EP0561206A2

EP0561206A2 - Induction cooking plate

Info

Publication number: EP0561206A2
Application number: EP93103272A
Authority: EP
Inventors: Günter Fettig; Jürgen HORN; Franz Bogdanski; Willi Essig
Original assignee: EGO Elektro Gerate Blanc und Fischer GmbH
Current assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date: 1992-03-14
Filing date: 1993-03-02
Publication date: 1993-09-22
Anticipated expiration: 2013-03-02
Also published as: US5488214A; EP0561206A3; ES2091505T3; DE59303529D1; DE4208252A1; EP0561206B1

Abstract

An inductive hot plate heater is controlled and regulated by a multi-cycle controller (burst-firing controller) which uses a symmetrical pattern of complete mains half-cycles. Switching always takes place at the zero crossing and is balanced such that no DC voltage element is produced in the mains. It furthermore contains an optical temperature monitor for the plate (12) covering the hot plate, having an infrared photo-sensor (36) which determines the temperature on the basis of its predetermined spectral range. <IMAGE>

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft eine induktive Kochstellenbeheizung für Kochgefäße o. dgl.The invention relates to an inductive hotplate heater for cooking vessels or the like.

Induktionsbeheizungen haben den Vorteil einer sehr trägheitsarmen Wärmeerzeugung unmittelbar im Kochgefäß, nämlich im Kochtopfboden. Das Kochgerät selbst bleibt weitgehend kalt. Ihr Nachteil ist der relativ hohe Bauaufwand und die schwierige Steuerbarkeit. Da zur notwendigen Hochfrequenzerzeugung und ihrer Steuerung elektronische Bauteile benötigt werden und andererseits durch die Verlustwärme in der Elektronik und der Induktionsspule sich die Induktionserzeugungsmittel doch stärker erwärmen, war es notwendig, die Umwandlungs- und Steuerelektronik getrennt von der Kochstelle anzuordnen. Dadurch wurde der Einbau in normale Kochherde oder Kochmulden behindert und Induktionskochstellen waren daher meist in Sondergeräten eingebaut.Induction heating has the advantage of very low-inertia heat generation directly in the cooking vessel, namely in the bottom of the saucepan. The cooking appliance itself remains largely cold. Their disadvantage is the relatively high construction costs and the difficult controllability. Since electronic components are required for the necessary high-frequency generation and its control and, on the other hand, due to the heat loss in the electronics and the induction coil, the induction generating means nevertheless heat up more, it was necessary to arrange the conversion and control electronics separately from the hotplate. This hampered installation in normal cookers or hobs and induction hobs were therefore mostly installed in special appliances.

task

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Kochstellenbeheizung eine verlustarme und daher mit geringer Eigenerwärmung arbeitende, leicht steuer- bzw. regelbare Kochstellenbeheizung zu schaffen.The object of the invention is to provide a low-loss and therefore with low self-heating, easily controllable or adjustable hotplate heating in a hotplate heating.

Solutions and explanations

Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst.This object is solved by claim 1.

Im Gegensatz zu der sonst üblichen Phasenanschnittsteuerung hat die Schwingungspaketsteuerung nach der Erfindung keinen Gleichspannungsanteil und ist daher praktisch ohne Netz-Rückwirkung. Auch entfällt die Bildung von Oberwellen weitgehend, so daß auch die Funkentstörung vereinfacht wird. Dazu trägt auch bei, daß der Hochfrequenzwechselrichter freischwingend ausgebildet ist, d. h. seine Frequenz strom- und dämpfungsabhängig ändert. Das ist insofern ungewöhnlich, als der Schwingkreis durch eine Steuerungs-Taktfrequenz einer phasengesteuerten Schleifenschaltung (PLL) gesteuert ist, die jedoch im Leistungsbetrieb die Frequenz des Schwingkreises übernimmt. Die elektronischen Schalter schalten dabei auch im Nulldurchgang.In contrast to the otherwise conventional phase gating control, the vibration packet control according to the invention has no direct voltage component and is therefore practically without mains feedback. The formation of harmonics is largely eliminated, so that radio interference suppression is also simplified. This also helps that the high-frequency inverter is designed to be free-swinging, d. H. its frequency changes depending on current and damping. This is unusual in that the resonant circuit is controlled by a control clock frequency of a phase-controlled loop circuit (PLL), which, however, takes over the frequency of the resonant circuit in power operation. The electronic switches also switch at zero crossing.

Durch das Steuerungsprinzip der vollen Halbwellensteuerung arbeitet der Umrichter immer im Punkt des maximalen Wirkungsgrades. Er hat daher insbesondere einen hohen Fortkoch(Teilleistungs)-Wirkungsgrad. Dadurch können auch die Leistungsbauelemente entsprechend kleiner ausfallen und aus handelsüblichen Elementen bestehen. Das Steuerungsprinzip ist bezüglich der Netzrückwirkung optimiert. Auch der Einfluß auf Herzschrittmacher ist minimiert.Due to the control principle of full half-wave control, the converter always works at the point of maximum efficiency. It therefore has a high level of continued cooking (partial power) efficiency. As a result, the power components can also be correspondingly smaller and consist of commercially available elements. The control principle is optimized with regard to network feedback. The impact on pacemakers is also minimized.

Durch die Auswahl der Halbwellensteuerung im Grundmuster (Teilintervallen), die wenige Netzperioden (z. B. sechs Halbwellen) umfassen und die Varition, Wiederholung oder Kombination dieser Teilintervalle innerhalb eines Gesamtzeitintervalls in der Größenordnung von einigen Sekunden (zwischen 1 und 10 s, vorzugsweise ca. 2 s) ergibt sich eine große Variationsbreite von Leistungseinstellmöglichkeiten. Dabei ist der Einstellbereich auch leicht nichtlinear über den Einstellweg (Knebelstellung) auszubilden, so daß er ergonomisch optimiert werden kann. Kleinere Leistungen können feiner justierbar sein.By selecting the half-wave control in the basic pattern (partial intervals), which comprise a few network periods (e.g. six half-waves) and the variation, repetition or combination of these partial intervals within a total time interval of the order of a few seconds (between 1 and 10 s, preferably approx 2 s) there is a wide range of power setting options. The setting range is also slightly non-linear over the setting path (toggle position) so that it can be ergonomically optimized. Smaller outputs can be more finely adjustable.

Durch den freischwingenden Umrichter ergeben sich geringe Schaltverluste. Es ist daher auch keine Überdimensionierung der elektronischen Leistungsschalter (IGBT's) notwendig. Es ergibt sich auch keine konstante Frequenz, vielmehr tritt durch Sättigungseffekte Frequenzmodulation auf.The free-swinging converter results in low switching losses. It is therefore not necessary to oversize the electronic circuit breakers (IGBTs). There is also no constant frequency, rather frequency modulation occurs due to saturation effects.

An sich ist in einer Induktionskochstelle eine Temperaturüberwachung nicht notwendig, weil die Wärme erst außerhalb der Kochstelle, nämlich im Kochgefäß, entsteht. Trotzdem kann von dort aus Wärme auf die Platte übertragen werden und somit die Glaskeramikplatte und unzulässig überhitzen. Ein Abfühlen dieser Platte ist über herkömmliche Mittel nur schwer durchzuführen. Daher wird gemäß der Erfindung eine neuartige optische Meßeinrichtung zur Temperaturmessung der Platte verwendet. Sie enthält einen Infrarot-Fühler, beispielsweise eine Silicium-Fotodiode, der eine Temperaturmessung unter Ausnutzung des Planck'schen Strahlungsgesetzes durchführt. Mit steigender Temperatur der Glaskeramikplatte erhöht sich auch das Maximum der Frequenz der abgestrahlten Photonen (Wien'sches Verschiebungsgesetz). Ab einer bestimmten Temperatur entspricht die Energie der abgestrahlten Photonen der spektralen Empfindlichkeit des Fühlers, so daß ein auswertbares Signal entsteht, das zur Abschaltung oder Leistungsreduzierung der Beheizung verwendet wird.As such, temperature monitoring is not necessary in an induction hob, because the heat is only generated outside the hob, namely in the cooking vessel. Nevertheless, heat can be transferred from there to the plate and thus overheating the glass ceramic plate and inadmissibly. It is difficult to sense this plate using conventional means. Therefore, according to the invention, a new type of optical measuring device is used to measure the temperature of the plate. It contains an infrared sensor, for example a silicon photodiode, which carries out a temperature measurement using Planck's law of radiation. With increasing temperature of the glass ceramic plate, the maximum of the frequency of the emitted photons also increases (Wien's law of displacement). Above a certain temperature, the energy corresponds to that emitted Photons of the spectral sensitivity of the sensor, so that an evaluable signal is generated, which is used to switch off or reduce the heating power.

