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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von
zumindest teilweise leitfähigen Gegenständen, insbesondere
von Gefäßen für Speisen,
mit wenigstens einer von Wechselstrom durchflossenen Induktionsspule
zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, an das der
zu erwärmende
Gegenstand derart ankoppelbar ist, dass in diesem ein Wirbelstrom
und/oder – bei
ferromagnetischen Gegenständen – Ummagnetisierungswärme erzeugt
wird, und mit einer den Wechselstrom in der Induktionsspule regelnden
Schaltungsanordnung umfassend eine Gleichrichtereinrichtung zum
Gleichrichten der Netzversorgungsspannung, Halbleiterschalter zum
Zerhacken der gleichgerichteten Versorgungsspannung mit einer vorgebbaren
Taktfrequenz, elektronische Bauelemente, die zusammen mit der Induktionsspule
einen Schwingkreis bilden, sowie eine Regeleinrichtung zur Erzeugung
der Taktfrequenz, wobei die Regeleinrichtung einen Mikrocontroller
aufweist, der in Abhängigkeit
von Betriebsparametern frequenzvariable Steuersignale für die Halbleiterschalter
liefert, sowie einer Leistungsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung
der von der Induktionsspule aufgenommenen Leistung. Die Erfindung
betrifft werter ein Verfahren zum induktiven Erwärmen von Speisen.
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Bei
der Zubereitung und Verteilung von Speisen in Krankenhäusern, Altenheimen
und ähnlichen
Einrichtungen ist ein Abkühlen
der Speisen auf dem Transportweg zu vermeiden. Zu diesem Zweck werden
häufig Speisetablett-Transportwagen verwendet,
die ein induktives Erwärmungssystem
zum Aufwärmen
und Warmhalten der Speisen beinhalten. Insbesondere werden hierbei
vorbereitete Speiseportionen regeneriert, d. h. von einer Kühltemperatur
im Bereich von 2 bis 10°C
auf eine Kerntemperatur von etwa 70°C aufgeheizt. Diese Kerntemperatur
darf vorschriftsgemäß aus hygienischen
Gründen
nicht unterschritten werden, andererseits ist aber auch eine übermäßige Erhitzung
der Speisen über
einen längeren
Zeitraum zu vermeiden, da dies die Qualität der Speisen beeinträchtigen
würde.
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Ein
Induktions-Erwärmungssystem
besteht im Wesentlichen aus einer gleichgerichteten Spannungsquelle,
einer Halbleiterschalteranordnung zur Erzeugung eines Wechselstroms
und einem Reihenschwingkreis mit einer Induktionsspule und mindestens
einer Kapazität.
Der Reihenschwingkreis weist eine Resonanzkennlinie
die ausgehend von niedrigen
Frequenzen von einem abfallenden Zweig (kapazitiver Bereich) über ein
Minimum (Resonanz) in einen ansteigenden Zweig (induktiver Bereich) übergeht. Üblicherweise
werden induktive Erwärmungsgeräte in einem
Arbeitspunkt auf dem induktiven Zweig der Resonanzkennlinie betrieben.
Der Verlauf der Kennlinie ist dabei zunächst von den elektrischen Parametern
des Schwingkreises, d. h. der Induktivität L der Spule, der Kapazität C des
Kondensators sowie dem ohmschen Widerstand R abhängig. Bei gegebener Induktionsspule
kommt zusätzlich
ein Einfluss durch die Bedeckung der Induktionsspule durch das zu erwärmende Gefäß hinzu.
Die Größen, die
hierbei eine Rolle spielen, sind die Fläche des durch die Induktionsspule
erzeugten Feldes, die tatsächlich
von dem zu erwärmenden
Gefäß abgedeckt
wird, die Schichtdicke des leitenden Teils des zu erwärmenden
Gefäßes, der
Abstand des leitenden Bereiches des zu erwärmenden Gefäßes von der Induktionsspule,
die magnetischen Materialeigenschaften des Gefäßes (diamagnetisch, paramagnetisch
oder ferromagnetisch) sowie die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit
des Gefäßes. Diese Größen können zu
einer Verstimmung des Schwingkreises führen, die auf geeignete Weise
kompensiert werden muss.
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Um
diese Einflussgrößen zu eliminieren,
ist es bekannt, die Stromstärke
in der Induktionsspule mittels einer Regeleinrichtung auf einen
konstanten Wert zu regeln. Aus der
DE 26 47 348 A1 und der
DE 27 59 701 C2 ist dabei
bekannt, die in die Induktionsspule eingebrachte Leistung durch
eine Steuerung der Frequenz zu regeln. Der Vorteil der Konstanthaltung
des Induktionsspulenstroms besteht darin, dass hierdurch Einflüsse einer
Schwankung der Netzversorgungsspannung vermieden werden. Es ergeben
sich hieraus jedoch auch eine Reihe von Nachteilen. Zum einen wird
bei dieser Art der Regelung nicht erkannt, in welchem Maß das Induktionsspulenfeld
tatsächlich
abgedeckt ist. Dies führt
vor allem bei der Verwendung von mehreren Induktionsspulen dazu,
dass sich bei einer nur teilweisen Abdeckung ein erhöhter Leistungseintrag
pro Fläche
ergibt. Weiterhin wird mit dieser Methode nicht erkannt, ob unterschiedliche
Abstände
der leitenden Bereiche der zu erwärmenden Gefäße zu dem Induktionsspulenfeld
oder unterschiedliche thermische Eigenschaften der zu erwärmenden
Gefäße bestehen,
so dass der Leistungseintrag bei gegebener Spulenstromstärke unterschiedlich sein
kann und sich daher in gleicher Zeit unterschiedliche Erwärmungstemperaturen
ergeben können.
