time of the relay is thus factored in by the microprocessor, such that despite these times and regardless of the respective operating frequency, the duration of the connection of the individual plates to the power source and the power supplied to one plate, the switching between the plates always in the area of the zero crossing of the mains voltage with a tolerance of approximately ⁇ 1-2 ms.
  • the current source in the vicinity of the zero crossing of the mains voltage is preferably switched off, so that the relay contacts are always switched in the de-energized state.
  • the network is practically not loaded during the high amplitudes, that is to say in the middle between two zeros, and therefore no significant disturbances occur due to the switchover to the network.
  • two hotplates P1, P2 are connected to the output of the current source G via two relays A and B.
  • This delivers an alternating current to the hot plates P1 and P2 with an amplitude peak / peak of 20 - 40 A, a frequency of 20 - 40 kHz and a power of 300 W - 3 kW.
  • the operating voltage Ua is applied to the current source G, which is a pulsating DC voltage of 100 Hz obtained from the mains voltage.
  • the microprocessor M controls the relays A and B and the current source G and is also supplied by the current source G with the voltage Uo, which contains information about the respective zero crossing of the voltage Ua.
  • the switchover between the hotplates P1 and P2 will be described with reference to FIG. 2.
  • the relay A is attracted by the voltage Ua and the hotplate P1 to the power source G connected.
  • the relay B is not attracted by the voltage UB, so that the hotplate P2 is not connected to the current source G.
  • the voltage UA is switched off at t1.
  • relay A does not drop out due to the fall time.
  • the voltage UB appears from the microprocessor M, but because of the pickup time of the relay B, there is initially no changeover.
  • the current source G is switched off by the processor M by the voltage Us. The current flowing into the plate P1 is therefore interrupted.
  • the hotplate P1 is switched off by opening the contacts of relay A.
  • t4 lies within the surrounding area T of the zero point at t5 in the voltage Ua.
  • relay B responds after the tightening time of t2 - t6 has elapsed. Its contact is closed and thus the plate P2 is switched on to the current source G.
  • the current source G is switched on again by the manipulated variable Us, so that the plate P2 is now fed. It is thus ensured that the switching of the current source G between the plates P1 and P2 always takes place in the surrounding area T of approximately ⁇ 1-2 ms of the zero point at t5 and also when the current source G is switched off.
  • FIG. 4 shows a solution for the switchover, in which lower values for Tu can be selected even with larger powers up to 3 kW than are given per se by the regulation according to FIG. 3.
  • the plate P1 is fed with the power NP1 of 3 kW.
  • the plate P2 is switched off from t13-t14. This temporary shutdown is used to control the average power consumed by plate P2.
  • the system switches back to plate P1. 3 therefore corresponds to t11 and t15.
  • the invention has been described for switching between two plates P1, P2. 1, 2 can also be used for a larger number of plates, for example if the current source G is switched in succession to four different plates.
  • Microprocessor M Type 6805 Motorola Relay A
  • B Type ON-SH 112 DM Original Electric Manufacturing Co, Ltd
  • Tightening time from t2 - t6 5 ms
  • Fall time from t1 - t4 10 - 15 ms

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Description

  • Bei Kochstellen mit sogenannter induktiver Heizung werden mit einer unterhalb der Kochplatte befindlichen Induktionsspule in dem das Kochgut enthaltenden, aus ferromagnetischen Metall bestehenden Behälter Induktionsströme erzeugt, die den Behälter und dadurch das darin befindliche Kochgut erwärmt. Diese Lösung hat den Vorteil, daß die bei bisherigen Herden vorhandenen, mit Heizspiralen geheizten Kochplatten entfallen und der Wirkungsgrad erhöht wird.
  • Die Speisung der Kochplatten erfolgt z.B. von einer Stromquelle, die einen Wechselstrom mit einer Amplitude Spitze/Spitze von etwa 18 - 45 A und einer Frequenz zwischen 25 und 40 kHz liefert. Die jeweils einer Platte zugeführte Leistung beträgt dabei z.B. zwischen 300 W und 3 kW.