Da sich solche Überhitzung der Glaskeramikplatte praktisch nur dann einstellen kann, wenn die Beheizung bestimmungswidrig gebraucht wird, beispielsweise durch Aufstellen eines leeren Topfes, sollte die Temperaturbegrenzung eine Sperrfunktion haben, d. h. nach Ansprechen der Temperaturbegrenzungsschaltung sollte die Kochstelle ausgeschaltet bleiben, bis sie manuell ausgeschaltet und dann wieder eingeschaltet wird. Dies ist durch die Steuerelektronik, beispielsweise einen Mikro-Computer, leicht vorzusehen.Since such overheating of the glass ceramic plate can practically only occur if the heating is used improperly, for example by setting up an empty pot, the temperature limitation should have a locking function, i. H. After the temperature limiting circuit has responded, the hotplate should remain switched off until it is switched off manually and then switched on again. This can easily be provided by the control electronics, for example a microcomputer.

Diese und weitere Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein 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.These and further features of the invention emerge from the claims and also from the description and the drawings, the individual features being implemented individually and in groups in the form of subcombinations in one embodiment of the invention and in other fields, and being advantageous and Protectable versions can be represented, for which protection is claimed here.

Brief description of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Draufsicht auf ein Bauelement zur induktiven Kochstellenbeheizung,
Fig. 2: einen schematischen Längsschnitt durch das Bauelement,
Fig. 3: einen Querschnitt,
Fig. 4: ein Blockschaltbild der Steuerung und Leistungsversorgung von zwei Induktionsspulen,
Fig. 5: ein teilweise detaillierteres Schaltbild für den Betrieb einer Induktionsspule,
Fig. 6 + 7: schematische Darstellungen einer Abschirmung,
Fig. 8a) - d): Darstellungen "Strom über Zeit" verschiedener Impulsgrundmuster,
Fig. 9: eine tabellarische Darstellung der Zusammensetzung einzelnen Leistungsstufen aus Grundimpulsmustern,
Fig. 10: ein erläuterndes Diagramm eines Strom/Zeitverlaufes,
Fig. 11a) + b): den Strom/Zeitverlauf und die zugehörigen Einschaltzeiten eines Topferkennungs-Prüfzyklus und
Fig. 12: einen Querschnitt durch eine Litze, aus der eine Induktionsspule aufgebaut ist.

Embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail below. Show it:

Fig. 1: 2 shows a plan view of a component for inductive heating of the cooking area,
Fig. 2: 2 shows a schematic longitudinal section through the component,
Fig. 3: a cross section,
Fig. 4: a block diagram of the control and power supply of two induction coils,
Fig. 5: a partially more detailed circuit diagram for the operation of an induction coil,
Fig. 6 + 7: schematic representations of a shield,
8a) - d): Representations of "current over time" of different basic pulse patterns,
Fig. 9: a tabular representation of the composition of individual power levels from basic pulse patterns,
Fig. 10: an explanatory diagram of a current / time curve,
11a) + b): the current / time curve and the associated switch-on times of a pot detection test cycle and
Fig. 12: a cross section through a strand from which an induction coil is constructed.

Component

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Bauelement 11 für zwei Induktions-Kochstellen 10. Es ist zur Anordnung unter einer Platte 12 vorgesehen, beispielsweise einer Glaskeramik-Platte. Das Bauelement bildet eine kompakte, relativ flache, handhabbare Baueinheit, die mit Ausnahme des Netzanschlusses und eines Einstell- und Regelorgans 27 mit Einstellknopf 26, das auch eine Leistungssteuereinrichtung beinhalten kann, die alle zum Betrieb notwendigen Elemente enthält. Das Bauelement kann beispielsweise durch nicht dargestellte Federelemente von unten an die Platte 12 angedrückt werden. Durch diese Anordnung und den Einschluß aller wesentlichen Bauteile läßt sich die Induktions-Beheizung auch anstelle und zusätzlich zu üblichen Strahlungs-Kochstellen in einem Glaskeramik-Kochfeld anordnen.1 to 3 show a component 11 for two induction hotplates 10. It is provided for arrangement under a plate 12, for example a glass ceramic plate. The component forms a compact, relatively flat, manageable unit which, with the exception of the mains connection and an adjusting and regulating member 27 with adjusting knob 26, which can also include a power control device which contains all the elements necessary for operation. The component can be pressed against the plate 12 from below, for example, by spring elements, not shown. Due to this arrangement and the inclusion of all essential components, the induction heating can also be arranged in a glass ceramic cooktop instead of and in addition to the usual radiation cooktops.

Das Bauelement enthält in einer Blechschale 23 einen Kühlkörper 15, vorzugsweise ein Aluminiumformteil mit oben weitgehend geschlossener Fläche und Kühlrippen 18 an der Unterseite, die zwischen sich Kühlkanäle 19 bilden. Sie verlaufen etwa längs einer die beiden Kochstellen 10 verbindenden Achse 9. An der Oberseite besitzt der Kühlkörper Ausnehmungen 29, in denen Induktionserzeugungsmittel 14 angeordnet sind, die jeweils einer Kochstelle 10 zugeordnet sind. An der Unterseite des Kühlkörpers ist eine Platine 16 vorgesehen, beispielsweise mit den äußeren Kühlrippen verschraubt, so daß die Kühlkanäle 19 und weitere, ebenfalls als Kühlkanäle dienende größere Räume 28 an der Unterseite des Kühlkörpers 15 einschließen. In diesen sind, vorzugsweise in wärmeleitender Verbindung mit dem Kühlkörper 15, elektronische Leistungssteuerelemente 21 angeordnet. Die Platine trägt ebenfalls elektronische Bauelemente, jedoch vorwiegend die zur Steuerung eingesetzten, mit relativ kleinen Strömen und daher geringerer Erwärmung arbeitenden Elemente. Das ganze ist passend in eine Blechschale eingesetzt. Die Platine könnte aber auch selbst die untere Abdeckung bilden. Im Bereich einer kurzen Randseite 24 des langgestreckt rechteckigen Bauelementes 11 sind Lüftungsöffnungen 25 vorgesehen, durch die ein in einer Ausnehmung des Kühlkörpers 15 angeordneter Ventilator 37 Luft ansaugt bzw. nach Durchströmen der Kühlkanäle 19, 28 ausbläst. Auch ein mittig auf dem Kühlkörper angeordneter Ventilator mit einem Luftaustritt nach zwei oder mehr Seiten ist möglich. Dadurch werden die Leistungssteuerelemente und die Steuerelektronik unmittelbar vom Kühlluftstrom gekühlt und die Leistungssteuerelemente geben zudem ihre Wärme durch Leitung an den luftgekühlten Kühlkörper ab.The component contains a heat sink 15 in a sheet metal shell 23, preferably an aluminum molded part with a largely closed surface at the top, and cooling fins 18 on the underside, which form cooling channels 19 between them. They run approximately along an axis 9 connecting the two hotplates 10. At the top, the heat sink has recesses 29 in which induction generating means 14 are arranged, each of which is assigned to a hotplate 10. A circuit board 16 is provided on the underside of the heat sink, for example screwed to the outer cooling fins, so that the cooling channels 19 and further larger spaces 28, which also serve as cooling channels, enclose on the underside of the heat sink 15. Electronic power control elements 21 are arranged therein, preferably in heat-conducting connection with the heat sink 15. The circuit board also carries electronic components, but mainly those used for control, with relatively small currents and therefore less heating elements. The whole thing is inserted in a sheet metal bowl. The board could also form the bottom cover itself. In the area of a short edge 24 of the elongated rectangular component 11, ventilation openings 25 are provided, through which a fan 37 arranged in a recess in the cooling body 15 sucks in air or blows it out after flowing through the cooling channels 19, 28. A fan arranged centrally on the heat sink and having an air outlet on two or more sides is also possible. As a result, the power control elements and the control electronics are cooled directly by the cooling air flow and the power control elements also give off their heat by conduction to the air-cooled heat sink.

Induction coil

Die Induktionserzeugungsmittel 14 bestehen aus einer Induktionsspule 30 in Form einer flachen, scheiben- bzw. ringförmigen Platte, darunter angeordneten Magnet-Rückschlußmitteln 31 und einer thermischen Isolierung 32 an der der Platte zugekehrten Seite, in deren Bereich eine Abschirmung 33 vorgesehen sein kann.The induction generating means 14 consist of an induction coil 30 in the form of a flat, disk-shaped or ring-shaped plate, magnetic return means 31 arranged underneath and thermal insulation 32 on the side facing the plate, in the area of which a shield 33 can be provided.

