DE19714701A1

DE19714701A1 - Geregeltes induktives Erwärmungssystem

Info

Publication number: DE19714701A1
Application number: DE1997114701
Authority: DE
Inventors: Ingo Irion
Original assignee: INNOVAT GES fur SONDERMASCHIN
Current assignee: INNOVAT GES fur SONDERMASCHIN
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2017-04-10
Also published as: DE19714701B4

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Gegenständen, insbesondere von Gefäßen für Speisen, mit wenigstens einer von Wechselstrom durchflossenen Induk tionsspule zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wech selfeldes, an das der zu erwärmende Gegenstand derart ankoppelbar ist, daß in diesem ein Wirbelstrom und/oder - bei ferromagnetischen Gegenständen - Ummagnetisierungs wärme erzeugt wird, und mit einer den Wechselstrom in der Induktionsspule regelnden Schaltungsanordnung umfas send eine Gleichrichtereinrichtung zum Gleichrichten der Netzversorgungsspannung, mindestens einen Halbleiterschal ter zum Zerhacken der gleichgerichteten Versorgungsspan nung mit einer vorgebbaren Taktfrequenz, elektronischen Bauelementen, die zusammen mit der Induktionsspule einen Schwingkreis bilden sowie einer Regeleinrichtung zur Er zeugung der Taktfrequenz. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum induktiven Erwärmen von Speisen.

Bei der Zubereitung und Verteilung von Speisen in Kran kenhäusern, Altenheimen und ähnlichen Einrichtungen ist ein Abkühlen der Speisen auf dem Transportweg zu ver meiden. Zu diesem Zweck werden häufig Speisetablett- Transportwagen verwendet, die ein induktives Erwär mungssystem zum Aufwärmen und Warmhalten der Speisen beinhalten. Insbesondere werden hierbei vorbereitete Speiseportionen regeneriert, d. h. von einer Kühltempe ratur im Bereich von 2 bis 10°C auf eine Kerntemperatur von etwa 70°C aufgeheizt. Diese Kerntemperatur darf vorschriftsgemäß aus hygienischen Gründen nicht unter schritten werden, andererseits ist aber auch eine über mäßige Erhitzung der Speisen über einen längeren Zeit raum zu vermeiden, da dies die Qualität der Speisen be einträchtigen würde.

Ein Induktions-Erwärmungssystem besteht im wesentlichen aus einer gleichgerichteten Spannungsquelle, einer Halbleiterschalteranordnung zur Erzeugung eines Wech selstroms und einem Reihenschwingkreis mit einer Induk tionsspule und mindestens einer Kapazität. Der Reihen schwingkreis weist eine Resonanzkennlinie

die ausgehend von niedrigen Frequenzen von einem abfal lenden Zweig (kapazitiver Bereich) über ein Minimum (Resonanz) in einen ansteigenden Zweig (induktiver Be reich) übergeht. Üblicherweise werden induktive Erwär mungsgeräte in einem Arbeitspunkt auf dem induktiven Zweig der Resonanzkennlinie betrieben. Der Verlauf der Kennlinie ist dabei zunächst von den elektrischen Para metern des Schwingkreises, d. h. der Induktivität L der Spule, der Kapazität C des Kondensators sowie dem ohm schen Widerstand R abhängig. Bei gegebener Induktions spule kommt zusätzlich ein Einfluß durch die Bedeckung der Induktionsspule durch das zu erwärmende Gefäß hin zu. Die Größen, die hierbei eine Rolle spielen, sind die Fläche des durch die Induktionsspule erzeugten Fel des, die tatsächlich von dem zu erwärmenden Gefäß abge deckt wird, die Schichtdicke des leitenden Teils des zu erwärmenden Gefäßes, der Abstand des leitenden Berei ches des zu erwärmenden Gefäßes von der Induktionsspu le, 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 kompen siert werden muß.