In der Praxis kommt es jedoch häufig
vor, dass nacheinander unterschiedliche Speisen in unterschiedlichen
Gefäßen erwärmt werden
müssen.
Wenn dann jeweils ein bestimmter konstanter Spulenstrom eingeregelt
wird, ergeben sich unterschiedliche Aufheizcharakteristiken. Dieser
Nachteil ist vor allem deshalb von Bedeutung, als beim Regenerieren
von Speisen nicht nur eine bestimmte Kerntemperatur erreicht werden
muss, sondern auch eine bestimmte Aufheizgeschwindigkeit eingehalten
werden muss. Letzteres kann dann mit der bekannten Methode nicht
gewährleistet
werden.
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Aus
der
DE 30 42 525 C2 ist
eine Induktionserwärmungs-Kochvorrichtung
bekannt, bei der während des
Erwärmungsvorgangs
zwischen einer zulässigen
und einer unzulässigen
Inverterlast unterschieden wird, wobei selbst bei sehr kleinen einstellbaren
Leistungspegeln eine zuverlässige
Ermittlung geringer Induktionsspulenlasten ermöglicht werden soll. Eine Bestimmung
der Gefäßtemperatur
zu Beginn eines Erwärmungsvorgangs
ist bei dieser Vorrichtung nicht möglich.
EP 0 619 692 A2 beschreibt
eine Induktionsheizanordnung, bei der die Induktionsspule in Resonanz
betrieben wird, wobei eine Steuerung der Leistungsaufnahme in Abhängigkeit
von der sich mit der Temperatur des zu erhitzenden Gefäßes verändernden
Resonanzfrequenz vorgenommen wird.
GB 2 191 024 A beschreibt ein Kochgerät mit drei
unterschiedlichen Speisemengen-Kapazitätsbereichen, die sich nahtlos
aneinander anschließen.
Die Erwärmung
der Speisen erfolgt über
eine Widerstandsheizung und es ist ein Temperatursensor für die Bestimmung
der Speisentemperatur vorgesehen.
DE 195 00 449 A1 beschreibt eine Kochmulde
mit einer Induktionskochstelle sowie mehreren Strahlungskochstellen,
wobei die Induktionskochstelle in mehrere Ringzonen unterteilt ist,
die jeweils mit einer Topferkennung versehen sind und in Abhängigkeit
von der Topfgröße einzeln
angesteuert werden können.
Die
US-PS 5 324 906 beschreibt
ein Induktionskochgerät,
bei dem eine Steuerung der Heizleistung aufgrund akustischer Emissionen
des Kochguts vorgenommen wird.
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Ausgehend
davon besteht die Aufgabe der Erfindung dann, ein induktives Erwärmungssystem
bereitzustellen, bei dem allein über
die gemessenen elektrischen Betriebsparameter eine Bestimmung der
Anfangstemperatur und des Füllgrades
des Gefäßes ermöglicht wird
und in Abhängigkeit
davon eine geregelte Erwärmung
des Gefäßes durchgeführt wird.
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Diese
Aufgaben werden durch die Merkmalskombinationen der Ansprüche 1 und
12 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Die
Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass die Berücksichtigung
der momentanen elektrischen Betriebsgrößen wie Netzstrom und -spannung
sowie Induktionsspulenstrom und -spannung bei dem Regelungsprozess
unter Zuhilfenahme fest vorgegebener Grenzwerte für den maximal
zulässigen
Spulenstrom und die maximal zulässige
Spulenspannung sowie eines vorgegebenen Leistungssollwertes eine
Regelung ermöglicht,
mittels derer eine jeweils optimale Leistungsabgabe an die zu erwärmenden
Gefäße ermöglicht wird.