  • Bei einer bekannten Stromversorgungsschaltung für eine induktive Kochstelle (DE-PS 34 00 671) enthält die Stromquelle eine sogenannte Halbbrücke mit zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren, die abwechselnd mot der Arbeitsfrequenz leitend gesteuert und gesperrt werden und an ihrem Verbindungspunkt die Wechselspannung für die Heizspule liefern. An die Transistoren ist dabei eine Betriebsspannung angelegt, die durch Gleichrichtung der Netzwechselspannung gewonnen ist. Diese Betriebsspannung ist keine reine Gleichspannung, sondern eine pulsierende Gleichspannung mit einer Frequenz von 100 Hz. Das ist dadurch bedingt, daß für die verarbeiteten Leistungen der Aufwand für eine Siebung zu einer echten Gleichspannung untragbar hoch wäre.
  • Es ist auch bekannt (US-A-4,115,677), eine Stromquelle zeitlich nacheinander an zwei oder mehr Kochplatten anzuschließen, um mit einer einzigen Stromquelle mehrere Kochplatten betreiben zu können. Es hat sich gezeigt, daß bei einer derartigen Umschaltung hörbare Störgeräusche auftreten. Diese sind besonders nachteilig, weil die Umschaltung zwischen den einzelnen Kochplatten relativ häufig, etwa in einem Abstand von 2 - 100 s erfolgt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Störungen bei der Umschaltung einer Stromquelle zwischen verschiedenen Kochplatten zu verringern. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Der Mikroprozessor wird von der Stromquelle mit einer Spannung gesteuert, die eine Information über den jeweiligen Nulldurchgang der Netzspannung beinhaltet. Außerdem enthält der Mikroprozessor die Werte über die Anzugszeit und die Abfallzeit der die Umschaltung bewirkenden Relais. Mittels dieser Informationen steuert der Mikroprozessor die zwei Kochplatten zugeordneten Relais derart, daß im Bereich des Nulldurchgangs der Netzspannung zunächst die eine Kochplatte abgeschaltet und danach die andere Kochplatte eingeschaltet wird. Die unvermeidbare Anzugszeit und Abfallzeit des Relais wird also durch den Mikroprozessor einkalkuliert, derart, daß trotz dieser Zeiten und unabhängig von der jeweiligen Arbeitsfrequenz, der Dauer der Anschaltung der einzelnen Platten an die Stromquelle und der jeweils einer Platte zugeführten Leistung die Umschaltung zwischen den Platten stets im Bereich des Nulldurchgangs der Netzspannung mit einer Toleranz von etwa ± 1-2 ms erfolgt.
  • Vorzugsweise ist zusätzlich die Stromquelle im Umgebungsbereich des Nulldurchgangs der Netzspannung abgeschaltet, damit die Relaiskontakte immer im stromlosen Zustand geschaltet werden.
  • Durch die Umschaltung der Kochplatten im Umgebungsbereich des Nulldurchgangs der Netzspannung werden die an sich auftretenden hörbaren Störungen vermieden. Ein Vorteil besteht darin, daß das Netz während der hohen Amplituden, also in der Mitte zwischen zwei Nullstellen, praktisch nicht belastet ist und somit keine nennenswerten Störungen durch die Umschaltung auf das Netz gelangen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen
    • Fig. 1
    ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Umschaltung,
    Fig. 2
    Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1,
    Fig. 3
    ein Diagramm zur Erläuterung einer für die Umschaltung bestehenden Vorschrift und
    Fig. 4
    eine Umschaltung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung.