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-A-26 47 345 und der DE-A-27 59 701 ist dabei bekannt, die in die Induktionsspule eingebrachte Lei stung 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 erge ben sich hieraus jedoch auch eine Reihe von Nachteilen. Zum einen wird bei dieser Art der Regelung nicht er kannt, in welchem Maß das Induktionsspulenfeld tatsäch lich abgedeckt ist. Dies führt vor allem bei der Ver wendung von mehreren Induktionsspulen dazu, daß sich bei einer nur teilweisen Abdeckung ein erhöhter Lei stungseintrag pro Fläche ergibt. Weiterhin wird mit dieser Methode nicht erkannt, ob unterschiedliche Ab stände der leitenden Bereiche der zu erwärmenden Gefäße zu dem Induktionsspulenfeld oder unterschiedliche ther mische Eigenschaften der zu erwärmenden Gefäße beste hen, so daß der Leistungseintrag bei gegebener Spulen stromstärke 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 un terschiedlichen Gefäßen erwärmt werden müssen. Wenn dann jeweils ein bestimmter konstanter Spulenstrom ein geregelt wird, ergeben sich unterschiedliche Aufheiz charakteristiken. 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 ein gehalten werden muß. Letzteres kann dann mit der be kannten Methode nicht gewährleistet werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein in duktives Erwärmungssystem bereitzustellen, bei dem al lein über die gemessenen elektrischen Betriebsparameter eine Bestimmung der Anfangstemperatur und des Füllgra des des Gefäßes ermöglicht wird und in Abhängigkeit da von eine geregelte Erwärmung des Gefäßes durchgeführt wird.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmalskombinationen der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß die Be rücksichtigung der momentanen elektrischen Betriebsgrö ßen wie Netzstrom und -spannung sowie Induktionsspulen strom und -spannung bei dem Regelungsprozeß unter Zu hilfenahme fest vorgegebener Grenzwerte für den maximal zulässigen Spulenstrom und die maximal zulässige Spu lenspannung sowie eines vorgegebenen Leistungssollwer tes eine Regelung ermöglicht, mittels derer eine je weils optimale Leistungsabgabe an die zu erwärmenden Gefäße ermöglicht wird. Gemäß der Erfindung weist daher die Regeleinrichtung einen Mikrocontroller auf, der in Abhängigkeit der Betriebsparameter frequenzvariable Steuersignale für die Halbleiterschalter liefert. Die Regeleinrichtung weist zweckmäßig Sensoren für die Netzstromaufnahme und den Induktionsspulenstrom sowie für die Netz- und Induktionsspulenspannung auf. Vor zugsweise 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 di rekt von dem Mikrocontroller mit geeigneten Steuersi gnalen beaufschlagt werden. Für die Bildung des Reihen schwingkreises werden neben der Induktionsspule bevor zugt Kondensatoren als elektronische Bauelemente einge setzt. Eine möglichst hohe Güte der Induktionsspule er möglicht eine hohe Empfindlichkeit bei der Bestimmung des Bedeckungsgrades.

Die Regeleinrichtung ist vorteilhafterweise über eine Schnittstelle mit einem externen, übergeordneten Sy stem, beispielsweise einem Computer oder einer spei cherprogrammierbaren Steuerung (SPS) verbindbar. Die vorgebbaren Sollwerte können dann zur Anpassung der Re geleinrichtung an unterschiedliche Betriebsabläufe oder Gefäßarten auf einfache Weise verändert werden. Die Re geleinrichtung selbst kann dabei als P-Regler, PID-Reg ler, Regler mit endlicher Einstellzeit, adaptiver Reg ler oder Fuzzy-Logic-Regler ausgebildet sein.

Der Mikrocontroller der Regeleinrichtung weist zweckmä ßig einen Frequenzgenerator auf, der eine veränderbar konstante Taktfrequenz zur Beaufschlagung der Halblei terschalter erzeugt. Dabei werden die Taktfrequenzen dadurch geändert, daß kurzzeitig zwei Register des Mi krocontrollers beschrieben werden, die den Frequenzge nerator 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 Rechen kapazität verfügbar, um zusätzliche Regelungsaufgaben zu übernehmen, insbesondere die fortlaufende Bewertung des Induktionsspulenstroms sowie die fortlaufende Be wertung der vom Netz aufgenommenen Leistung.

Um eine hohe Leistung aus dem Schwingkreis herausziehen zu können, liegt der Arbeitspunkt des Schwingkreises zweckmäßig im induktiven Bereich der Schwingkreiskenn linie in der Nähe des Resonanzpunktes, da in diesem Be reich die Impedanz niedrig ist. Allerdings besteht bei der Wahl des Arbeitspunktes in der Nähe des Resonanz punktes die Gefahr, daß es aufgrund von Überströmen oder Überspannungen zu einer ungewünscht hohen Bela stung 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 Regeleinrich tung zweckmäßig ein speicherresidentes Programm auf, das ein Unterschreiten einer vorgegebenen unteren Grenzfrequenz in der Nähe des Resonanzpunktes verhin dert.