Die Induktionsspule 30 enthält als Wendel und/oder Spirale gewickelte Litzen 38, die aus Einzelleitern 39 (siehe Figur 12) aufgebaut sind. Die Litze 38 ist aus mehreren, vorzugsweise fünf bis neun, im vorliegenden Falle sieben Kardeelen 40 aufgebaut, die miteinander verseilt sind und ihrerseits eine Anzahl zwischen fünf und neun, vorliegend sieben miteinander verseilter Einzeldrähte enthalten. Die Einzelleiter sind auf übliche Weise, beispielsweise durch eine wärmebeständige Lackschicht, elektrisch gegeneinander isoliert.The induction coil 30 contains, as a helix and / or a spiral, stranded strands 38 which are constructed from individual conductors 39 (see FIG. 12). The strand 38 is made up of a plurality of, preferably five to nine, in the present case seven card cores 40 which are stranded together and in turn contain a number between five and nine, in the present case seven individual wires stranded together. The individual conductors are electrically insulated from one another in the usual way, for example by means of a heat-resistant lacquer layer.

Die aus Kupfer bestehenden Einzelleiter 39 haben einen Durchmesser d zwischen 0,1 und 0,4 mm, vorzugsweise 0,2 mm. Dieser Wert gilt für die hier bevorzugte Frequenz des der Induktionsspule zugeführten Stromes zwischen 20 und 30 kHz, vorzugsweise ca. 25 kHz. Im einzelnen läßt sich auch für andere Frequenzen ein Basiswert D des Durchmessers des Einzelleiters nach folgender Formel ermitteln:

$D = 1/√ \bar{π * κ * f * µ}$

wobei D in Metern ermittelt wird. Die elektrische Leitfähigkeit κ des Einzelleitermaterials ist in

A/V*m

, dessen Permeabilität µ in

V*s/A*m

einzusetzen ist und die Frequenz f in 1/s. Die bevorzugt verwendete Drahtstärke d liegt vorzugsweise zwischen einem Viertel und drei Viertel des nach dieser Formel berechneten Basiswertes D. Es hat sich erstaunlicherweise gezeigt, daß bei diesen geringen Durchmessern des Einzelleiters die Verlustleistung in der Induktionsspule 30 wesentlich gesenkt werden konnte.The individual conductors 39 made of copper have a diameter d between 0.1 and 0.4 mm, preferably 0.2 mm. This value applies to the preferred frequency of the current supplied to the induction coil between 20 and 30 kHz, preferably approximately 25 kHz. In particular, a base value D of the diameter of the individual conductor can also be determined for other frequencies using the following formula:

D = 1 / √ \bar{π * κ * f * µ}

where D is determined in meters. The electrical conductivity κ of the single conductor material is in

A / V * m

whose permeability µ in

V * s / A * m

is to be used and the frequency f in 1 / s. The preferred wire thickness d is preferably between a quarter and three quarters of the base value D calculated according to this formula. It has surprisingly been found that with these small diameters of the individual conductors, the power loss in the induction coil 30 could be significantly reduced.

Nach bisher vorliegenden Erkenntnissen, die auch durch theoretische Rechnungen als erwiesen galten, sollten die Spulenverluste zwar bei Verringerung des Durchmessers d bis zu einem Wert gleich dem Basiswert D nach der o. g. Formel abnehmen, danach aber kaum noch. Die theoretischen, bisher als gesichert geltenden Erkenntnisse gingen von dem Skin-Effekt eines Einzelleiters aus und ermittelten für den o. g. Durchmesser D eine optimale Größe, weil dann der gesamte Durchmesser trotz der Stromverdrängung zur Oberfläche hin gleichmäßig durchflossen sei. Der Basiswert D entspricht der Eindringtiefe des Stromes in eine Leiteroberfläche, wobei wegen der runden Drahtform sich ein Eindringen von allen Seiten gleichzeitig ergibt und somit eine gleichmäßige Strombelegung über den Querschnitt. Die von dieser Theorie ausgehende Überlegung wurde jedoch erstaunlicherweise durch Versuche widerlegt. Bevorzugt wäre sogar ein Durchmesser von weniger als 0,2 mm, d. h. geringer als der Hälfte des Basiswertes D, jedoch setzen die mechanischen Möglichkeiten der Verarbeitung einer Durchmesserverkleinerung irgendwann ein Ende.According to the knowledge available so far, which was also proven by theoretical calculations, the coil losses should decrease with a reduction in diameter d up to a value equal to the base value D according to the above formula, but hardly afterwards. The theoretical knowledge, which was previously considered to be reliable, was based on the skin effect of a single conductor and determined an optimal size for the above-mentioned diameter D because the entire diameter was then flowed through evenly despite the current being displaced to the surface. The base value D corresponds to the depth of penetration of the current into a conductor surface, with the round wire shape resulting in penetration from all sides at the same time and thus a uniform current occupancy over the cross section. The one based on this theory Surprisingly, however, this idea was refuted by experiments. Even a diameter of less than 0.2 mm, ie less than half of the base value D, would be preferred, but the mechanical possibilities of processing a diameter reduction put an end at some point.

Versuche haben gezeigt, daß die Verluste durch Wirbelströme und ohmsche Verluste in den Einzelleitern infolge der von der Spule selbst erzeugten Induktion bei aufgrund der bisherigen Theorie üblicherweise angewendeten Drahtstärken (gleich dem Basiswert D von 0,4 mm bei 25 kHz Frequenz) bei 70 - 100 W liegen, während sie bei einer Spule gleicher Leistung bei einem Drahtdurchmesser d von 0,2 mm halbiert sind und nur etwa 40 W betragen. Dadurch ist die Spulenerwärmung wesentlich geringer und neben nicht unerheblicher Engergieeinsparung können sonst auftretende Probleme mit der Spulenisolierung und der Wärmeabfuhr aus der Spule ausgeschaltet werden.Experiments have shown that the losses due to eddy currents and ohmic losses in the individual conductors due to the induction generated by the coil itself with wire thicknesses usually used based on the previous theory (equal to the base value D of 0.4 mm at 25 kHz frequency) at 70-100 W, while they are halved for a coil of the same power with a wire diameter d of 0.2 mm and are only about 40 W. As a result, the coil heating is significantly less and, in addition to considerable energy savings, problems that arise with the coil insulation and the heat dissipation from the coil can be eliminated.

Inference means

Unter der Spule liegt, ebenfalls als flache, ringförmige Schicht mit einer mittleren Öffnung 35, das magnetische Rückschlußmittel 31, das aus Ferritsegmenten aufgebaut ist. Es schließt das an der Unterseite der Induktionsspule entstehende magnetische Feld mit geringem magnetischen Widerstand, jedoch hohem elektrischen Widerstand, so daß auch dort die Wirbelstromverluste gering bleiben. Daher entsteht an der Unterseite der Induktionserzeugungsmittel 14 kein wesentliches Induktionsfeld. Die magnetischen Rückschlußmittel 31 bilden ferner eine Wärmeleitbrücke zwischen der Induktionsspule 30 und dem Kühlkörper, an dem sie anliegen, so daß die Spulen-Verlustwärme unmittelbar in den Kühlkörper abgeführt wird.Under the coil, also as a flat, annular layer with a central opening 35, is the magnetic yoke means 31, which is made up of ferrite segments. It closes the magnetic field that arises on the underside of the induction coil with a low magnetic resistance but a high electrical resistance, so that the eddy current losses remain low there as well. Therefore, no essential induction field arises on the underside of the induction generating means 14. The magnetic yoke means 31 also form a thermal bridge between the induction coil 30 and the heat sink, on which they rest, so that the coil loss heat is dissipated directly into the heat sink.

Thermal insulation

Die thermische Isolation 32 liegt in Form einer die Induktionsspule 30 abdeckenden Platte mit mittlerer Öffnung 35 zwischen dieser und der Glaskeramikplatte 12. Sie besteht aus einem sehr gut wärmedämmenden und möglichst auch elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem pyrogenen Kieselsäure-Aerogel, das zu einer Platte verpreßt ist.The thermal insulation 32 is in the form of a plate covering the induction coil 30 with a central opening 35 between it and the glass ceramic plate 12. It consists of a very good heat-insulating and, if possible, also electrically insulating material, for example a pyrogenic silica airgel, which presses into a plate is.

