DE4104677A1 - Verfahren zur automatischen leistungsanpassung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automati­ schen Leistungsanpassung einer Heizeinrichtung für einen Elektroherd mit einem unterhalb einer Glas-Keramikplatte angeordneten, elektrisch gespeisten Heizkörper und mit einem Überhitzungsschalter zum Unterbrechen der Energie­ zufuhr beim Erreichen einer oberen Grenztemperatur und zum Wieder-Einschalten der Energiezufuhr beim Erreichen einer unteren Grenztemperatur.

Eine derartige Heizeinrichtung ist z. B. durch Fig. 1 und den zugehörigen Beschreibungsteil des DE-GM 88 10 596 bekannt geworden. Die bekannte Bauart zeigt einen unter der Glas-Keramikplatte angeordneten elektrischen Strah­ lungsheizkörper mit vier Heizelementen in Form von Infra­ rot-Strahlern. Die Heizelemente sind in einer Schale aus Metall angeordnet, die eine Grundschicht aus thermisch und elektrisch isolierendem Material aufweist. Als Überhit­ zungsschalter dient ein Schalter vom Bimetalltyp oder ein Schalter mit zwei Elementen mit unterschiedlichen Wärme­ ausdehnungskoeffizienten. Der Heizkörper erzeugt in Betrieb einen Wärmestrom, der durch Strahlung, Wärme­ leitung und Konvektion über die Glas-Keramikplatte auf einen auf der Platte stehenden Kochtopf übertragen wird. Wird vom Heizkörper mehr Energie abgegeben als vom Koch­ topf aufgenommen werden kann, so steigt die Temperatur der Glas-Keramikplatte so lange an, bis sich ein Gleichgewicht der Wärmeströme einstellt. Aus Sicherheitsgründen soll die Temperatur der Glas-Keramikplatte einen bestimmten Grenz­ wert nicht überschreiten. Der Überhitzungsschalter unter­ bricht die Zufuhr der elektrischen Energie, wenn dieser Grenzwert überschritten wird. In der Praxis führt dies, insbesondere bei einem schlechten Wärmeübergang zwischen der Glas-Kermikplatte und dem Kochtopf, zu häufigem Ein­ und Ausschalten des Heizkörpers. Dies führt zu starken Temperaturschwankungen insbesondere der Heizelemente und der Glaskeramik. Die relativ hohe Leistungsaufnahme, insbesondere beim Einschalten nach einer Abkühlphase, ergibt überdies eine hohe Netzrückwirkung. Weiterhin kann der optische Eindruck des häufigen Abschaltens durch den Überhitzungsschalter negativ wirken.