Um die verschiedenen Betriebszustände erkennen zu kön nen und auch unterschiedliche Gefäßarten erhitzen zu können, weist der Mikrocontroller der Regeleinrichtung zweckmäßig einen programmierbaren Speicher auf, in dem Kennfelder und/oder Tabellen für die Leistungsaufnahme unterschiedlicher zu erwärmender Gefäße speicherbar sind. Wenn zur gleichzeitigen Erhitzung mehrerer Gefäße mehrere Induktionsspulen, die in Reihe oder parallel geschaltet sein können, vorgesehen sind, sollten im Be reich der Induktionsspulen Näherungssensoren vorgesehen sein, mit deren Ausgangssignalen die Regeleinrichtung zur Bestimmung des Bedeckungsgrades der Induktionsspu len beaufschlagbar ist. Anderenfalls kann es im Falle einer nicht vollständigen Bedeckung aller Induktions spulen zu einer Überschneidung unterschiedlicher Kenn felder 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 an hand der gespeicherten Kennlinien oder Tabellen richtig ermittelt werden können.

Ein Verfahren zum induktiven Erwärmen von Speisen um faßt gemäß der Erfindung die folgenden Schritte:

a) in einer Anlaufphase:
- - Erfassen der Aufnahmeleistung des zu erwärmenden Gefäßes bei einer Taktfrequenz nahe der oberen Grenze des Regelungsbereiches;
- - Vergleich der Aufnahmeleistung mit vorgegebenen, in den Kennfeldern oder Tabellen der Regeleinrich tung gespeicherten Werten zur Unterscheidung zwi schen mehreren Gefäßarten, deren Aufnahmelei stungswerte die Daten der Kennfelder oder Tabellen darstellen;
- - Bestimmung, ob eine den Werten der Kennfelder oder Tabellen entsprechende, zulässige Belastung der Induktionsspule gegeben ist, anderenfalls Abbruch des Erwärmungsvorgangs;
b) in einer Vollastphase:
- - Erwärmung des Gefäßes mit einer vorgegebenen, ge fäßspezifischen Leistung.

Nach dem Einschalten der Vorrichtung läuft in der An laufphase eine Programm-Routine mit Sicherheitsabfragen ab. Dabei wird festgestellt, ob und ggf. wieviele zu erwärmende Gefäße vorhanden sind. Weiterhin wird ermit telt, 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 be reits auf einer hohen Temperatur befinden, d. h. zuvor bereits erhitzt worden sind, wobei dann eine erneute, die Gefäße oder Speisen schädigende Erwärmung durch ei nen 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 gespeicher ten Wertetabellen oder Kennfeldern die für das entspre chende Gefäß zu verwendenden Leistungswerte als Soll wertvorgaben entnommen und dem weiteren Regelungsprozeß zugrunde gelegt. Die Belastung der Induktionsspule wird in regelmäßigen, kurzen Zeitabständen bestimmt und der Erwärmungsvorgang abgebrochen, wenn der zulässige Wer tebereich verlassen wird. Das zu erwärmende Gefäß kann nun mit einer vorgegebenen, gefäßspezifischen Leistung beaufschlagt werden, bis die gewünschte Endtemperatur erreicht ist (Vollastphase).

An die Vollastphase kann sich eine weitere Erwärmungs phase 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 Spei sen ausreicht. Die Leistung kann in dieser Phase bei spielsweise auf 50% des Wertes der Vollastphase redu ziert werden. Dies geschieht jeweils gefäßspezifisch, d. h. bei einer Erwärmungsleistung von 150 W während der Vollastphase erfolgt eine Reduzierung auf 75 W, während bei einer Leistung von 100 W während der Vollastphase eine Reduzierung auf 50 W erfolgt.