Gemäß der Erfindung
weist daher die als Mikrocontroller ausgebildete Regeleinrichtung
einen programmierbaren Speicher auf, in dem Kennfelder und/oder
Tabellen für
die von der Induktionsspule aufgenommene Leistung als Maß für die Leistungsaufnahme
unterschiedlicher zu erwärmender
Gefäße speicherbar
sind, wobei die Leistungsaufnahmewerte die Betriebsparameter sind
und sich die Leistungsaufnahmewerte der Daten der Kennfelder und/oder
Tabellen für
unterschiedliche Gefäße so weit
unterscheiden, dass ein Abstand zwischen den gefäßspezifischen Wertebereichen
besteht, der größer ist
als die Auflösung,
mit der die Leistungsaufnahme durch die Leistungsbestimmungseinrichtung
bestimmbar ist. Vorzugsweise werden als Halbleiterschalter IGBT-
oder MOSFET-Transistoren mit einer Schaltleistung im Bereich von
30 W bis 10 kW verwendet. Derartige Transistoren lassen sich leistungsarm
ansteuern und können
daher direkt von dem Mikrocontroller mit geeigneten Steuersignalen
beaufschlagt werden. Für
die Bildung des Reihenschwingkreises werden neben der Induktionsspule
bevorzugt Kondensatoren als elektronische Bauelemente eingesetzt.
Eine möglichst
hohe Güte
der Induktionsspule ermöglicht
eine hohe Empfindlichkeit bei der Bestimmung des Bedeckungsgrades.
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Die
Regeleinrichtung ist vorteilhafterweise über eine Schnittstelle mit
einem externen, übergeordneten System,
beispielsweise einem Computer oder einer speicherprogrammierbaren
Steuerung (SPS) verbindbar. Die vorgebbaren Sollwerte können dann
zur Anpassung der Regeleinrichtung an unterschiedliche Betriebsabläufe oder
Gefäßarten auf
einfache Weise verändert
werden. Die Regeleinrichtung selbst kann dabei als P-Regler, PID-Regler,
Regler mit endlicher Einstellzeit, adaptiver Regler oder Fuzzy-Logic-Regler
ausgebildet sein.
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Der
Mikrocontroller der Regeleinrichtung weist zweckmäßig einen
Frequenzgenerator auf, der eine veränderbar konstante Taktfrequenz
zur Beaufschlagung der Halbleiterschalter erzeugt. Dabei werden
die Taktfrequenzen dadurch geändert,
dass kurzzeitig zwei Register des Mikrocontrollers beschrieben werden,
die den Frequenzgenerator auf eine neue Frequenz einstellen. Mit
dieser eingestellten Frequenz läuft
der Frequenzgenerator dann bis zu einer erneuten Änderung
der Frequenz weiter, ohne die Rechenkapazität des Mikrocontrollers ständig in
Anspruch zu nehmen. Es bleibt dann genügend Rechenkapazität verfügbar, um
zusätzliche
Regelungsaufgaben zu übernehmen,
insbesondere die fortlaufende Bewertung des Induktionsspulenstroms
sowie die fortlaufende Bewertung der vom Netz aufgenommenen Leistung.
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Um
eine hohe Leistung aus dem Schwingkreis herausziehen zu können, liegt
der Arbeitspunkt des Schwingkreises zweckmäßig im induktiven Bereich der
Schwingkreiskennlinie in der Nähe
des Resonanzpunktes, da in diesem Bereich die Impedanz niedrig ist.
Allerdings besteht bei der Wahl des Arbeitspunktes in der Nähe des Resonanzpunktes
die Gefahr, dass es aufgrund von Überströmen oder Überspannungen zu einer ungewünscht hohen
Belastung oder gar Beschädigung
von Bauteilen kommt. Die Regelung muss daher umso exakter erfolgen,
je näher
man den Arbeitspunkt an den Resonanzpunkt annähert. Die Taktfrequenz der digitalen
Regelung muss daher relativ hoch sein; sie sollte in der Größenordnung
von 10 kHz bis 100 kHz, vorzugsweise 20 kHz bis 50 kHz, betragen.
Zusätzlich
weist der Mikrocontroller der Regeleinrichtung zweckmäßig ein
speicherresidentes Programm auf, das ein Unterschreiten einer vorgegebenen
unteren Grenzfrequenz in der Nähe
des Resonanzpunktes verhindert.
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Wenn
zur gleichzeitigen Erhitzung mehrerer Gefäße mehrere Induktionsspulen,
die in Reihe oder parallel geschaltet sein können, vorgesehen sind, sollten
im Bereich der Induktionsspulen Näherungssensoren vorgesehen
sein, mit deren Ausgangssignalen die Regeleinrichtung zur Bestimmung
des Bedeckungsgrades der Induktionsspulen beaufschlagbar ist. Anderenfalls
kann es im Falle einer nicht vollständigen Bedeckung aller Induktionsspulen
zu einer Überschneidung
unterschiedlicher Kennfelder für
verschiedene Gefäße kommen
und damit eine Mehrdeutigkeit entstehen, die zu einer Fehlsteuerung
des Induktionsspulenstromes führen könnte. Durch
die Näherungssensoren
wird dieser Freiheitsgrad eliminiert, so dass der jeweilige Bedeckungsgrad
sicher festgestellt werden kann und die erforderlichen Sollwertvorgaben
anhand der gespeicherten Kennlinien oder Tabellen richtig ermittelt
werden können.