Durch das bereits genannte DE-GM 88 10 596 ist eine weitere Bauart bekannt geworden, bei der der Überhitzungs­ schalter beim Erreichen der Grenztemperatur die Energie­ zufuhr nicht unterbricht, sondern auf ein niedrigeres Leistungsniveau zurückschaltet. Nach einer gewissen Zeit, wenn die untere Grenztemperatur erreicht wird, erfolgt dann ein erneutes Hochschalten auf das ursprüngliche Leistungsniveau. Diese unterschiedlichen Leistungsniveaus können z. B. dadurch erreicht werden, daß verschiedene Heizelemente entweder parallel oder in Serie geschaltet werden. Des weiteren können unterschiedliche Leistungs­ niveaus des Heizkörpers dadurch erhalten werden, daß dieser mit einer geeigneten Steuereinrichtung, z. B. einem Energieregler oder einem elektronischen Phasensteuergerät oder einem Regler für das Impulstastverhältnis verbunden wird. Auch bei dieser bekannten Bauart wird dauernd zwischen den beiden verschiedenen Leistungsniveaus hin und her geschaltet. Hierbei erfolgt der Abkühlprozeß nach dem Umschalten von dem höheren auf das niedrigere Leistungs­ niveau zwar langsamer, so daß das Hin- und Herschalten in größeren Abständen erfolgt. Die oben genannten Nachteile können jedoch auch bei dieser Bauart nur teilweise gemindert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vom Heiz­ körper abgegebenen Wärmestrom besser an den Wärmestrom anzupassen, der - bei gegebener Grenztemperatur der Glas-Keramikplatte - auf den Kochtopf übertragen werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Energiezufuhr für das Heizgerät in einem Näherungs­ verfahren (fortlaufend) so dosiert geändert wird, daß im Normal-Betriebszustand die obere Grenztemperatur gerade nicht erreicht bzw. überschritten wird. Mit diesem Verfahren wird somit eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Leistungsfreigabe für den Heizkörper erreicht, wodurch das bei den bekannten Vefahren übliche dauernde Hin- und Herschalten während des gesamten Koch­ vorganges vermieden wird. Bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren erfolgt ein Hin- und Herschalten, wenn überhaupt, dann nur in der Anfangsphase, bis die für den Kochtopf erforderliche und durch die Glas-Keramikplatte übertrag­ bare Heizleistung durch das Näherungsverahren festliegt. Nach einem oder mehrmaligem Ansprechen des Überhitzungs­ schalters wird dabei die Heizleistung erreicht, bei der der vom Heizkörper an die Glas-Keramikplatte abgegebene Wärmestrom praktisch gleich ist dem vom Kochtopf auf­ genommenen Wärmestrom. Damit ist es möglich, kontinuier­ lich, d. h. ohne daß der Überhitzungsschalter anspricht, die größtmögliche Energie auf den Kochtopf zu übertragen, und zwar nur so viel, wie vom Kochtopf aufgenommen werden kann.

Um eine kontinuierliche Energiezufuhr zu erreichen, ohne daß der Überhitzungsschalter im Dauerbetrieb dauernd hin und her schaltet, wird in einer bevorzugten Ausführungs­ form vorgeschlagen, daß die Zeit, die zwischen dem Abschalten beim Erreichen der oberen Grenztemperatur und dem Wieder-Einschalten beim Erreichen der unteren Grenz­ temperatur vergeht (Abkühlzeit), gemessen wird, daß ent­ sprechend dieser Zeitdauer eine niedrigere Leistungsstufe ausgewählt und eingestellt wird und daß dieser Vorgang so lange wiederholt wird, bis die Temperatur durch Einstellen einer entsprechenden Leistungsstufe kurz unterhalb der oberen Grenztemperatur verbleibt. Nach dem Abkühlen der Glas-Keramikplatte wird der Heizkörper somit mit einer Leistung betrieben, die, je nach Art und Inhalt des Koch­ topfes, um eine oder mehrere Leistungsstufen geringer ist als die durch die Bedienungselemente eingestellte Leistung. Die genannte Abkühlzeit, d. h. die Zeit, die zwischen dem Abschalten und dem Wieder-Einschalten durch den Überhitzungsschalter vergeht, ist ein Maß für den maximalen Wärmestrom, den der Kochtopf kontinuierlich aufnehmen kann, ohne daß die Grenztemperatur des Heiz­ systems überschritten wird. Die dieser Abkühlzeit entspre­ chende Leistungsstufe wird automatisch ausgewählt, wodurch die dem Heizkörper zugeführte Leistung entsprechend verringert wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vor­ gesehen werden, daß zusätzlich zu der genannten Abkühlzeit diejenige Zeit ermittelt wird, die zwischen dem Wieder-Einschalten nach Ablauf der Abkühlzeit und dem erneuten Abschalten beim Erreichen der oberen Grenz­ temperatur vergeht. Aus diesen Zeiten kann mit einer noch höheren Genauigkeit dann die Leistung ermittelt werden, mit der der Heizkörper nach dem Wieder-Einschalten betrieben werden soll.