Um die Speisen nach ihrem Fertiggaren bis zu ihrer Ver wendung warm zu halten, kann die eingebrachte Leistung nochmals reduziert werden. An die Teillastphase 1 kann sich daher eine weitere Phase mit gegenüber der Teil lastphase 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 Vollastphase ent spricht. Die Dauer der Vollastphase und der Teillast phasen kann dabei entsprechend vorgegebener Werte einer in dem Mikrocontroller der Regeleinrichtung gespeicher ten Tabelle gewählt werden. Die Regelung der Leistung erfolgt vorzugsweise dadurch, daß durch die Regelein richtung die auf die Induktionsspule zu beaufschlagende Leistung durch Auswahl einer die Halbleiterschalter steuernden Taktfrequenz innerhalb des vorgegebenen zu lässigen Frequenzbereichs bestimmt wird.

Die Bestimmung der Anfangstemperatur des zu erwärmenden Gefäßes erfolgt vorzugsweise durch eine Messung der von dem Gefäß aufgenommenen Leistung, wobei die aufgenomme ne Leistung mit in den Kennfeldern oder Tabellen ge speicherten 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 Leistungsauf nahme eines kalten und eines warmen Gefäßes beträgt et wa 20%, wobei sich die Leistungsaufnahmewerte unter schiedlicher Gefäße so weit unterscheiden, daß eine Überschneidung der gefäßspezifischen Wertebereiche nicht erfolgt.

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 gefüll tes Gefäß aufgrund der größeren zu erwärmenden Masse langsamer erwärmt als ein leeres Gefäß. Es wird jeweils die Zeitdauer bestimmt, in der die aufgenommene Lei stung 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 be füllt ist und daher zur Vermeidung von Schäden an dem Gefäß nicht erhitzt werden sollte.

Um die vorgenannten Bestimmungen durchführen zu können, müssen die thermischen Materialkenngrößen unterschied licher zu erwärmender Gefäßarten empirisch bestimmt werden und in der Form von Kennfeldern und/oder Werte tabellen in den Speichereinheiten der Regeleinrichtung abgespeichert werden. Nach der Bestimmung der Art, der Temperatur und des Füllgrades des zu erwärmenden Gefä ßes anhand der in einer Tabelle gespeicherten Werte kann dann ein in einer weiteren Tabelle gespeicherter Wert als Sollwert für die Regelung der der Induktions spule zuzuführenden Leistung ausgewählt werden.

Allein aus der Messung der von der Induktionsspule auf genommenen 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 Induk tionsspulen, erwärmt werden, so muß zusätzlich die tat sächliche Anzahl der zu erwärmenden Gefäße bestimmt werden. Dies geschieht zweckmäßig durch Auswertung der Ausgangssignale von im Bereich der Induktionsspulen an geordneten 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 pro portional zu dem Bedeckungsgrad reduziert. Sind bei spielsweise nur sechs von zehn vorhandenen Induktions spulen tatsächlich bedeckt, so wird die aufzubringende Leistung auf 60% reduziert. Da lediglich die tatsäch lich bedeckten Induktionsspulen reale Leistung aufneh men, während die nicht bedeckten Induktionsspulen le diglich Blindleistung aufnehmen, wird auf diese Weise wieder jedes Gefäß mit der gefäßspezifischen, der Wer tetabelle entsprechenden Leistung beaufschlagt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele und Dia gramme näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines Reihenschwing kreises mit einer Induktionsspule;

Fig. 2 einen schematischen Aufbau eines Reihenschwing kreises mit mehreren Induktionsspulen;

Fig. 3 die Kennlinie eines Schwingkreises gemäß Fig. 1;

Fig. 4a die funktionale Abhängigkeit der Leistungsauf nahme eines Gefäßes von seiner Temperatur zur Bestimmung der Anfangstemperatur des Gefäßes;

Fig. 4b die funktionale Abhängigkeit der Leistungsauf nahme eines Gefäßes von der Zeit zur Bestimmung des Füllgrades des Gefäßes;

Fig. 5 ein Flußdiagramm des Gesamtablaufes des Erwär mungsprozesses;

Fig. 6 ein Flußdiagramm der Anlaufphase des Erwär mungsprozesses und

Fig. 7 ein Flußdiagramm der Vollastphase des Erwär mungsprozesses.