  • In Fig. 1 sind zwei Kochplatten P1, P2 über zwei Relais A und B an den Ausgang der Stromquelle G angeschlossen. Diese liefert an die Kochplatten P1 und P2 einen Wechselstrom mit einer Amplitude Spitze/Spitze von 20 - 40 A, einer Frequenz von 20 - 40 kHz und einer Leistung von 300 W - 3 kW. An die Stromquelle G ist die Betriebsspannung Ua angelegt, die eine aus der Netzspannung gewonnene pulsierende Gleichspannung mit 100 Hz ist. Der Mikroprozessor M steuert die Relais A und B sowie die Stromquelle G und wird außerdem von der Stromquelle G mit der Spannung Uo versorgt, die eine Information über den jeweiligen Nulldurchgang der Spannung Ua beinhaltet.
  • Anhand der Fig. 2 wird die Umschaltung zwischen den Kochplatten P1 und P2 beschrieben. Bei to ist durch die Spannung Ua das Relais A angezogen und die Kochplatte P1 an die Stromquelle G angeschlossen. Das Relais B ist durch die Spannung UB nicht angezogen, so daß die Kochplatte P2 nicht an die Stromquelle G angeschlossen ist. Bei t1 wird die Spannung UA abgeschaltet. Das Relais A fällt jedoch aufgrund der Abfallzeit noch nicht ab. Bei t2 erscheint die Spannung UB vom Mikroprozessor M, wobei jedoch wegen der Anzugszeit des Relais B zunächst keine Umschaltung erfolgt. Bei t3 wird durch die Spannung Us die Stromquelle G vom Prozessor M abgeschaltet. Der in die Platte P1 hineinfließende Strom wird also unterbrochen. Bei t4 erfolgt nach Ablauf der Abfallzeit t1 - t4 des Relais A die Abschaltung der Kochplatte P1 durch Öffnen der Kontakte des Relais A. t4 liegt innerhalb des Umgebungsbereiches T der Nullstelle bei t5 in der Spannung Ua. Bei t6 spricht nach Ablauf der Anzugszeit von t2 - t6 das Relais B an. Dessen Kontakt wird geschlossen und somit die Platte P2 an die Stromquelle G angeschaltet. Bei t7 wird durch die Stellgröße Us die Stromquelle G wieder eingeschaltet, so daß jetzt die Platte P2 gespeist wird. Es wird also sichergestellt, daß die Umschaltung der Stromquelle G zwischen den Platten P1 und P2 immer im Umgebungsbereich T von etwa ± 1-2 ms der Nullstelle bei t5 und außerdem bei abgeschalteter Stromquelle G erfolgt.
  • Anhand der Fig. 3 wird eine Vorschrift erläutert. Un ist die Netzspannung. Bis t8 ist in der Kochstelle keine Platte an das Netz angeschlossen, die dem Netz entnommene Leistung N = 0. Von t8 - t9 ist eine Platte an das Netz angeschlossen, so daß die dem Netz entnommene Leistung N = NP ist. Von t9 -t10 ist wiederum die Kochplatte abgeschaltet und N = 0. Es besteht jetzt die Vorschrift, daß die Periode dieses Umschaltzyklus Tu von t8 - t10 einen bestimmten Mindestwert hat, der von der Leistung NP abhängig ist. Einige Werte sind in Fig. 3 dargestellt. Diese Vorschrift besteht, um Störungen anderer Verbraucher wie insbesondere von Leuchtkörpern in der Nähe der Kochstelle zu vermeiden.