Bei einem Wechsel des Kochtopfes oder bei einem Hinzufügen von kaltem Gargut ändert sich die erforderliche Leistung und damit der von dem Heizkörper zu liefernde Wärmestrom. Zur automatischen Anpassung an derartige Veränderungen wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vor­ geschlagen, daß die dem Heizkörper zugeführte Leistung um mindestens eine Stufe erhöht wird, wenn der Überhitzungs­ schalter während eines bestimmten, einstellbaren Zeit­ raumes nicht angesprochen hat. Damit kann die Leistung den geänderten Verhältnissen automatisch angepaßt werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann in vorteilhafter Weise auch angewendet werden, um zwischen einem sach­ gemäßen Betrieb (Kochen mit Topf) und einem unsachgemäßen Betrieb (freie Abstrahlung) zu unterscheiden. Dazu wird die Energiezufuhr völlig abgeschaltet, wenn die beim Abkühlen und Wieder-Aufheizen ermittelten Meßwerte außerhalb des Normalbetriebes liegen.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der beim Aufheizen und beim Ein- und Ausschal­ ten des Überhitzungsschalters entstehenden Meßwerte ein mit dem Überhitzungsschalter zusammenwirkendes, mikro­ prozessor-gesteuertes Leistungssteuergerät vorgesehen ist. Dieses Gerät ist so aufgebaut und über den Überhitzungs­ schalter mit dem Heizkörper verbunden, daß alle beim Einschalten der Energie und beim Schalten des Überhit­ zungsschalters entstehenden Signale sofort erfaßt und an den Mikroprozessor gemeldet werden. Dieser Mikroprozessor ist so aufgebaut und geschaltet, daß die ihm übermittelten Daten entsprechend den oben genannten Verfahrensschritten ausgewertet und verarbeitet werden.

Ein großer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß für die Heizeinrichtung des Herdes selbst keine neuen, zusätz­ lichen Bauteile erforderlich sind. So kann insbesondere der ohnehin vorhandene Überhitzungsschutzschalter problem­ los mit dem Leistungssteuergerät gekoppelt bzw. verschal­ tet werden.

In der Zeichnung ist in den Fig. 1 bis 3 ein Ausführungs­ beispiel des Gegenstandes gemäß der Erfindung in Form von Schaltbildern und Diagrammen dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Heiz­ einrichtung in Form eines Blockschaltbildes,

Fig. 2 zeigt ein Temperaturdiagramm in Abhängigkeit von der Zeit, und

Fig. 3 zeigt ein zugehöriges Leistungsdiagramm in Abhän­ gigkeit von der Zeit.

Fig. 1 zeigt eine Glas-Keramikplatte 10 eines durch 11 angedeuteten Elektroherdes. Unterhalb der Glas-Keramik­ platte 10 befindet sich ein als Strahlheizkörper ausgebil­ deter Heizkörper 12, der über eine mikroprozessor-gesteu­ erte Leistungssteuereinheit 13 mit Energie versorgt wird. Mit 14 ist ein Überhitzungsschalter bezeichnet, der beim Erreichen einer kritischen Grenztemperatur ϑ1 der Glas-Keramikplatte 10 betätigt wird und die Energie­ versorgung unterbricht. Dieser Schalter 14 wird betätigt von einem als Stabausdehnungsfühler ausgebildeten Sensor 15, der nahe der Glas-Keramikplatte 10 angeordnet ist.