Die in den Fig. 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 (Fig. 1) oder mehreren (Fig. 2) Induktionsspulen 16, 16' und zwei Kondensatoren C1, C2, der mit der durch die Halbleiter schalter T1, T2 zerhackten Spannung beaufschlagt wird, sowie einem oder mehreren Gefäßen 18, 18' als Last für die Induktionsspule. Die Frequenzsteuerung der Halblei terschalter T1, T2 erfolgt durch einen Mikrocontroller 20, der mit den Betriebsgrößen Netzspannung und -strom sowie Induktionsspulenspannung und -strom als Regelgrö ßen beaufschlagt wird. Der Mikrocontroller 20 weist ei nen Speicherbereich auf, in dem in der Form von Tabel len und/oder Kennlinien Leistungssollwerte für unter schiedliche Gefäßarten 18 und zur Verhinderung von Be schädigungen der Induktionsspule oder der Gefäße Maxi malwerte für den zulässigen Spulenstrom und die Spulen spannung gespeichert sind. Aus den ermittelten Be triebsgrößen, die mittels nicht dargestellter Sensoren gemessen werden, und dem sich daraus ergebenden Lei stungssollwert berechnet der Mikrocontroller eine Takt frequenz, mit der die Halbleiterschalter T1, T2 als Stellgröße beaufschlagt werden. Die Halbleiterschalter T1, T2 sind, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, MOS-FET-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.

In Fig. 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 ka pazitive Zweig der Kennlinie, auf der rechten, anstei genden Seite des Resonanzpunktes f_R der induktive Zweig der Kennlinie. Die Frequenzregelung findet ausschließ lich auf dem induktiven Zweig der Kennlinie statt, und zwar in einem Bereich zwischen einer minimal zulässigen Frequenz f_min in der Nähe des Resonanzpunktes f_R und ei ner 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 mikro controllerintern mit einer möglichst hohen Prozessor frequenz gearbeitet. Eine einmal eingeregelte Taktfre quenz wird so lange beibehalten, bis die gemessenen Be triebsparameter eine Änderung der Taktfrequenz indizie ren, woraufhin kurzzeitig entsprechende Register des Mirkocontrollers beschrieben werden, die eine neue Taktfrequenz für die Haltleiterschalter T1, T2 einstel len. Diese neue Taktfrequenz wird dann wiederum so lan ge beibehalten, bis eine erneute Taktfrequenzänderung indiziert ist. Auf diese Weise wird für die eigentliche Frequenzsteuerung nur ein geringer Teil der Mikrocon trollerkapazität gebraucht, so daß der Mikrocontroller hauptsächlich mit der Überwachung und Bestimmung der Betriebsparameter ausgelastet wird.

Anhand der Fig. 4a und b läßt sich erläutern, wie die Regeleinrichtung allein aus der gemessenen Induktions spulenleistung die Temperatur und den Füllgrad der zu erwärmenden Gefäße bestimmt. In Fig. 4a ist die aufzu bringende Induktionsspulenleistung als Funktion der Ge fäßtemperatur dargestellt. Dabei ist die Leistungsauf nahme 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 Lei stungswerte sind für jede zu erwärmende Gefäßart in dem Mikrocontroller 20 in Tabellenform abgespeichert (vgl. Fig. 6), so daß ein Vergleich der gemessenen Leistungs aufnahme mit den Tabellenwerten eine Temperaturbestim mung des Gefäßes ermöglicht, woraufhin dann ein ent sprechender Regelungsprozeß ausgelöst werden kann.

Auf ähnliche Weise kann der Füllgrad eines Gefäßes be stimmt werden. Fig. 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, ge fäßspezifischen Wert auf beispielsweise 80% dieses Wer tes über einen bestimmten Zeitraum gemessen. Aufgrund der höheren von einem gefüllten Gefäß aufzunehmenden Wärmemenge ist die Aufwärmzeit t₂ eines gefüllten Ge fäßes länger als die Aufwärmzeit t₁ eines leeren Ge fäßes. Die gemessene Aufwärmzeit ist damit ein Maß für den Füllgrad des Gefäßes. Wird daher beim Aufwärmen ei ne bestimmte Aufwärmzeit unterschritten, so bedeutet dies, daß das Gefäß nicht gefüllt ist und der Aufwärm prozeß wird zur Vermeidung einer Beschädigung des Ge fäßes abgebrochen. Die Gefäße bestehen nämlich typi scherweise aus einer Keramik, die mit einer leitenden Schicht, beispielsweise Silber, beschichtet ist. Die übermäßige Erwärmung eines leeren Gefäßes kann zu star ken mechanischen Spannungen in dem Gefäß führen, wo durch dieses beschädigt werden kann.