  • Fig. 4 zeigt eine Lösung für die Umschaltung, bei der auch bei größeren Leistungen bis 3 kW geringere Werte für Tu gewählt werden können, als sie an sich durch die Vorschrift gemäß Fig. 3 gegeben sind. Ab t11 wird die Platte P1 mit der Leistung NP1 von 3 kw gespeist. Bei t12 wird die Platte P1 abgeschaltet und stattdessen die Platte P2 mit einer Leistungsaufnahme von NP2 = 1 kW angeschaltet. Von t13 - t14 ist die Platte P2 abgeschaltet. Diese vorübergehende Abschaltung dient zur Steuerung der von der Platte P2 aufgenommenen mittleren Leistung. Bei t15 wird wieder auf die Platte P1 umgeschaltet. t15 entspricht also t11 und Tu von Fig. 3 der Zeit von t11 - t15. Wenn bei t12 die Platte P1 ganz abgeschaltet würde, also auf N = 0, wäre gemäß der Vorschrift von Fig. 3 eine Periode Tu von 80 s erforderlich. Da gemäß Fig. 4 aber nur eine Umschaltung von NP1 auf NP2 erfolgt, die Differenz in der Leistung also nur 2 kW beträgt, gilt für den Mindestwert von Tu gemäß Fig. 3 der Wert von 20 s. Trotz der hohen Leistungsaufnahme der Platte P1 von NP1 = 3 kW kann also die relativ geringe Periode Tu von 20 s gewählt werden. Darüberhinaus kann für die Dauer der Speisung der Platte P2 von t12 - t15 der relativ geringe Wert von 2 s gewählt werden, weil dort die Differenz in der der Platte P2 zugeführten Leistung nur 1 kW beträgt. Durch die Umschaltung gemäß Fig. 4 kann also mit der Maximalleistung von 3 kW und der relativ geringen Periode Tu von 20 s gearbeitet werden. Eine geringere Periode der Anschaltung hat den Vorteil, daß bei gegebener Wärmeträgheit des Topfes ein geringerer Temperaturabfalls zwischen zwei Heizvorgängen und somit eine zeitlich gleichmäßigere Erwärmung erzielt werden kann.
  • Die Erfindung wurde für die Umschaltung zwischen zwei Platten P1, P2 beschrieben. Die Umschaltung gemäß Fig. 1, 2 ist auch für eine größere Zahl von Platten anwendbar, wenn z.B. die Stromquelle G zeitlich nacheinander auf vier verschiedene Platten geschaltet wird.
  • Bei einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel lagen folgende Werte vor:
    Mikroprozessor M: Typ 6805 Motorola
    Relais A, B: Typ ON-SH 112 DM Original Electric Manufacturing Co, Ltd
    Anzugszeit von t2 - t6: 5 ms
    Abfallzeit von t1 - t4: 10 - 15 ms

Claims (6)

  1. Schaltung zur Stromversorgung einer induktiven Kochstelle mit zwei nacheinander an eine von einer Netzspannung (Ua) gespeiste Stromquelle (G) anschließbaren Kochplatten (P1, P2) wobei die beiden Kochplatten (P1, P2) über je ein Relais (A, B) an die Stromquelle (G) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Relais (A, B) durch einen Mikroprozessor (M) jeweils entsprechend der Anstiegs- und Abfallzeit der Relais (A, B) vor dem Nulldurchgang (t5) der Netzspannung (Ua) so gesteuert sind, daß das Öffnen (t4) eines Relais (A) und das Schließen (t6) des anderen Relais (B) jeweils nacheinander im Umgebungsbereich (T) des Nulldurchgangs (t5) der Netzspannung (Ua) erfolgen.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgebungsgereich (T) etwa ± 1-2 ms zum Nulldurchgang (t5) beträgt.
  3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Platten (P1, P2) abwechselnd ohne zeitliche Unterbrechung der Einspeisung beim Übergang von einer Platte (P1) zur anderen Platte (P2) mit unterschiedlichen Leistungen (NP1, NP2) gespeist werden (Fig. 4).
  4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Speisung einer Platte (P2) in sich Unterbrechungen (t13 - t14) aufweist (Fig. 4).
  5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen den Platten (P1, P2) vom Mikroprozessor (M) in derart zeitlichen Abständen erfolgt, daß der zur Vermeidung von Störungen anderer elektrischer Verbraucher vorgeschriebene, von der Leistung (NP) abhängige Mindestwert der Periode (Tu) des Umschaltzyklus (t11 - t15) eingehalten wird.
  6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (G) während des Umgebungsbereiches (T) durch den Mikroprozessor (M) abgeschaltet ist.
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