Es erscheint ungewöhnlich, das eigentliche Heizelement, nämlich die Induktionsspule, thermisch gegenüber dem wärmeaufnehmenden Kochgefäß abzuschirmen. Selbst wenn man berücksichtigt, daß die Energieübertragung durch Induktion und nicht durch Wärmeübertragung selbst geschieht, so sollte man meinen, daß zumindest für die Wärmeabfuhr der Verlustwärme in der Induktionsspule ein möglichst guter Wärmeschluß zum Verbraucher hin, dem Kochgefäß 13, vorteilhaft wäre. Es hat sich aber gezeigt, daß die Induktionsspule, insbesondere bei dem vorher erwähnten verlustarmen Spulenaufbau, so wenig Wärme erzeugt, daß durch eine Wärmebrücke zum Verbraucher diesem eher Wärme entzogen als ihm zugeführt würde. Durch die Wärmedämmung wird die Induktionsspule auf einem niedrigeren Temperaturniveau gehalten, was für die Spulenauslegung und - isolation Vorteile hat. Es ergibt sich ferner eine Wirkungsgradverbesserung dadurch, daß die Wärme des Kochgefäßes 13 nicht durch die Glaskeramikplatte nach unten abgeleitet wird. Die thermische Isolation 32 bildet vorteilhaft auch gleichzeitig eine elektrische Isolation gegen die Glaskeramikplatte 12, die bei erhöhter Temperatur elektrisch leitfähig wird.It seems unusual to thermally shield the actual heating element, namely the induction coil, from the heat-absorbing cooking vessel. Even if one takes into account that the energy transfer takes place by induction and not by heat transfer itself, one should think that at least for the heat dissipation of the lost heat in the induction coil, the best possible heat connection to the consumer, the cooking vessel 13, would be advantageous. However, it has been shown that the induction coil generates so little heat, in particular in the case of the low-loss coil structure mentioned above, that heat bridge to the consumer tends to extract heat rather than supply it to the consumer. Thermal insulation keeps the induction coil at a lower temperature level, which has advantages for coil design and isolation. There is also an improvement in efficiency in that the heat of the cooking vessel 13 is not dissipated downward through the glass ceramic plate. The thermal insulation 32 advantageously also forms an electrical insulation against the glass ceramic plate 12, which becomes electrically conductive at an elevated temperature.

Plate monitoring

Im Bereich der mittleren Öffnung 35, die durch Isolation 32, Induktionsspule 30 und Rückschlußmittel 31 hindurchgeht, ist ein optischer Fühler 36 angeordnet, der die von der Glaskeramikplatte herkommende Strahlung aufnimmt. Er überwacht somit mittelbar die der Glaskeramikplatte gefährlich werden könnende Temperatur des Kochgefäßes mittels berührungsloser Messung, die sonst im Magnetfeld einer Induktionskochstelle nur schwierig durchzuführen wäre. Es handelt sich also um eine Messung der Ursache für die Temperaturgefährdung der Glaskeramikplatte, da diese nur vom Kochgefäß erwärmt wird. Die Glaskeramik läßt die Strahlung weitgehend durch und ist daher selbst kaum berührungsfrei zu messen. Bei anderen Plattenmaterialien können diese auch selbst die Strahlungsquelle sein.In the area of the central opening 35, which passes through the insulation 32, induction coil 30 and yoke means 31, an optical sensor 36 is arranged which receives the radiation coming from the glass ceramic plate. It thus indirectly monitors the temperature of the cooking vessel that could become dangerous to the glass ceramic plate by means of non-contact measurement, which would otherwise be difficult to carry out in the magnetic field of an induction hob. It is therefore a measurement of the cause of the temperature hazard of the glass ceramic plate, since this is only heated by the cooking vessel. The glass ceramic allows the radiation to pass through to a large extent and can therefore hardly be measured without contact. With other plate materials, they can themselves be the radiation source.

Der optische Fühler ist ein Infrarot-Detektor, dessen spektrale Empfindlichkeit im Infrarot-Bereich liegt. Bei steigender Temperatur des Kochgefäßes erhöht sich auch das Maximum der Frequenz der abgestrahlten Photonen nach dem Wien'schen Verschiebungsgesetz. Ab einer vorgegebenen Temperatur entspricht die Energie der abgestrahlten Photonen der spektralen Empfindlichkeit des IR-Detektors, so daß ein auswertbares Signal entsteht, das dann zur Abschaltung oder Verringerung der Leistung der Induktionsbeheizung verwendet wird. Dazu wirken die optischen Fühler 36 jeder Induktions-Kochstelle über Komparatoren 41 auf einen Mikro-Computer 42 ein (Fig. 4), von denen je einer zur Steuerung und Regelung einer Induktions-Kochstelle vorgesehen ist. Er ist jeweils über das Einstellorgan mit dem Einstellknopf 26 auf eine bestimmte Temperatur oder Leistungsstufe einstellbar. Die optischen Fühler 36 können Silicium-Dioden sein.The optical sensor is an infrared detector, whose spectral sensitivity is in the infrared range. As the temperature of the cooking vessel rises, the maximum of the frequency of the emitted photons increases according to Wien's law of displacement. From a predetermined temperature, the energy of the emitted photons corresponds to the spectral sensitivity of the IR detector, so that an evaluable signal is produced which is then used to switch off or reduce the power of the induction heating. For this purpose, the optical sensors 36 of each induction hob act on a microcomputer 42 via comparators 41 (FIG. 4), one of which is provided for the control and regulation of an induction hob. It can be adjusted to a specific temperature or power level in each case by means of the setting element with the setting button 26. The optical sensors 36 can be silicon diodes.

Alternativ könnten auch Meßwiderstände an die Platte angelegt werden, z. B. zwischen Isolation und Platte im Spulenbereich, wenn die Meßwiderstände vom Magnetfeld nicht oder nur wenig beeinflußt werden und eine Beeinflussung schaltungstechnisch oder im Meßprogramm kompensiert wird.Alternatively, measuring resistors could also be applied to the plate, e.g. B. between insulation and plate in the coil area if the measuring resistances are not or only slightly influenced by the magnetic field and an influence is compensated for by circuitry or in the measuring program.

shielding

Die Abschirmung 33 ist zwischen Induktionsspule 30 und Glaskeramikplatte 12 vorgesehen. Sie kann an der Unter- oder Oberseite der thermischen Isolierung 32 liegen oder vorteilhaft in sie eingebettet sein. Die Abschirmung besteht aus einem beispielsweise in den Figuren 4 und 6 dargestellten Draht- oder Bandgebilde, das wirbelstromarm ausgebildet ist. Das bedeutet einerseits, daß die Dicke der einzelnen Strukturelemente 45 (Drähte, Streifen o. dgl.) geringer ist als die Strom-Eindringtiefe bei der verwendeten Frequenz und andererseits die Strukturen keinesfalls elektrisch geschlossen sind. Es ist daher in Fig. 6 ein offener Ringleiter 46 mit nach innen ragenden Ästen 45 vorgesehen, die unterschiedlich lang sind, so daß die gesamte Fläche gleichmäßig belegt wird. Der Ring 46 ist mit einer Erdung 34 verbunden, beispielsweise durch Anschluß an die geerdete Blechschale 23 des Bauelementes 11 (Fig. 1).The shield 33 is provided between the induction coil 30 and the glass ceramic plate 12. It can lie on the bottom or top of the thermal insulation 32 or advantageously be embedded in it. The shielding consists of a wire or ribbon structure, for example shown in FIGS. 4 and 6, which is of low eddy current design. On the one hand, this means that the thickness of the individual structural elements 45 (wires, strips or the like) is less than the current penetration depth at the frequency used and, on the other hand, the structures are in no way electrically closed. 6 there is therefore an open ring conductor 46 with inwardly projecting branches 45 which are of different lengths, so that the entire area is evenly occupied. The ring 46 is connected to an earth 34, for example by connection to the earthed sheet metal shell 23 of the component 11 (FIG. 1).

Fig. 7 zeigt eine Struktur, bei der von einem Mittelpunkt, an dem die Erdung angreift, Äste mit Leiterstrukturen 45 nach außen reichen, die ebenfalls so verästelt sind, daß sie das Kochfeld möglichst gleichmäßig abschirmen.FIG. 7 shows a structure in which branches with conductor structures 45 extend outwards from a center point at which the grounding acts, which are also branched in such a way that they shield the hob as evenly as possible.

Durch diese Abschirmung wird, ohne daß wesentliche Verluste entstehen, das um die Induktionsspule herum ausgebildete elektrische Feld nach oben hin abgeschirmt und damit die elektrische Störstrahlung. Ferner können die Ableitströme vom Kochgefäß reduziert werden. Die Abschirmung könnte auch durch eine geerdete Schicht aus einem Widerstandsmaterial gebildet sein. Wesentlich ist, daß das Material unmagnetisch ist und zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten einen gegenüber metallischen Leitern relativ hohen elektrischen Widerstand hat.By this shielding, without causing significant losses, the electrical field formed around the induction coil is shielded from above and thus the electrical interference. The leakage currents from the cooking vessel can also be reduced. The shield could also be formed by a grounded layer of a resistance material. It is essential that the material is non-magnetic and, in order to avoid eddy current losses, has a relatively high electrical resistance compared to metallic conductors.