Sollen gleichzeitig mehrere Gefäße 18, 18' mittels mehrerer Induktionsspulen 16, 16' erwärmt werden (vgl. Fig. 2), so kommt die tatsächliche Abdeckung der Induk tionsspulen 16, 16' als weiterer Freiheitsgrad für die Bestimmung der Art, der Temperatur und des Füllgrads der Gefäße hinzu.

Bei der Verwendung mehrerer Induktionsspulen 16, 16' kann dies dazu führen, daß bei einer nur teilweisen Be legung der Induktionsspulen Leistungswerte gemessen werden, die sich in mehrdeutiger Weise unterschiedli chen Gefäßarten, Gefäßtemperaturen und Gefäßfüllgraden zuordnen ließen. Es sind daher im Bereich der Induk tionsspulen 16, 16' bei einer Anordnung gemäß Fig. 2 im Bereich der Induktionsspulen nicht dargestellte Nähe rungssensoren vorgesehen, die eine eindeutige Bestim mung des Bedeckungsgrades der Induktionsspulen ermögli chen. Dann läßt sich wieder, eine Bedeckung untereinan der gleicher Gefäße mit gleichen Anfangstemperaturen und gleichen Füllgraden vorausgesetzt, die Art der Ge fäße, ihre Temperatur und ihr Füllgrad bestimmen, so daß die Induktionsspulen mit der für die entsprechenden Gefäße vorgesehenen Leistung beaufschlagt werden kön nen.

Im folgenden wird beispielhaft das Verfahren zur gere gelten Erwärmung eines Gefäßes anhand der in den Fig. 5 bis 7 dargestellten Flußdiagramme erläutert.

Fig. 5 zeigt schematisch den Gesamtablauf der Erwär mung. Nach dem Start, d. h. dem Einschalten der Vorrich tung, beginnt zunächst die Anlaufphase (Fig. 6). Die Anlaufphase beinhaltet Sicherheitsabfragen, um festzu stellen, ob die Regelvorrichtung in dem vorgeschriebe nen Frequenzbereich arbeitet, die Bestimmung, ob über haupt ein Gefäß vorhanden ist, und falls dies der Fall sein sollte, welcher Art das Gefäß ist und welche Tem peratur 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 Lei stung, 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 (Teil lastphase 1). In der sich daran anschließenden Teil lastphase 2 wird die Leistung nochmals vermindert, z. B. auf 25% des Anfangswertes, um die Speisen einerseits warmzuhalten, aber andererseits ein Übergaren zu ver hindern. Nach dem Ablauf dieser Phasen ist der Erwär mungsvorgang abgeschlossen und die Vorrichtung schaltet sich automatisch ab.

In Fig. 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 Grenzfre quenz f_max (vgl. Fig. 3), gemessen. Um eventuell auftre tende Schwankungen der Versorgungsnetzspannung zu kom pensieren, wird diese Aufnahmeleistung auf einen Span nungswert von 230 V normiert. Der so erhaltene Lei stungswert wird dann mit den empirisch ermittelten, in der Gefäß-Leistungstabelle abgespeicherten Leistungs werte verglichen. Die Tabelle zeigt die zulässigen Lei stungswerte 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 zuläs sigen Bereichen sowie oberhalb und unterhalb dieser Be reiche 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 Erwärmungs vorgang wird abgebrochen. Liegt der Leistungswert in ei nem der gültigen Bereiche, so wird anhand der Gefäß-Lei stungstabelle festgestellt, um welche Art Gefäß es sich handelt, d. h. ob ein Teller oder eine Schüssel zu erwär men ist. Der entsprechende Leistungssollwert wird aus der Tabelle ausgelesen und die Vollastphase beginnt.