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Ein
Verfahren zum induktiven Erwärmen
von Speisen umfasst gemäß der Erfindung
die folgenden Schritte:
- a) in einer Anlaufphase:
– Erfassen
der von der Induktionsspule aufgenommenen Leistung als Maß für die Leistungsaufnahme
des zu erwärmenden
Gefäßes bei
einer Taktfrequenz nahe der oberen Grenze (fmax)
des Regelungsbereiches der Regeleinrichtung;
– Vergleich
der erfassten Leistungsaufnahme mit vorgegebenen, in den Kennfeldern
oder Tabellen der Regeleinrichtung enthaltenen Werten zur Unterscheidung
zwischen mehreren Gefäßarten,
deren Leistungsaufnahmewerte die Daten der Kennfelder oder Tabellen
darstellen, wobei sich die Leistungsaufnahmewerte der Daten der
Kennfelder oder Tabellen für
unterschiedliche Gefäße so weit
unterscheiden, dass ein Abstand zwischen den gefäßspezifischen Wertebereichen
besteht, der größer ist
als die Auflösung,
mit der die Leistungsaufnahme in dem Erfassungsschritt bestimmbar
ist;
– Bestimmung,
ob mit der erfassten Leistungsaufnahme eine den Werten der Kennfelder
oder Tabellen entsprechende, zulässige
Belastung der Induktionsspule innerhalb der gefäßspezifischen Wertebereiche
gegeben ist, anderenfalls Abbruch des Erwärmungsvorgangs; und bei zulässiger Belastung
der Induktionsspule hieran anschließend
- b) in einer Volllastphase:
– Erwärmung des Gefäßes mit
einer vorgegebenen, gefäßspezifischen
Leistung.
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Nach
dem Einschalten der Vorrichtung läuft in der Anlaufphase eine
Programm-Routine mit Sicherheitsabfragen ab. Dabei wird festgestellt,
ob und ggf. wie viele zu erwärmende
Gefäße vorhanden
sind. Weiterhin wird ermittelt, um was für eine Art Gefäße es sich
handelt, ob beispielsweise Teller oder Schüsseln zu erwärmen sind.
Schließlich
wird ermittelt, ob die Gefäße noch
kalt sind, d. h. noch zu erwärmen
sind, oder ob sie sich bereits auf einer hohen Temperatur befinden,
d. h. zuvor bereits erhitzt worden sind, wobei dann eine erneute,
die Gefäße oder
Speisen schädigende
Erwärmung
durch einen Programmabbruch verhindert werden kann. Ist die Aufnahmeleistung
der Induktionsspule ermittelt worden und liegt sie im zulässigen Bereich,
so werden in einem nächsten
Schritt den in dem Mikrocontroller gespeicherten Wertetabellen oder
Kennfeldern die für
das entsprechende Gefäß zu verwendenden
Leistungswerte als Sollwertvorgaben entnommen und dem weiteren Regelungsprozess
zugrunde gelegt. Die Belastung der Induktionsspule wird in regelmäßigen, kurzen
Zeitabständen
bestimmt und der Erwärmungsvorgang
abgebrochen, wenn der zulässige
Wertebereich verlassen wird. Das zu erwärmende Gefäß kann nun mit einer vorgegebenen,
gefäßspezifischen
Leistung beaufschlagt werden, bis die gewünschte Endtemperatur erreicht
ist (Volllastphase).
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An
die Volllastphase kann sich eine weitere Erwärmungsphase mit reduzierter
Leistung (Teillastphase 1) zum schonenden Fertiggaren von Speisen
anschließen.
Um ein Übergaren
der Speisen zu verhindern, sollte nach dem Erreichen der gewünschten
Kerntemperatur nicht mehr mit voller Leistung weiter erwärmt werden, da
bereits eine geringere Leistung zum schonenden Fertiggaren der Speisen
ausreicht. Die Leistung kann in dieser Phase beispielsweise auf
50% des Wertes der Volllastphase reduziert werden. Dies geschieht
jeweils gefäßspezifisch,
d. h. bei einer Erwärmungsleistung
von 150 W während
der Volllastphase erfolgt eine Reduzierung auf 75 W, während bei
einer Leistung von 100 W während
der Volllastphase eine Reduzierung auf 50 W erfolgt.
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Um
die Speisen nach ihrem Fertiggaren bis zu ihrer Verwendung warm
zu halten, kann die eingebrachte Leistung nochmals reduziert werden.
An die Teillastphase 1 kann sich daher eine weitere Phase mit gegenüber der
Teillastphase 1 weiter reduzierter Leistung anschließen (Teillastphase
2). Der Wert der eingebrachten Leistung kann dabei nochmals um die
Hälfte
reduziert werden, so dass er nur noch 25% des Wertes der Volllastphase
entspricht. Die Dauer der Volllastphase und der Teillastphasen kann
dabei entsprechend vorgegebener Werte einer in dem Mikrocontroller
der Regeleinrichtung gespeicherten Tabelle gewählt werden. Die Regelung der
Leistung erfolgt vorzugsweise dadurch, dass durch die Regeleinrichtung
die auf die Induktionsspule zu beaufschlagende Leistung durch Auswahl
einer die Halbleiterschalter steuernden Taktfrequenz innerhalb des
vorgegebenen zulässigen
Frequenzbereichs bestimmt wird.