Basic circuit

In Fig. 4 ist im Blockschaltbild und in Fig. 5 etwas detaillierter die Energieversorgung, Regelung und Steuerung der Induktionsspulen 30 dargestellt. Fig. 4 zeigt, daß der von dem Netzanschluß 22 kommende Wechselstrom über eine Funkentstörung 50 und Gleichrichtung 51 einem gemeinsamen Zwischenkreis 52 zugeführt wird, von dem aus beide Umrichter 53, die man auch als Hochfrequenz-Generatoren bezeichnen könnte, für jede Induktionsspule 30 versorgt werden. Zwischenkreis und Umrichter werden von einer Steuerung 54 gesteuert, die ihrerseits von den Mikro-Computern (MC) 42 Signale erhält.The power supply, regulation and control of the induction coils 30 are shown in somewhat more detail in the block diagram in FIG. 4 and in FIG. 5. Fig. 4 shows that the alternating current coming from the mains connection 22 via a radio interference suppression 50 and rectifier 51 is fed to a common intermediate circuit 52, from which both converters 53, which could also be referred to as high-frequency generators, are supplied for each induction coil 30 . The intermediate circuit and converter are controlled by a controller 54, which in turn receives signals from the microcomputers (MC) 42.

In Fig. 5 ist die Schaltung einer Induktionsspule 30 detaillierter dargestellt, wobei Steuerung, Umrichter 53 und Induktionsspule 30 einer zweiten Kochstelle, die auch an den Zwischenkreis 52 angeschlossen ist, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Wegen der Einzelheiten der Schaltung wird ausdrücklich auf Fig. 5 hingewiesen.5 shows the circuit of an induction coil 30 in greater detail, the control, converter 53 and induction coil 30 of a second hotplate, which is also connected to the intermediate circuit 52, not shown for the sake of clarity. For the details of the circuit, reference is expressly made to FIG. 5.

Jede Induktionsspule 30 liegt in einem Schwingkreis mit einer Halbbrücken-Schaltung, d. h. es sind zwei Zweige 55, 56 vorgesehen, in denen jeweils ein Kondensator 57, 58 und ein elektronischer Schalter 60, 61 liegt. Dabei kann es sich um IGBT-Bauelemente handeln, d. h. elektronische Halbleiter-Bauelemente, die mehrere Transistorfunktionen beinhalten und, von der Steuerung 62 angesteuert, außerordentlich schnell schalten können. Parallel zu diesen Leistungsschaltern 60, 61 ist je eine Freilaufdiode 63, 64 und ein Widerstand 65, 66 geschaltet. Diese Elemente bilden den als Schwingkreis ausgebildeten Umrichter 53, dem der Zwischenkreis 52 und die Gleichrichtung 51 vorgeschaltet ist. Eine Gleichrichterbrücke erzeugt eine pulsierende Gleichspannung, bei der also durch Gleichrichtung des Netz-Wechselstroms Sinus-Halbwellen der jeweils gleichen Polarität aneinandergereiht sind. Die Ausgänge der Gleichrichterbrücke 51 sind an die beiden Zweige 55, 56 gelegt. Im Zwischenkreis ist ein gemeinsamer Kondensator 67 zwischen den beiden Zweigen und ein von einem elektronischen Schalter 69 geschalteter Widerstand 68 vorhanden. Bei dem Schalter 69 kann es sich um einen MOS-FET handeln, der im Zusammenwirken mit dem Widerstand vermeidet, daß beim Einschalten des Umrichters Knackgeräusche auftreten. Er entlädt den Zwischenkreis.Each induction coil 30 is in an oscillating circuit with a half-bridge circuit, ie two branches 55, 56 are provided, in each of which a capacitor 57, 58 and an electronic switch 60, 61 are located. These can be IGBT components, ie electronic semiconductor components, which contain several transistor functions and, controlled by the controller 62, can switch extremely quickly. A free-wheeling diode 63, 64 and a resistor 65, 66 are connected in parallel with each of these circuit breakers 60, 61. These elements form the converter 53 designed as an oscillating circuit, to which the intermediate circuit 52 and the rectifier 51 are connected upstream. A rectifier bridge generates a pulsating DC voltage, in which sine half-waves of the same polarity are strung together by rectifying the mains alternating current. The outputs of the rectifier bridge 51 are connected to the two branches 55, 56. In the intermediate circuit there is a common capacitor 67 between the two branches and a resistor 68 switched by an electronic switch 69. The switch 69 can be a MOS-FET which, in cooperation with the resistor, prevents cracking noises when the converter is switched on. It discharges the DC link.

Im Ansteuerungsweg zu den Schaltern 60, 61 ist je eine Ansteuereinheit 80 vorgesehen, die eine galvanische Trennung zwischen dem Niederspannungsteil 54 und der Leistungsseite enthält, beispielsweise durch Optokoppler. Ferner werden darüber die Schalter mit der Ssteuerenergie versorgt. Diese wird über Versorgungseinheiten 81 zugeführt, die in den Zweigen der Widerstände 65, 66 liegen und die je eine Zener-Diode 82 und eine Diode 83 sowie einen Kondensator 84 enthält. Die Zener-Dionde begrenzt die Spannung auf die für die Schalter 60, 61 erforderliche Steuerspannung und Diode und Kondensator wirken als Gleichrichtung. Es wird dadurch ein einfaches "Netzgerät" für die Schalter-Ansteuer-Energie geschaffen, das seine Energie aus dem Widerstandszweig bezieht, d. h. aus einer ohnehin zur Verfügung stehenden Energiequelle. Die Widerstände werden dadurch geringere Verlustenergie erzeugen und trotzdem werden die übrigen Verhältnisse nicht beeinträchtigt, z. B. der Stromwert am Punkt 70.In the control path to the switches 60, 61, a control unit 80 is provided, which contains a galvanic isolation between the low voltage part 54 and the power side, for example by optocouplers. Furthermore, the switches are supplied with the control energy. This is supplied via supply units 81 which are located in the branches of the resistors 65, 66 and which each contain a Zener diode 82 and a diode 83 and a capacitor 84. The Zener dione limits the voltage to the control voltage required for the switches 60, 61 and the diode and capacitor act as rectification. This creates a simple “power supply unit” for the switch drive energy, which draws its energy from the resistance branch, ie from an energy source that is available in any case. As a result, the resistances have lower energy losses generate and still the other conditions are not affected, z. B. the current value at point 70.

Der dargestellte Schwingkreis im symmetrischen Schaltungsaufbau könnte auch durch einen mit unsymmetrischem Aufbau ersetzt werden, bei dem statt der beiden Schwingkreiskondensatoren 57, 58 nur einer vorgesehen ist. Der Schwingkreis nimmt dann nur halbseitig Energie aus dem Netz auf. Insbesondere in Fällen, in denen es nicht auf die Einhaltung bestimmter Funkentstörwerte ankommt, könnte dieser schaltungstechnisch einfachere Aufbau vorteilhaft sein.The resonant circuit shown in the symmetrical circuit structure could also be replaced by an asymmetrical structure in which only one is provided instead of the two resonant circuit capacitors 57, 58. The resonant circuit then only absorbs energy from the network on one side. In particular, in cases where it is not important to adhere to certain radio interference suppression values, this simpler circuit design could be advantageous.

An einem Abgreifpunkt 70 zwischen der Induktionsspule 30 und den Kondensatoren 57, 58 des Schwingkreises ist eine Schaltsteuerung 71 für den Umrichter 53 angeschlossen, die ein Abtaste-Halteglied 72, einen Grenzwertspeicher 73, einen Komparator 74 und einen Ja/Nein-Speicher 75 enthält.At a tapping point 70 between the induction coil 30 and the capacitors 57, 58 of the resonant circuit, a switching control 71 for the converter 53 is connected, which contains a sample and hold element 72, a limit value memory 73, a comparator 74 and a yes / no memory 75.

Diese Schaltsteuerung ist dazu vorgesehen, die Induktionsbeheizung sofort abzuschalten, wenn keine Leistungsabnahme erfolgt, beispielsweise wenn das Kochgefäß 13 von der Kochstelle entfernt ist und sie erst wieder einzuschalten, wenn ein Kochgefäß vorhanden ist. Dazu wird in relativ kurzen Zeitabständen eine Überprüfung vorgenommen, ob ein Abnehmer vorhanden ist. Dies geschieht durch eine Messung der Dämpfung der Induktionsspule 30.This switching control is intended to switch off the induction heating immediately when there is no decrease in power, for example when the cooking vessel 13 is removed from the hotplate, and to switch it on again only when a cooking vessel is present. For this purpose, a check is carried out at relatively short intervals as to whether a customer is present. This is done by measuring the damping of the induction coil 30.