In der Vollastphase (Fig. 7) werden zunächst die Be triebsparameter der Spule, d. h. Spulenstrom und -span nung, sowie die von dem Gefäß aufgenommene Leistung be stimmt. Liegen diese Werte außerhalb der zulässigen Be reiche, so wird dies als Störung behandelt und der Er warmungsprozeß abgebrochen. Anderenfalls wird die Ist-Leistung mit der vorgegebenen Solleistung verglichen und je nach Ergebnis durch den Mikrocontroller eine entsprechende Frequenzansteuerung der Halbleiterschal ter vorgenommen, um Ist-Leistung und Soll-Leistung zur Deckung zu bringen. Dieser Regelvorgang wird fortlau fend 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.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfin dung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise leitfähigen Gegenständen, ins besondere von Gefäßen für Speisen, mit wenigstens einer von Wechselstrom durchflossenen Induktionsspule zur Er zeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, an das der zu erwärmende Gegenstand derart ankoppelbar ist, daß in diesem ein Wirbelstrom und/oder - bei ferromagneti schen Gegenständen - Ummagnetisierungswärme erzeugt wird. Eine den Wechselstrom in der Induktionsspule re gelnde Schaltungsanordnung umfaßt eine Gleichrichteran ordnung zum Gleichrichten der Netzversorgungsspannung, mindestens einen Halbleiterschalter zum Zerhacken der gleichgerichteten Versorgungsspannung mit einer vorgeb baren Taktfrequenz, elektronische Bauelemente, die zu sammen mit der Induktionsspule einen Schwingkreis bil den, sowie eine Regeleinrichtung zur Erzeugung der Takt frequenz. Um eine automatische Regelung des Erwärmungs vorgangs zu ermöglichen, weist die Regeleinrichtung ge mäß der Erfindung einen Mikrocontroller auf, der unter Berücksichtigung der Betriebsparameter frequenzvariable Steuersignale für die Halbleiterschalter liefert. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum geregel ten induktiven Erwärmen von Speisen.

Claims

1. Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise leitfähigen Gegenständen, insbesondere von Gefäßen (18, 18') für Speisen, mit wenigstens einer von Wechselstrom durchflossenen Induktions spule (16, 16') zur Erzeugung eines elektromagneti schen Wechselfeldes, an das der zu erwärmende Ge genstand derart ankoppelbar ist, daß in diesem ein Wirbelstrom und/oder - bei ferromagnetischen Gegen ständen - Ummagnetisierungswärme erzeugt wird, und mit einer den Wechselstrom in der Induktionsspule regelnden Schaltungsanordnung umfassend eine Gleich richtereinrichtung (12) zum Gleichrichten der Netz versorgungsspannung (14), mindestens einen Halblei terschalter (T₁, T₂) zum Zerhacken der gleichgerich teten Versorgungsspannung mit einer vorgebbaren Taktfrequenz, elektronische Bauelemente (C₁, C₂), die zusammen mit der Induktionsspule (16, 16') einen Schwingkreis bilden, sowie eine Regeleinrichtung zur Erzeugung der Taktfrequenz, dadurch gekenn zeichnet, daß die Regeleinrichtung einen Mikrocon troller (20) aufweist, der in Abhängigkeit von Be triebsparametern frequenzvariable Steuersignale für die Halbleiterschalter liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Regeleinrichtung Sensoren für die Netzstromaufnahme und den Induktionsspulenstrom sowie für die Netz- und Induktionsspulenspannung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (T₁, T₂) IGBT-, MOSFET- oder BIMOSFET-Transistoren mit einer Schaltleistung im Bereich von 30 W bis 10 kW sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die elektronischen Bau elemente, die zusammen mit der Induktionsspule (16, 16') den Schwingkreis bilden, Kondensatoren (C₁, C₂) sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis ein Reihenschwingkreis ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung nach dem Prinzip eines P-Reglers, eines PID-Reg lers, eines Reglers mit endlicher Einstellzeit, eines adaptiven Reglers oder eines Fuzzy-Logic-Reglers arbeitet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung ei nen Frequenzgenerator aufweist, der eine veränder bar konstante Taktfrequenz zur Beaufschlagung der Halbleiterschalter (T₁, T₂) erzeugt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt des Schwingkreises im induktiven Bereich der Schwing kreiskennlinie in der Nähe des Resonanzpunktes (f_R) liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Regeleinrichtung ein speicherresiden tes Programm enthält, das das Unterschreiten einer vorgegebenen unteren Grenzfrequenz in der Nähe des Resonanzpunktes (f_R) verhindert.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz der Re geleinrichtung 10 kHz bis 100 kHz, vorzugsweise 20 kHz bis 50 kHz, beträgt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß die als Mikrocontroller (20) ausgebildete Regeleinrichtung einen pro grammierbaren Speicher aufweist, in dem Kennfelder und/oder Tabellen für die Leistungsaufnahme unter schiedlicher zu erwärmender Gegenstände (18, 18') speicherbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß mehrere Induktionsspulen (16, 16') in einer Reihen- oder Parallelschaltung vorgesehen sind, und daß im Bereich der Induk tionsspulen (16, 16') Näherungssensoren vorgesehen sind, mit deren Ausgangssignalen die Regeleinrich tung zur Bestimmung des Bedeckungsgrades der In duktionsspulen (16, 16') beaufschlagbar ist.