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Die
Bestimmung der Anfangstemperatur des zu erwärmenden Gefäßes erfolgt vorzugsweise durch eine
Messung der von dem Gefäß aufgenommenen
Leistung, wobei die aufgenommene Leistung mit in den Kennfeldern
oder Tabellen gespeicherten gefäßspezifischen
Werten verglichen wird. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass
sich der ohm'sche
Widerstand des zu erwärmenden
Gefäßes infolge
der Erwärmung
erhöht. Die
Differenz der Leistungsaufnahme eines kalten und eines warmen Gefäßes beträgt etwa
20%, wobei sich die Leistungsaufnahmewerte unterschiedlicher Gefäße so weit
unterscheiden, daß eine Überschneidung
der gefäßspezifischen
Wertebereiche nicht erfolgt.
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Der
Füllgrad
eines zu erwärmenden
Gefäßes kann
durch den Abfall der von dem Gefäß aufgenommenen
Leistung über
ein vorbestimmtes Zeitintervall bestimmt werden. Dazu wird die Tatsache
ausgenutzt, daß sich
ein gefülltes
Gefäß aufgrund
der größeren zu
erwärmenden
Masse langsamer erwärmt
als ein leeres Gefäß. Es wird
jeweils die Zeitdauer bestimmt, in der die aufgenommene Leistung
bei der Erwärmung
um einen bestimmten Betrag, beispielsweise 20%, abfällt. Wird
eine bestimmte Zeit unterschritten, in der dieser Leistungsabfall
auftritt, so ist dies ein Indiz dafür, daß das Gefäß nicht befällt ist und daher zur Vermeidung
von Schäden
an dem Gefäß nicht
erhitzt werden sollte.
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Um
die vorgenannten Bestimmungen durchführen zu können, müssen die thermischen Materialkenngrößen unterschiedlicher
zu erwärmender
Gefäßarten empirisch
bestimmt werden und in der Form von Kennfeldern und/oder Wertetabellen
in den Speichereinheiten der Regeleinrichtung abgespeichert werden.
Nach der Bestimmung der Art, der Temperatur und des Füllgrades
des zu erwärmenden
Gefäßes anhand
der in einer Tabelle gespeicherten Werte kann dann ein in einer
weiteren Tabelle gespeicherter Wert als Sollwert für die Regelung
der der Induktionsspule zuzuführenden
Leistung ausgewählt
werden.
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Allein
aus der Messung der von der Induktionsspule aufgenommenen Leistung,
die zugleich ein Maß für die von
dem zu erwärmenden
Gefäß aufgenommenen
Leistung ist, kann die Art, die Temperatur und der Füllgrad eines
einzelnen Gefäßes eindeutig
bestimmt werden. Sollen mehrere Gefäße, ggf. unter Verwendung mehrerer
Induktionsspulen, erwärmt
werden, so muß zusätzlich die
tatsächliche
Anzahl der zu erwärmenden Gefäße bestimmt
werden. Dies geschieht zweckmäßig durch
Auswertung der Ausgangssignale von im Bereich der Induktionsspulen
angeordneten Näherungssensoren.
Nach der Bestimmung der tatsächlichen
Anzahl der bedeckten Induktionsspulen, d. h. der Anzahl der zu erwärmenden
Gefäße, wird
die auf die Induktionsspulen zu beaufschlagende Leistung proportional
zu dem Bedeckungsgrad reduziert. Sind beispielsweise nur sechs von
zehn vorhandenen Induktionsspulen tatsächlich bedeckt, so wird die
aufzubringende Leistung auf 60% reduziert. Da lediglich die tatsächlich bedeckten
Induktionsspulen reale Leistung aufnehmen, während die nicht bedeckten Induktionsspulen
lediglich Blindleistung aufnehmen, wird auf diese Weise wieder jedes
Gefäß mit der
gefäßspezifischen,
der Wertetabelle entsprechenden Leistung beaufschlagt.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele
und Diagramme näher
erläutert.
Es zeigt
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1 einen
schematischen Aufbau eines Reihenschwingkreises mit einer Induktionsspule;
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2 einen
schematischen Aufbau eines Reihenschwingkreises mit mehreren Induktionsspulen;
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3 die
Kennlinie eines Schwingkreises gemäß 1;
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4a die
funktionale Abhängigkeit
der Leistungsaufnahme eines Gefäßes von
seiner Temperatur zur Bestimmung der Anfangstemperatur des Gefäßes;
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4b die
funktionale Abhängigkeit
der Leistungsaufnahme eines Gefäßes von
der Zeit zur Bestimmung des Füllgrades
des Gefäßes;
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5 ein
Flußdiagramm
des Gesamtablaufes des Erwärmungsprozesses;
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6 ein
Flußdiagramm
der Anlaufphase des Erwärmungsprozesses
und
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7 ein
Flußdiagramm
der Vollastphase des Erwärmungsprozesses.