Power control

Die Einschaltung des Schwingkreises erfolgt grundsätzlich im Nulldurchgang der Netzspannung, und zwar nach einem bestimmten Schema, das vom Mikro-Computer 42 vorgegeben wird und im folgenden noch erläutert wird. Der Schwingkreis wird über die elektronischen Leistungsschalter 60, 61 gesteuert, und zwar von der Steuerung 62 aus. Vor jeder Halbwelle der erzeugten Hochfrequenz-Spannung, die in der Größenordnung von 25 kHz liegt, erfolgt im Nulldurchgang eine Umschaltung zwischen den Leistungsschaltern 60, 61. Es entsteht damit ein vollkommen freischwingender Umrichter bzw. Wechselrichter 53, der geringe Schaltverluste hat. Zur Leistungseinstellung bzw. -regelung wird, wie noch erläutert wird, keine Phasenanschnitt-Steuerung verwendet, die in einer erzwungenen Schwingung resultieren würde. Die Frequenz ist nicht konstant und kann sich entsprechend der Sättigungseffekte durch Frequenzmodulation einstellen. Dadurch ist keine Überdimensionierung der elektrischen Leistungsschalter 60, 61 notwendig und es folgt auch eine geringe Oberwellenerzeugung.The resonant circuit is always switched on at the zero crossing of the mains voltage, in accordance with a certain scheme that is specified by the microcomputer 42 and will be explained in the following. The resonant circuit is over the electronic circuit breaker 60, 61 controlled, namely from the controller 62. Before each half-wave of the generated high-frequency voltage, which is of the order of 25 kHz, there is a switchover between the circuit breakers 60, 61 at the zero crossing. This creates a completely free-running converter or inverter 53 which has low switching losses. As will be explained below, no phase gating control, which would result in a forced oscillation, is used for power setting or control. The frequency is not constant and can be adjusted by frequency modulation according to the saturation effects. As a result, no oversizing of the electrical circuit breakers 60, 61 is necessary and there is also a small harmonic generation.

Die Leistungseinstellung erfolgt durch eine Schwingungspaketsteuerung. Der Umrichter ist dabei im normalen Betrieb immer für eine volle Netzhalbwelle eingeschaltet. Grundlage der Leistungseinstellung ist, daß unterschiedliche Leistungsstufen durch Einschaltmuster bestimmt sind, die aus einer Aneinanderreihung bzw. Kombination gleicher oder auch unterschiedlicher, in sich symmetrischer Grundmuster von Wellenpaketen bestehen. Durch die vollständige Symmetrie wird eine Netzrückwirkung minimiert.The power setting is done by a vibration package control. The converter is always switched on for a full line half-wave in normal operation. The basis of the power setting is that different power levels are determined by switch-on patterns, which consist of a sequence or combination of the same or different, in themselves symmetrical basic patterns of wave packets. The complete symmetry minimizes network interference.

Die Figuren 8 und 9 zeigen ein Beispiel eines Musterbelegungsplans für eine solche Schwingungspaketsteuerung:
Ein Gesamt-Zeitintervall Z von 2,1 Sekunden Dauer ist in 35 Teilintervalle T von je 60 Millisekunden, d. h. sechs Netz-Halbwellen bei einer Frequenz von 50 Hz unterteilt. Es gibt insgesamt vier Grundmuster von Teilintervallen T, die in Fig. 8 a) bis d) als Diagramme "Spannung über Zeit" dargestellt sind:
Fig. 8 a) zeigt ein Teilintervall T mit der Bezeichnung "*", in dem alle sechs Netzhalbwellen vorhanden sind. Es ist also ein "Volleistungs"-Intervall.FIGS. 8 and 9 show an example of a sample occupancy plan for such a vibration package control:
A total time interval Z of 2.1 seconds is divided into 35 subintervals T of 60 milliseconds each, ie six network half-waves at a frequency of 50 Hz. There are a total of four basic patterns of subintervals T, which are shown in FIGS. 8 a) to d) as “voltage versus time” diagrams:
Fig. 8 a) shows a subinterval T with the designation "*", in which all six network half-waves are present. So it's a "full power" interval.

Fig. 8b) zeigt ein Teilintervall T mit der Bezeichnung "X", bei dem insgesamt vier Netzhalbwellen so verteilt sind, daß sich insgesamt eine symmetrische Verteilung ergibt. Gegenüber dem "Volleistungs"-Muster nach Fig. 8 a) fehlt die dritte und sechste Netzhalbwelle (je eine positive und eine negative), so daß dieses Teilintervall "X" mit zwei Drittel Leistung belegt ist.8b) shows a partial interval T with the designation "X", in which a total of four network half-waves are distributed in such a way that a symmetrical distribution results overall. Compared to the "full power" pattern according to FIG. 8 a), the third and sixth mains half-wave (one positive and one negative) are missing, so that this partial interval "X" is occupied by two thirds of power.

Fig. 8 c) enthält insgesamt nur zwei Netzhalbwellen, und zwar die erste als positive und die vierte als negative. Auch hier ergibt sich eine symmetrische Aufteilung. Dieses Teilintervall T mit der Bezeichnung "Y" hat also einen Leistungsanteil von einem Drittel.Fig. 8 c) contains only two network half-waves, the first as positive and the fourth as negative. Here, too, there is a symmetrical division. This subinterval T with the designation "Y" therefore has a power share of one third.

Fig. 8 d) zeigt die Nulleistung, d. h. während dieses Teilleistungsintervalles "0" wird keine Leistung freigegeben.Fig. 8 d) shows the zero power, d. H. no power is released during this partial power interval "0".

Fig. 9 zeigt nun die Belegungspläne unter Verwendung der insgesamt 35 Teilintervalle T, die zusammen das Zeitintervall Z von 2,1 Sekunden Dauer bilden. Es sind dort lediglich beispielsweise verschiedene Leistungsstufen, beispielsweise entsprechend der Knebelstellung des Einstellknopfes 44, dargestellt, denen die unterschiedlichsten Kombinationen der Grundmuster entsprechend Fig. 8, jeweils hintereinandergereiht, zugeordnet sind. Aus den dahinter angegebenen Prozentsätzen der Leistungsfreigabe ist zu erkennen, daß auf diese Weise die Leistungskennlinie bei einer leistungsgesteuerten Induktionskochstelle beliebig den Praxisforderungen angepaßt werden kann. So ist beispielsweise die Leistung in den unteren Einstellstufen viel feiner regulierbar als in den oberen, was den Anforderungen der Praxis entspricht. Da jedes Grundmuster "Y" nach Fig. 8 c) nur weniger als einem Prozent Leistung innerhalb des Zeitraumes Z entspricht, kann die Leistung also prozentweise angepaßt werden. Es können dabei auch durchaus völlig unregelmäßige oder auch unstetige Verläufe erzielt werden, wenn sich dies als zweckmäßig herausstellt. Trotzdem ist jeweils eine Schaltung im Nulldurchgang der Spannung sichergestellt.FIG. 9 now shows the occupancy plans using the total of 35 subintervals T, which together form the time interval Z of 2.1 seconds duration. Only various power levels are shown there, for example, corresponding to the toggle position of the adjusting knob 44, to which the most varied combinations of the basic patterns according to FIG. 8, each in a row, are assigned. It can be seen from the percentages of power release given below that the power characteristic curve in a power-controlled induction hob can be adapted to practical requirements in this way. For example, the performance is in the lower Adjustment levels can be regulated much more precisely than in the upper ones, which corresponds to practical requirements. Since each basic pattern "Y" according to FIG. 8 c) corresponds to less than one percent of power within the time period Z, the power can therefore be adjusted as a percentage. Completely irregular or discontinuous courses can also be achieved if this turns out to be expedient. Nevertheless, a switching in the zero crossing of the voltage is ensured.

Fig. 8 zeigt positive und negative Netzhalbwellen, wie sie vor der Gleichrichtung vorliegen, um die Rückwirkungsfreiheit auf das Stromnetz zu demonstrieren. Im Schwingkreis liegen Netzhalbwellen in Form von gleichgerichtetem Wechselstrom vor.8 shows positive and negative network half-waves as they exist before rectification in order to demonstrate the absence of interference on the power network. Mains half-waves are present in the resonant circuit in the form of rectified alternating current.

In dem Zeitintervall Z, das beim erläuterten Beispiel 2,1 Sekunden beträgt, jedoch beliebig lang sein kann und in beliebig bemessene Teilintervalle T unterteilt sein kann, werden also die Grundmuster durch den Mikro-Computer gesteuert beliebig gemischt und erzeugen so eine netzseitig gleichstromfreie Steuerung bzw. Regelung in relativ kurzen, jedoch jeweils eine ganze Netzhalbwelle enthaltenen Impulsen. Die Einstellung kann über die Einstellelemente 43, wie in Fig. 9 dargestellt, rein leistungsabhängig sein, es können jedoch auch Regeleinflüsse von Temperaturfühlern o. dgl. mit auf den Mikro-Computer einwirken, so daß ein Regelkreis entsteht.In the time interval Z, which in the example explained is 2.1 seconds, but can be as long as desired and can be divided into subintervals T of any size, the basic patterns are mixed as desired under the control of the microcomputer and thus produce a control or control that is DC-free on the network side Control in relatively short pulses, but each containing an entire network half-wave. The setting can be purely performance-dependent via the setting elements 43, as shown in FIG. 9, but control influences from temperature sensors or the like can also act on the microcomputer, so that a control circuit is created.