13. Verfahren zum induktiven Erwärmen von Speisen un ter Verwendung der Vorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 12, umfassend die folgenden Schrit te:

a) in einer Anlaufphase:
- - Erfassen der Aufnahmeleistung des zu erwärmen den Gefäßes bei einer Taktfrequenz nahe der oberen Grenze (f_max) des Regelungsbereiches;
- - Vergleich der Aufnahmeleistung mit vorgegebe nen, in den Kennfeldern oder Tabellen der Re geleinrichtung enthaltenen Werten zur Unter scheidung zwischen mehreren Gefäßarten, deren Aufnahmeleistungswerte die Daten der Kennfelder oder Tabellen darstellen;
- - Bestimmung, ob eine den Werten der Kennfelder oder Tabellen entsprechende, zulässige Bela stung der Induktionsspule (16, 16') gegeben ist, anderenfalls Abbruch des Erwärmungsvorgangs;
b) in einer Vollastphase:
- - Erwärmung des Gefäßes (18, 18') mit einer vorge gebenen, gefäßspezifischen Leistung.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß sich an die Vollastphase eine Teillast phase mit reduzierter Leistung zum Fertiggaren von Speisen anschließt (Teillastphase 1).

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß sich an die Teillastphase eine weitere Teillastphase mit weiter reduzierter Leistung zum Warmhalten der Speisen anschließt (Teillastphase 2).

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß die Dauer der Vollast phase und der Teillastphasen entsprechend vorgege bener Werte einer in der Regeleinrichtung gespei cherten Tabelle gewählt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß durch die Regeleinrich tung die auf die Induktionsspule (16, 16') zu be aufschlagende Leistung durch Auswahl einer die Halbleiterschalter (T₁, T₂) steuernden Taktfrequenz innerhalb eines vorgegebenen zulässigen Frequenz bereichs bestimmt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, da durch gekennzeichnet, daß die Anfangstemperatur des zu erwärmenden Gefäßes (18, 18') durch die von dem Gefäß aufgenommene Leistung bestimmt wird, wo bei die aufgenommene Leistung mit in den Kennfel dern oder Tabellen gespeicherten gefäßspezifischen Werten verglichen wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, da durch gekennzeichnet, daß der Füllgrad des zu er wärmenden Gefäßes (18, 18') durch den Abfall der von dem Gefäß aufgenommenen Leistung über ein vor bestimmtes Zeitintervall bestimmt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, da durch gekennzeichnet, daß die thermischen Mate rialkenngrößen unterschiedlicher zu erwärmender Gefäßarten (18, 18') empirisch bestimmt werden und in der Form von Kennfeldern und/oder Wertetabellen in der Speichereinheit der Regeleinrichtung abge speichert werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, da durch gekennzeichnet, daß nach der Bestimmung der Art, der Temperatur und des Füllgrades des zu er wärmenden Gefäßes (18, 18') anhand der in einer Ta belle gespeicherten Werte ein in einer weiteren Tabelle gespeicherter Wert als Sollwert für die der Induktionsspule (16, 16') zuzuführenden Lei stung ausgewählt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, da durch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung meh rerer Induktionsspulen (16, 16') die Ausgangssigna le von mit der Regeleinrichtung verbundenen Nähe rungssensoren zur Bestimmung der tatsächlichen An zahl bedeckter Induktionsspulen (16, 16') verwendet werden.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich net, daß die auf die Induktionsspulen (16, 16') zu beaufschlagende Leistung nach Maßgabe des tatsäch lichen Bedeckungsgrades proportional zu diesem re duziert wird.