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Die
in den 1 und 2 schematisch dargestellten
Schaltungsanordnungen 10 bestehen im wesentlichen aus einer
Gleichrichtereinrichtung 12, mit der die Spannung einer
Netzspannungsquelle 14 gleichgerichtet wird, und zwei Halbleiterschaltern
T1, T2 zum frequenzgesteuerten Zerhacken der gleichgerichteten Netzspannung,
einem Reihenschwingkreis bestehend aus einer (1)
oder mehreren (2) Induktionsspulen 16, 16' und zwei Kondensatoren
C1, C2, der mit der durch die Halbleiterschalter T1, T2 zerhackten Spannung
beaufschlagt wird, sowie einem oder mehreren Gefäßen 18, 18' als Last für die Induktionsspule.
Die Frequenzsteuerung der Halbleiterschalter T1, T2 erfolgt durch
einen Mikrocontroller 20, der mit den Betriebsgrößen Netzspannung
und -strom sowie Induktionsspulenspannung und -strom als Regelgrößen beaufschlagt wird.
Der Mikrocontroller 20 weist einen Speicherbereich auf,
in dem in der Form von Tabellen und/oder Kennlinien Leistungssollwerte
für unterschiedliche
Gefäßarten 18 und
zur Verhinderung von Beschädigungen
der Induktionsspule oder der Gefäße Maximalwerte
für den
zulässigen
Spulenstrom und die Spulenspannung gespeichert sind. Aus den ermittelten
Betriebsgrößen, die
mittels nicht dargestellter Sensoren gemessen werden, und dem sich
daraus ergebenden Leistungssollwert berechnet der Mikrocontroller
eine Taktfrequenz, mit der die Halbleiterschalter T1, T2 als Stellgröße beaufschlagt
werden. Die Halbleiterschalter T1, T2 sind, wie in den 1 und 2 dargestellt,
MOSFET-Transistoren oder aber auch IGBT-Transistoren, die in der
Lage sind, Leistungen im Bereich von 50 W bis 5 kW zu schalten,
wobei sie zur Ansteuerung nur eine geringe Leistung erfordern, so
daß sie
direkt von dem Mikrocontroller 20 angesteuert werden können.
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In
3 ist
die Impedanz Z des Schwingkreises als Funktion der Taktfrequenz
f
dargestellt. Auf der linken,
niederfrequenten Seite des Resonanzpunktes bei f
R befindet
sich der abfallende kapazitive Zweig der Kennlinie, auf der rechten,
ansteigenden Seite des Resonanzpunktes f
R der
induktive Zweig der Kennlinie. Die Frequenzregelung findet ausschließlich auf
dem induktiven Zweig der Kennlinie statt, und zwar in einem Bereich
zwischen einer minimal zulässigen
Frequenz f
min der Nähe des Resonanzpunktes f
R und einer maximal zulässigen Frequenz f
max.
Der Arbeitspunkt des Schwingkreises wird möglichst nah an die untere Grenzfrequenz
angenähert,
da hier die Impedanz niedrig ist und somit eine hohe Leistungsausbeute
erzielt wird. Der Regelungsbereich deckt etwa einen Frequenzbereich
von f
min = 20 kHz bis f
max =
50 kHz ab. Um im Betrieb möglichst
nah an der unteren Grenzfrequenz arbeiten zu können, diese aber nicht zu unterschreiten, wird
mikrocontrollerintern mit einer möglichst hohen Prozessorfrequenz
gearbeitet. Eine einmal eingeregelte Taktfrequenz wird so lange
beibehalten, bis die gemessenen Betriebsparameter eine Änderung
der Taktfrequenz indizieren, woraufhin kurzzeitig entsprechende
Register des Mirkocontrollers beschrieben werden, die eine neue
Taktfrequenz für
die Haltleiterschalter T1, T2 einstellen. Diese neue Taktfrequenz
wird dann wiederum so lange beibehalten, bis eine erneute Taktfrequenzänderung
indiziert ist. Auf diese Weise wird für die eigentliche Frequenzsteuerung
nur ein geringer Teil der Mikrocontrollerkapazität gebraucht, so daß der Mikrocontroller hauptsächlich mit
der Überwachung
und Bestimmung der Betriebsparameter ausgelastet wird.
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Anhand
der 4a und b läßt sich
erläutern,
wie die Regeleinrichtung allein aus der gemessenen Induktionsspulenleistung
die Temperatur und den Füllgrad
der zu erwärmenden
Gefäße bestimmt.
In 4a ist die aufzubringende Induktionsspulenleistung
als Funktion der Gefäßtemperatur
dargestellt. Dabei ist die Leistungsaufnahme eines kalten Gefäßes mit
100% angesetzt. Ist das Gefäß aber bereits
heiß,
so nimmt es aufgrund der in dem heißen Zustand verminderten Leitfähigkeit
nur noch eine geringere Leistung auf, die wie dargestellt 80% der ”Kaltleistung” betragen
mag. Entsprechende Leistungswerte sind für jede zu erwärmende Gefäßart in
dem Mikrocontroller 20 in Tabellenform abgespeichert (vgl. 6),
so daß ein
Vergleich der gemessenen Leistungsaufnahme mit den Tabellenwerten
eine Temperaturbestimmung des Gefäßes ermöglicht, woraufhin dann ein
entsprechender Regelungsprozeß ausgelöst werden
kann.