Der Start des Schwingkreises zur Erzeugung der die Induktionsspule 30 speisenden Hochfrequenz beginnt also grundsätzlich im Nulldurchgang der Netzspannung und Amplitude wie Frequenz im Schwingkreis ändern sich mit dem Ansteigen und Abfallen von Strom und Spannung über die einzelnen Netzhalbwellen. Die Frequenz ist also am Beginn jeder Halbwelle größer und nimmt im Bereich von deren Maximum ab, weil der Umrichter frei schwingt. Ferner ändert sich die Frequenz nicht nur mit dem Strom, sondern auch mit dem Topfmaterial, weil beispielsweise durch magnetische Sättigung im Topfboden die Induktivität nicht konstant ist. Wenn die Induktivität der Gesamtanordnung kleiner wird, ergibt sich eine höhere Frequenz. Diese Anordnung hat auch Vorteile bezüglich der Funkentstörbarkeit, weil breitbandige Störer leichter zu entstören sind. Außerdem werden weniger Oberwellen erzeugt, weil Phasenanschnitt nicht nötig ist.The start of the resonant circuit for generating the high frequency feeding the induction coil 30 thus basically begins at the zero crossing of the mains voltage and the amplitude and frequency in the resonant circuit change with the rise and fall of current and voltage over the individual mains half-waves. The frequency is therefore higher at the beginning of each half-wave and decreases in the area of its maximum because the converter oscillates freely. Furthermore, the frequency changes not only with the current, but also with the pot material because, for example, the inductance is not constant due to magnetic saturation in the bottom of the pot. If the inductance of the overall arrangement becomes smaller, a higher frequency results. This arrangement also has advantages in terms of radio interference suppression because broadband interferers are easier to suppress. In addition, fewer harmonics are generated because phase control is not necessary.

Pot detection

Die anhand von Fig. 5 dargestellte Topferkennung, die auch einen Schutz der Umgebung gegen zu starke Induktionsfelder und einen Selbstschutz des Umrichters bewirkt, arbeitet wie folgt:
Wenn bei eingeschalteter Kochstelle das Kochgefäß von dieser entfernt wird, so steigt der Strom im Schwingkreis stark an, weil die Dämpfung abnimmt. Der Strom im Umrichter wird im Punkt 70 abgegriffen und von dem Abtast-Halteglied 72 detektiert. Überschreitet er einen in dem Grenzwertspeicher 73 gespeicherten Grenzwert, so wird der Umrichter über die Steuerung 62 ausgeschaltet, indem die Leistungsschalter 60, 61 geschlossen bzw. nicht mehr geöffnet werden. Dies kann auch innerhalb einer Netzhalbwelle geschehen. Die im Schwingkreis dann vorhandene Energie wird über die Freilaufdioden 63, 64 in den Zwischenkreis 52 zurückgeleitet. Die Abschaltung arbeitet also in Abhängigkeit vom Strom im Schwingkreis außerordentlich schnell und verlustfrei.The pot detection shown in FIG. 5, which also protects the surroundings against excessive induction fields and self-protection of the converter, works as follows:
If the cooking vessel is removed from it while the hotplate is switched on, the current in the resonant circuit rises sharply because the damping decreases. The current in the converter is tapped at point 70 and detected by the sample and hold element 72. If it exceeds a limit value stored in the limit value memory 73, the converter is switched off via the controller 62 in that the circuit breakers 60, 61 are closed or are no longer opened. This can also happen within a network half-wave. The energy then present in the resonant circuit is fed back into the intermediate circuit 52 via the freewheeling diodes 63, 64. Depending on the current in the resonant circuit, the shutdown works extremely quickly and without loss.

Trotz eingeschalteter Kochstelle wird dann keine Leistung freigesetzt, bis wieder ein geeignetes Kochgefäß aufgesetzt wird. Diese Einschaltüberprüfung findet am Beginn jedes Zeitintervalls Z (im Beispiel 2,1 Sekunden) statt. Der Prüfvorgang läuft wie folgt ab:Even though the hotplate is switched on, no power is released until a suitable cooking vessel is put back on. This switch-on check takes place at the beginning of each time interval Z (2.1 seconds in the example). The test procedure is as follows:

In der Steuerung 62 gibt eine phasengesteuerte Schleifenschaltung (PLL "Phase Locked Loop") die Steuerungstaktfrequenz für die Leistungsschalter 60, 61 vor. Während des Betriebs des Schwingkreises stellt sie sich auf die Frequenz des Hauptschwingkreises ein und schaltet die Leistungsschalter 60, 61 abwechselnd um. Im Leerlauf, d. h. während der Prüfphase gibt die Schleifenschaltung auf Anstoß durch den Mikro-Computer durch Schließen eines der beiden Leistungsschalter 60 oder 61 eine Halbschwingung frei. Vorher war über die Widerstände 65, 66 der Abgreifpunkt 70 auf eine bestimmte Spannung aufgeladen und damit eine gewisse Energie im Schwingkreis vorhanden. Bei der Einschaltung eines der Leistungsschalter fließt demnach für eine Hochfrequenz-Halbwelle Strom. Das Abtast-Kalteglied, z. B. ein Spitzenwert-Detektor, das auch einen Stromwandler enthält, um die tatsächlich fließenden Ströme in Meßströme umzuwandeln, mißt den Strom während dieses Anschwingens und speichert das Ergebnis. Es entspricht dem Wert i_max in Fig. 10. In dem Schwingkreis klingt nun die Amplitude entsprechend dem Energieverbrauch durch die Dämpfung nach einer bestimmten Funktion (entsprechend einer e-Funktion) ab. Falls dieses Abklingen zu langsam vor sich geht, ist die Dämpfung zu niedrig und die Bedingungen für eine Leistungseinschaltung sind nicht gegeben. Dies ist an Fig. 10 beispielsweise demonstriert, wo eine abklingende Schwingung gezeigt ist und die Grenzwerte G1, G2, G3 und G4 beispielsweise die Werte angeben, die im Grenzwertspeicher 73 gespeichert sein könnten. Werden sie überschritten, so bedeutet dies "keine ausreichende Dämpfung" und es wird ein Signal an den Mikro-Computer: "Keine Einschaltung" gegeben.In the controller 62, a phase-controlled loop circuit (PLL "phase locked loop") specifies the control clock frequency for the circuit breakers 60, 61. During the operation of the resonant circuit, it adjusts itself to the frequency of the main resonant circuit and switches the circuit breakers 60, 61 alternately. At idle, ie during the test phase, the loop circuit releases a semi-oscillation when one of the two power switches 60 or 61 is triggered by the microcomputer. Previously, the tapping point 70 was charged to a certain voltage via the resistors 65, 66 and thus a certain energy was present in the resonant circuit. When one of the circuit breakers is switched on, current therefore flows for a high-frequency half-wave. The sampling cold element, e.g. B. a peak detector, which also contains a current transformer to convert the actually flowing currents into measuring currents, measures the current during this oscillation and stores the result. It corresponds to the value i _max in FIG. 10. In the resonant circuit, the amplitude now decays according to the energy consumption due to the damping according to a specific function (corresponding to an e-function). If this decay is too slow, the damping is too low and the conditions for power on are not met. This is demonstrated, for example, in FIG. 10, where a decaying oscillation is shown and the limit values G1, G2, G3 and G4 indicate, for example, the values that could be stored in the limit value memory 73. If they are exceeded, this means "insufficient damping" and it a signal is given to the microcomputer: "no activation".

Die Topferkennung arbeitet also nach dem Prinzip der Dämpfungsmessung, wobei die Prüfung nur mit einer Hälfte des Umrichters arbeitet, so daß der Leistungsschwingkreis nicht anläuft, wozu eine wechselweise Einschaltung der beiden Leistungsschalter 60, 61 nötig wäre.The pan detection therefore works on the principle of damping measurement, with the test only working with one half of the converter, so that the power resonant circuit does not start, for which purpose an alternate activation of the two power switches 60, 61 would be necessary.

Beim Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Fig. 4 und 5 findet der Prüfvorgang so statt, daß aus der ersten Schwingung beim Einschalten eines der Leistungstransistoren 60 oder 61 für einen sehr kurzen Zeitraum E von beispielsweise 20 Mikrosekunden (etwa eine Halbschwingung in Leerlauffrequenz) der Stromwert gemessen, durch das Abtast-Halteglied 72 festgehalten und daraus im Grenzwertspeicher 73 die nachfolgenden Grenzwerte, z. B. G1 bis G5 abgeleitet werden. Unter Steuerung durch den Mikro-Computer legt die Schleifenschaltung PLL danach Pausen P in gleicher Größenordnung ein und schaltet dann wiederum den Leistungstransistor ein. Aus dem Stromabfall in der nächsten Schwingung (siehe Fig. 11 a) kann nun durch Vergleich mit den Grenzwerten, was über den Komparator 74 erfolgt, festgestellt werden, ob der Strom diese Grenzwerte (hier G2 und G3) überschritt. Das Ergebnis dieser Überprüfung wird im Speicher 75 zwischengespeichert.4 and 5, the test procedure takes place in such a way that the current value is measured from the first oscillation when one of the power transistors 60 or 61 is switched on for a very short period of time E, for example 20 microseconds (approximately one half oscillation in idle frequency), held by the sample-and-hold element 72 and the subsequent limit values, z. B. G1 to G5 can be derived. Under the control of the microcomputer, the loop circuit PLL then pauses P in the same order of magnitude and then switches on the power transistor again. From the current drop in the next oscillation (see FIG. 11 a), it can now be determined by comparison with the limit values, which is done via the comparator 74, whether the current exceeded these limit values (here G2 and G3). The result of this check is temporarily stored in the memory 75.