Im Normal-Betriebszustand ist der Schalter 14 geschlossen, so daß beim Einschalten des Herdes der Heizkörper 12 mit Energie versorgt und die Glas-Kermaikplatte 10 aufgeheizt wird. Wenn der der Glas-Keramikplatte zugeführte Wärme­ strom großer als der von einem auf der Platte stehenden Kochtopf und der Umgebungsluft abgeführte Wärmestrom, so wird die Platte 10 bis zu ihrer Grenztemperatur ϑ1 erhitzt, der Sensor 15 dehnt sich aus und öffnet den Schalter 14 (siehe gestrichelte Darstellung). Dadurch wird die Energiezufuhr unterbrochen, und die Platte 10 kühlt sich bis auf eine untere Grenztemperatur ϑ2 ab (Fig. 2). Gleichzeitig damit kehrt auch der Fühler 15 nach Ablauf einer Zeit T1 in seine Ausgangslage zurück und schließt damit wieder den Schalter 14, so daß erneut Energie zugeführt wird. Dieses Spiel wiederholt sich, solange die Grenztemperatur ϑ1 der Glas-Keramikplatte 12 erreicht bzw. überschritten wird.

Fig. 2 zeigt den Temperaturverlauf an der Glas-Keramik­ platte 10 in Abhängigkeit von der Zeit. Mit ϑ1 ist die obere Grenztemperatur bezeichnet, bei der der Schalter 14 durch den Sensor 15 geoffnet wird, und mit ϑ2 die untere Grenztemperatur, bei der der Schalter 14 durch den Sensor 15 wieder geschlossen wird. In dem vorliegenden Beispiel steigt die Temperatur nach Einschalten der Energiezufuhr des Herdes bis zum Erreichen der oberen Grenztemperatur ϑ1 an. Der entsprechende Kurvenverlauf ist mit a bezeichnet. Die für diesen Abschnitt zugeführte Leistung ist aus Fig. 3 erkennbar und z. B. mit Leistungsstufe 6 bezeich­ net. Nach Erreichen der Grenztemperatur ϑ1 wird die Energiezufuhr durch Öffnen des Schalters 14 unterbrochen, und die Temperatur fällt gemäß dem Kurvenverlauf b in Fig. 2 bis zum Erreichen der unteren Grenztemperatur ϑ2 ab. Bei Erreichen dieses Punktes wird der Schalter 14 wieder geschlossen, und es erfolgt eine erneute Energie­ zufuhr entsprechend dem Kurvenverlauf c. Die Zeit T1, die zwischen dem Abschalten und dem Wieder-Einschalten durch den Überhitzungsschalter 14 vergeht, ist ein Maß für den maximalen Wärmestrom, den der auf der Glas-Keramikplatte 10 stehende Kochtopf kontinuierlich aufnehmen kann, ohne daß die Grenztemperatur ϑ1 des Heizsystems überschritten wird. Der Mikroprozessor in der Leistungssteuereinheit 13 wählt diejenige Leistungsstufe aus, die dem genannten Wärmestrom entspricht, und reduziert die dem Heizkörper 12 zugeführte Leistung entsprechend, im vorliegenden Beispiel wird für den Kurvenverlauf c in Fig. 2 die reduzierte Leistungsstufe 4 eingeschaltet. Im vorliegenden Beispiel ist auch diese Leistungsstufe noch zu groß, da im Zeit­ punkt t3 erneut die Grenztemperatur ϑ1 erreicht und die Energiezufuhr erneut unterbrochen wird. Nach der Abkühl­ zeit T3 erfolgt dann im Zeitpunkt t4 ein erneutes Schließen des Schalters 14 und eine erneute Energiezufuhr entsprechend der Leistungsstufe 3. Zur Ermittlung dieser Leistungsstufe 3 ermittelt und verarbeitet der Mikro­ prozessor nicht nur die Abkühlzeit T3, sondern zusätzlich auch die Zeit T2, die zwischen dem Wieder-Einschalten im Punkt t2 und dem erneuten Abschalten im Punkt t3 vergeht.

Entsprechend dem Kurvenverlauf e in Fig. 2 ist nunmehr die Heizleistung erreicht, bei der der vom Heizkörper 12 an die Glas-Keramikplatte 10 abgegebene Wärmestrom praktisch gleich ist dem vom Kochtopf aufgenommenen Wärmestrom. Das kurzzeitige Ein- und Ausschalten zu Beginn des Vorganges ist somit übergegangen in einen stetigen Heizbetrieb. Je nach Einzelfall kann dieser stetige Zustand bereits nach der ersten Abkühlzeit T1 erreicht werden.