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Auf ähnliche
Weise kann der Füllgrad
eines Gefäßes bestimmt
werden. 4b zeigt schematisch den Verlauf
der Leistungsaufnahme P als Funktion der Zeit t. Es wird das Absinken
der aufgenommenen Leistung, d. h. die Erwärmung, wiederum von einem mit
100% angesetzten, gefäßspezifischen
Wert auf beispielsweise 80% dieses Wertes über einen bestimmten Zeitraum
gemessen. Aufgrund der höheren
von einem gefüllten Gefäß aufzunehmenden
Wärmemenge
ist die Aufwärmzeit
t2 eines gefüllten Gefäßes länger als die Aufwärmzeit t1 eines leeren Gefäßes. Die gemessene Aufwärmzeit ist
damit ein Maß für den Füllgrad des
Gefäßes. Wird daher
beim Aufwärmen
eine bestimmte Aufwärmzeit
unterschritten, so bedeutet dies, daß das Gefäß nicht gefüllt ist und der Aufwärmprozeß wird zur
Vermeidung einer Beschädigung
des Gefäßes abgebrochen.
Die Gefäße bestehen
nämlich
typischerweise aus einer Keramik, die mit einer leitenden Schicht,
beispielsweise Silber, beschichtet ist. Die übermäßige Erwärmung eines leeren Gefäßes kann
zu starken mechanischen Spannungen in dem Gefäß führen, wodurch dieses beschädigt werden
kann.
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Sollen
gleichzeitig mehrere Gefäße 18, 18' mittels mehrerer
Induktionsspulen 16, 16' erwärmt werden (vgl. 2),
so kommt die tatsächliche
Abdeckung der Induktionsspulen 16, 16' als weiterer
Freiheitsgrad für die
Bestimmung der Art, der Temperatur und des Füllgrads der Gefäße hinzu.
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Bei
der Verwendung mehrerer Induktionsspulen 16, 16' kann dies dazu
führen,
daß bei
einer nur teilweisen Belegung der Induktionsspulen Leistungswerte
gemessen werden, die sich in mehrdeutiger Weise unterschiedlichen
Gefäßarten,
Gefäßtemperaturen
und Gefäßfüllgraden
zuordnen ließen.
Es sind daher im Bereich der Induktionsspulen 16, 16' bei einer Anordnung
gemäß 2 im
Bereich der Induktionsspulen nicht dargestellte Näherungssensoren
vorgesehen, die eine eindeutige Bestimmung des Bedeckungsgrades
der Induktionsspulen ermöglichen.
Dann läßt sich
wieder, eine Bedeckung untereinander gleicher Gefäße mit gleichen
Anfangstemperaturen und gleichen Füllgraden vorausgesetzt, die
Art der Gefäße, ihre
Temperatur und ihr Füllgrad
bestimmen, so daß die
Induktionsspulen mit der für
die entsprechenden Gefäße vorgesehenen Leistung
beaufschlagt werden können.
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Im
folgenden wird beispielhaft das Verfahren zur geregelten Erwärmung eines
Gefäßes anhand
der in den 5 bis 7 dargestellten
Flußdiagramme
erläutert.
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5 zeigt
schematisch den Gesamtablauf der Erwärmung. Nach dem Start, d. h.
dem Einschalten der Vorrichtung, beginnt zunächst die Anlaufphase (6).
Die Anlaufphase beinhaltet Sicherheitsabfragen, um festzustellen,
ob die Regelvorrichtung in dem vorgeschriebenen Frequenzbereich
arbeitet, die Bestimmung, ob überhaupt
ein Gefäß vorhanden
ist, und falls dies der Fall sein sollte, welcher Art das Gefäß ist und welche
Temperatur es aufweist. An die Anlaufphase schließt sich
die Vollastphase an, in der die eigentliche Erwärmung der sich in dem Gefäß befindlichen
Speisen stattfindet. Die Erwärmung
erfolgt in dieser Vollastphase mit der maximalen für das entsprechende
Gefäß vorgesehenen
Leistung, bis ein gewünschter
Erwärmungsgrad
erreicht ist, beispielsweise die Kerntemperatur von etwa 70°C bei der
Regeneration von Speisen. Dann wird die Leistung auf z. B. 50% der
Anfangsleistung heruntergeregelt, um ein schonendes Fertiggaren der
Speisen zu erreichen (Teillastphase 1). In der sich daran anschließenden Teillastphase
2 wird die Leistung nochmals vermindert, z. B. auf 25% des Anfangswertes,
um die Speisen einerseits warmzuhalten, aber andererseits ein Übergaren
zu verhindern. Nach dem Ablauf dieser Phasen ist der Erwärmungsvorgang
abgeschlossen und die Vorrichtung schaltet sich automatisch ab.