Es erfolgt dann noch eine zweite Einschaltung, wo die Grenzwerte G4 und G5 zum Vergleich herangezogen werden. Diese zweite Messung erfolgt sicherheitshalber, um eine Verfälschung durch starke Frequenzabweichung, z. B. bei einem Aluminium- oder Kupfergegenstand statt eines Kochgefäßes Fehler zu vermeiden. Ergibt diese Messung ebenfalls kein Überschreiten der Grenzwerte, so ist die Dämpfung ausreichend und es erfolgt eine Leistungseinschaltung des Schwingkreises durch die Steuerung 62. Da die ganze Messung sich im Bereich von Mikrosekunden abspielte, klang die Energie im Schwingkreis ab, weil sie über den den Leistungsschaltern 60, 61 parallel geschalteten hochohmigen Spannungsteiler 65, 66 in dieser Zeit nicht ersetzt werden konnte. Bis zum nächsten Prüfzyklus am Beginn des nächsten Zeitintervalls Z (nach 2,1 Sekunden) ist jedoch der Schwingkreis über diesen Spannungsteiler wieder mit der entsprechenden Prüfspannung versorgt und eine erneute Prüfung kann beginnen, falls eine Überschreitung der Grenzwerte festgestellt und damit "zu wenig Dämpfung" detektiert wurde und der Schwingkreis nicht im Leistungsbetrieb geschaltet wurde.A second activation then takes place, where the limit values G4 and G5 are used for comparison. For safety's sake, this second measurement is carried out in order to prevent falsification by strong frequency deviation, e.g. B. to avoid errors in an aluminum or copper object instead of a cooking vessel. If this measurement also does not result in the limit values being exceeded, the damping is sufficient and the resonant circuit is switched on by the controller 62. Since the entire measurement took place in the microsecond range, the energy in the resonant circuit decayed because it could not be replaced during this time by the high-resistance voltage dividers 65, 66 connected in parallel with the circuit breakers 60, 61. Until the next test cycle at the beginning of the next time interval Z (after 2.1 seconds), however, the resonant circuit is again supplied with the corresponding test voltage via this voltage divider and a new test can begin if the limit values are exceeded and thus "too little damping" was detected and the resonant circuit was not switched in power mode.

Die Prüfung kann mit einem sehr geringen Prüfstrom stattfinden, beispielsweise mit einem Zehntel des Nennstroms bei Leistungsbetrieb. Da außerdem durch die sehr geringen Einschaltzeiten von beispielsweise 20 Mikrosekunden innerhalb des Prüfzyklus von 2 Sekunden der Schwingkreis im Prüfbetrieb ca. nur 1/100.000stel der Gesamtzeit in Betrieb ist, beträgt die Gesamtleistungsfreigabe während der Prüfung nur einen völlig unbedeutenden Bruchteil der Gesamtleistung der Kochstelle und kann sowohl energetisch als auch von der Beeinflussung der Umgebung her vernachlässigt werden. Es liegt beispielsweise bei einer Kochstelle von 2.000 W in der Größenordnung von 1 bis 4 mW.The test can take place with a very low test current, for example with a tenth of the nominal current during power operation. In addition, because the very short switch-on times of, for example, 20 microseconds within the test cycle of 2 seconds, the resonant circuit in test operation is only about 1 / 100,000th of the total time, the total power release during the test is only a completely insignificant fraction of the total power of the hotplate and can be neglected both energetically and in terms of influencing the environment. For example, with a 2,000 W hotplate, it is on the order of 1 to 4 mW.

Durch diese Topferkennung mittels Überprüfung der möglichen Leistungsabnahme (Dämpfung) findet also eine sehr zuverlässige, kurzfristig zugreifende und prüfenergiearme Messung statt. Statt der Strommessung im Schwingkreis kann beispielsweise auch eine Spannungsmessung am Schwingkreiskondensator verwendet werden, um durch Messung des Abklingens der Spannungsamplitude einen Vergleich mit den aufgrund der Anfangsmessung ermittelten Grenzwerten die Prüfung durchzuführen.With this pot detection by checking the possible power consumption (damping), a very reliable, short-term access and low test energy measurement takes place. Instead of the current measurement in the resonant circuit, a voltage measurement on the resonant circuit capacitor can also be used, for example, in order to carry out the test by measuring the decay of the voltage amplitude with the limit values determined on the basis of the initial measurement.

Die Prüfung arbeitet jedenfalls nur mit einer Hälfte des Umrichters, daher läuft der Leistungsschwingkreis während der Prüfphase nicht an. Ergeben bei den beiden aufeinanderfolgenden Messungen (zweite und dritte Einschaltung des PLL) die im Speicher 75 gespeicherten Werte beide "Dämpfungausreichend" (Grenzwerte nicht überschritten), so wird in der Steuerung 72 unter Taktgabe der Schleifenschaltung PLL der Schwingkreis durch wechselseitiges Einschalten der Leistungsschalter 60, 61 mit vollem Strom in Gang gesetzt. Die Leistungsfreigabe selbst erfolgt dann entsprechend dem anhand der Figuren 8 und 9 erläuterten Leistungsschema so lange, bis entweder die Kochstelle über das Einstellglied 43 ausgeschaltet wird oder durch Wegnahme des Topfes der Selbstschutz zugreift und die Leistung abgeschaltet wird, so daß sie wieder in die Prüfphase übergeht.In any case, the test only works with one half of the converter, so the resonant circuit does not start up during the test phase. If during the two successive measurements (second and third activation of the PLL) the values stored in the memory 75 both show "damping sufficient" (limit values not exceeded), the oscillation circuit is switched on in the controller 72 by the PLL switching circuit 60 by alternately switching on the circuit breaker 60, 61 started at full power. The power release itself then takes place in accordance with the power scheme explained with reference to FIGS. 8 and 9 until either the hotplate is switched off via the setting element 43 or self-protection is accessed by removing the pot and the power is switched off so that it goes back into the test phase .

Claims

Inductive hotplate heating with induction generating means (14) and an electronic control therefor, characterized by an oscillation packet control.

Hob heating according to claim 1, characterized in that an oscillation package consists of at least one complete network half-wave.

Hob heating according to claim 1 or 2, characterized by a free-swinging high-frequency converter (53) with a changing output frequency, the switching on and off of which preferably takes place at the zero crossing of the mains voltage.

Hob heating according to one of the preceding claims, characterized by an oscillating circuit with two each containing the induction generating means (14) separate branches (55, 56), each with an electrical circuit breaker (60, 61), preferably IGBTs, which alternately switch on or off a branch (55, 56) for each high-frequency half-wave.

Hob heating according to one of the preceding claims, characterized by a phase-symmetrical control of the vibration packets over a small number of mains voltage periods.

Hob heating according to one of the preceding claims, characterized by a common intermediate circuit (52) for several, preferably two high-frequency converters (53) which supplies the rectified mains voltage.

Hob heating according to one of the preceding claims, characterized in that different power levels are determined by switch-on patterns which consist of a sequence or combination of the same and / or different, symmetrical basic patterns of mains voltage half-waves, preferably within a certain constant time interval (Z) .

Hob heating according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic control (62) contains resonant circuit control means which has a phase-controlled loop circuit (PLL), which controls electronic power switches (60, 61) and which preferably operates at an idle control clock frequency when the The resonant circuit does not work in power mode and takes over its frequency after it starts up.

Inductive hotplate heating, in particular according to one of the preceding claims, characterized by an optical measuring device (36, 41) for measuring the temperature of a plate (12), under which the heating is arranged, which preferably works without contact and one in the area of the magnetic field of an induction generating means (14) , in particular in the middle thereof, has effective sensors (36) which may be arranged outside of this range, the sensor (36) possibly having a specific spectral sensitivity range which is preferably in the range of infrared radiation.

Cooking area heater according to claim 9, characterized in that the measuring device is provided to protect the plate (12) against overheating and acts on the inductive heating to reduce or switch off power, and is provided with a restart lock.

Cooking area heating according to one of claims 4 to 10, characterized in that the circuit breakers (60, 61) are controlled via a respective control unit (80), which may contain electrical isolation and is preferably supplied with control energy via a supply unit (81), which is branched off from a circuit part (65, 66) which supplies the oscillating circuit with a defined initial energy.