Wenn während des Normalbetriebes entsprechend dem Kurven­ verlauf e in Fig. 2 z. B. zusätzliches kaltes Gargut in den Kochtopf eingeführt wird oder wenn der Kochtopf gewechselt wird, so hat dies auf die Energiezufuhr entsprechend dem Kurvenverlauf e keinen Einfluß, weil der Schalter 14 weiter geschlossen bleibt. In diesem Falle wäre aber die tatsächlich zugeführte Energie nicht ausreichend für den vergrößerten Energiebedarf. Um auch diese Verhältnisse zu erfassen, ist vorgesehen, daß der Mikroprozessor die dem Heizkörper 12 zugeführte Leistung um z. B. eine Stufe erhöht, wenn der Schalter 14 während eines bestimmten Zeitraumes nicht mehr angesprochen hat. Die Leistung kann so den geänderten Verhältnissen angepaßt werden.

Die von dem Mikroprozessor ermittelten Werte bzw. Para­ meter können dazu herangezogen werden, um zwischen sach­ gemäßem Betrieb (Kochen mit Topf) und unsachgemäßgem Be­ trieb (freie Abstrahlung) zu unterscheiden. Im Falle des unsachgemäßen Betriebes wird die gesamte Leistungszufuhr abgestellt (Sicherheits- und Energiespareffekt).

Es ist auch möglich, mit den genannten Parametern die Topfgüte zu ermitteln. Dies kann dann z. B. dem Benutzer über ein Display mitgeteilt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur automatischen Leistungsanpassung einer Heizeinrichtung fur einen Elektroherd mit einem unterhalb einer Glas-Keramikplatte (10) angeordneten, elektrisch gepeisten Heizkörper (12) und mit einem Überhitzungs­ schalter (14) zum Unterbrechen der Energiezufuhr beim Erreichen einer oberen Grenztemperatur (ϑ1) und zum Wieder-Einschalten der Energiezufuhr beim Erreichen einer unteren Grenztemperatur (ϑ2), dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr in einem Näherungsverfahren fortlaufend so dosiert geändert wird, daß im Normalbetrieb die obere Grenztemperatur (ϑ1) gerade nicht erreicht bzw. über­ schritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit (T1), die zwischen dem Abschalten beim Erreichen der oberen Grenztemperatur (ϑ1) und dem Wieder-Einschalten beim Erreichen der unteren Grenztemperatur (ϑ2) vergeht (Abkühlzeit T1), gemessen wird, daß entsprechend dieser Zeit (T1) eine niedrigere Leistungsstufe (4) ausgewählt und eingestellt wird und daß dieser Vorgang so lange wiederholt wird, bis die Temperatur durch Einstellen einer entsprechenden Leistungsstufe (3) kurz unterhalb der Grenztemperatur (ϑ1) verbleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zusätzlich zu der Abkühlzeit (T1) diejenige Zeit (T2) ermittelt wird, die zwischen dem Wieder-Einschalten beim Erreichen der unteren Grenztemperatur (ϑ2) und dem erneuten Abschalten beim Erreichen der oberen Grenz­ temperatur (ϑ1) vergeht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Heizkörper (12) zugeführte Leistung um mindestens eine Stufe erhöht wird, wenn der Überhitzungsschalter (14) während eines bestimmten ein­ stellbaren Zeitraumes nicht angesprochen hat.

5. Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der beim Anheizen und/oder beim Ein- und Ausschalten des Überhitzungsschalters (14) entstehenden Meßwerte bzw. Parameter ein mit dem Überhitzungsschalter (14) zusammenwirkendes, mikroprozessor-gesteuertes Leistungssteuergerät (13) vorgesehen ist.