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In 6 ist
die Anlaufphase noch einmal detaillierter dargestellt. Es sind auch
zwei Tabellen abgebildet, die beispielhaft Sollwerte für unterschiedliche
Gefäße (Teller
oder Schüssel)
und Sollwerte für
die einzelnen Erwärmungsphasen
angeben. Zunächst
wird nach dem Start die Aufnahmeleistung bei einer festen hohen Frequenz,
d. h. einer Frequenz in der Nähe
der oberen Grenzfrequenz fmax (vgl. 3),
gemessen. Um eventuell auftretende Schwankungen der Versorgungsnetzspannung
zu kompensieren, wird diese Aufnahmeleistung auf einen Spannungswert
von 230 V normiert. Der so erhaltene Leistungswert wird dann mit
den empirisch ermittelten, in der Gefäß-Leistungstabelle abgespeicherten
Leistungswerte verglichen. Die Tabelle zeigt die zulässigen Leistungswerte
für einen
Teller im kalten und im heißen
Zustand sowie für
eine Schüssel,
ebenfalls im kalten und heißen
Zustand. Die zulässigen
Leistungswerte für
einen Teller liegen beispielsweise im Bereich von 124 W bis 140
W, während
die entsprechenden Werte für
eine Schüssel
83 W bis 100 W betragen. Zwischen diesen zulässigen Bereichen sowie oberhalb
und unterhalb dieser Bereiche liegen die Leistungswerte, bei deren
Auftreten ein ungültiger
Belastungsfall durch die Regeleinrichtung festgestellt wird. Die
Auflösung, mit
der die Leistung bestimmt werden kann, liegt bei etwa 3 W, so daß die Lücke zwischen
den beiden Gefäßarten hinreichend
groß ist,
um eine eindeutige Zuordnung zu ermöglichen. Sollte ein ungültiger Belastungsfall festgestellt
werden, so ist dies ein Indiz für
eine Störung
und der Erwärmungsvorgang
wird abgebrochen. Liegt der Leistungswert in einem der gültigen Bereiche,
so wird anhand der Gefäß-Leistungstabelle
festgestellt, um welche Art Gefäß es sich
handelt, d. h. ob ein Teller oder eine Schüssel zu erwärmen ist. Der entsprechende Leistungssollwert
wird aus der Tabelle ausgelesen und die Vollastphase beginnt.
-
In
der Vollastphase (7) werden zunächst die
Betriebsparameter der Spule, d. h. Spulenstrom und -spannung, sowie
die von dem Gefäß aufgenommene
Leistung bestimmt. Liegen diese Werte außerhalb der zulässigen Bereiche,
so wird dies als Störung
behandelt und der Erwärmungsprozeß abgebrochen.
Anderenfalls wird die Ist-Leistung
mit der vorgegebenen Solleistung verglichen und je nach Ergebnis
durch den Mikrocontroller eine entsprechende Frequenzansteuerung
der Halbleiterschalter vorgenommen, um Ist-Leistung und Soll-Leistung
zur Deckung zu bringen. Dieser Regelvorgang wird fortlaufend durchgeführt, bis
das Abbruchkriterium für
die Vollastphase, d. h. entweder der vorbestimmte Zeitablauf oder
die gewünschte
Temperatur, erreicht ist. Es schließen sich dann ggf. die Teillastphasen
1 und 2 an, in denen ein entsprechender Regelungsvorgang mit den
reduzierten Leistungswerten durchgeführt wird.
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Zusammfassend
ist folgendes festzustellen: Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum induktiven Erwärmen
von zumindest teilweise leitfähigen
Gegenständen,
insbesondere von Gefäßen für Speisen,
mit wenigstens einer von Wechselstrom durchflossenen Induktionsspule
zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, an das der
zu erwärmende
Gegenstand derart ankoppelbar ist, daß in diesem ein Wirbelstrom und/oder – bei ferromagnetischen
Gegenständen – Ummagnetisierungswärme erzeugt
wird. Eine den Wechselstrom in der Induktionsspule regelnde Schaltungsanordnung
umfaßt
eine Gleichrichteranordnung zum Gleichrichten der Netzversorgungsspannung,
mindestens einen Halbleiterschalter zum Zerhacken der gleichgerichteten
Versorgungsspannung mit einer vorgebbaren Taktfrequenz, elektronische
Bauelemente, die zusammen mit der Induktionsspule einen Schwingkreis
bilden, sowie eine Regeleinrichtung zur Erzeugung der Taktfrequenz.
Um eine automatische Regelung des Erwärmungsvorgangs zu ermöglichen,
weist die Regeleinrichtung gemäß der Erfindung
einen Mikrocontroller auf, der unter Berücksichtigung der Betriebsparameter
frequenzvariable Steuersignale für
die Halbleiterschalter liefert. Die Erfindung betrifft weiterhin
ein Verfahren zum geregelten induktiven Erwärmen von Speisen.
