CN102334382B - 用于控制感应加热烹饪设备的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制感应加热烹饪设备的方法，包括步骤：a)将具有例如50Hz或60Hz的基本频率的电源电流(I_in)转换为频率高于电源电流的基本频率的感应电流(I_W)，b)将感应电流供给到感应加热烹饪设备的至少一个感应器中以产生感应磁场，c)检测落在预先给定的容差范围之外的电源电流或整流的电源电流的实际形状或频谱相对于预定可接受形状或频谱之间的偏差或失真，d)改变感应电流或与感应电流相关的电功率，直到电源电流或整流的电源电流的实际形状或频谱相对于预定形状或频谱之间的偏差或失真重新落入预先给定的容差范围之内。

Description

用于控制感应加热烹饪设备的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于控制感应加热烹饪设备的方法和装置。

背景技术

在感应加热烹饪设备中，产生磁场或感应场以便在被加热的物体中引起涡流，所述被加热的物体导电，并且大部分还具有铁磁性，例如感应加热灶台上的烹饪容器或壶的底部。感应场或磁场由感应发生器产生。首先，来自交流供电系统的交变电流或电压（其为具有两个极性的正弦形并因此具有一个基本频率，典型地，在欧洲为50Hz）通过整流器整流为直流电流或电压（DC），其具有半正弦波，只有一个极性。随后，直流电流或电压通过包括例如晶体管或三端双向可控硅开关的电子开关元件的逆变器进行转换，以便产生具有一个极性的带脉冲的感应电流，其中，脉冲通常例如利用电容器进行电子平滑处理并且具有与电子开关元件及其转换脉冲（在转换接通状态下）的切换频率相应的频率——典型地为10kHz到60kHz（高频感应电流）之间。因此，感应电流包括位于前部低频电流（50Hz）的正弦基本形状或包络线形状内的高切换频率的平滑的高频脉冲。该高频感应电流供应到通常为感应线圈的感应器中并且在其中引起高频磁感应场。将低频电网电流转换为高频感应电流的原因在于，对于相同电功率输入而言，频率越高，感应加热的效率越高。

然而，在感应加热期间，被加热对象尤其是位于感应灶台上的加热烹饪容器或壶中存在一些非线性效应。这种非线性相关性的强度取决于对象的材料和构成。例如，这种非线性相关性存在于由搪瓷钢制成的壶中，而在由铸铁制成的壶中则不太多。另外，感应发生器产生谐波，其由于对象中的上述非线性效应而增大。然而，谐波的强度由法律规定，不可以超过预定的限制。此外，在这种情况下，电源电流以及感应电流的包络线的形状不再是正弦形。换句话说，电源电流和电源电压之间以及感应电流和感应电压之间的相关性为非线性，其产生附加的谐波。由这种非线性关系产生的附加谐波随着功率增加而增大，并且典型地在超过大约3.3kW的功率时超过允许的极限值。

因此，要么将功率保持在3.3kW以下，要么以不同的方式减少谐波，从而允许功率增大。

DE102005028829A1描述了在用于感应加热烹饪设备的感应发生器的电源电压的半波内改变逆变器的开关元件的切换频率的方法。在电源电压过零点处，频率为基值。在位于两个过零点之间的电源电压的半波期间，频率先增大再减小到基本频率。频率发生改变以便获得大体上恒定的阻抗。所述恒定的阻抗使电源电流和电源电压之间具有线性关系，并且感应电流的包络线形状具有正弦波型，并且谐波减小。还可以检测阻抗和控制频率，使得阻抗保持大体上恒定。该已知方法的频率变化提高了感应发生器的功率输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于控制感应加热烹饪设备的感应发生器的改进方法和改进装置。

该目的通过本发明的方法和装置实现。

如本发明的第一方面所述的用于控制感应加热烹饪设备的方法包括步骤

a）将具有例如50Hz或60Hz的电网或市电频率的基本频率的电源电流转换为频率高于电源电流的基本频率的感应电流，例如，10kHz到60kHz之间的高频率，

b）将感应电流供给到感应加热烹饪设备的至少一个感应器中以产生感应磁场，

c）检测落在预先给定的容差范围之外的电源电流或整流的电源电流的实际形状（特别是在时域内的实际形状或随时间变化的实际形状）或频谱（在频域内的频谱或随频率变化的频谱）与预定可接受的形状或频谱之间的偏差或失真，

d）改变感应电流或与感应电流相关的电功率，直到电源电流或整流的电源电流的实际形状或频谱与预定形状或频谱之间的偏差或失真重新落入预先给定的容差范围之内。

如本发明的第二方面所述的用于控制感应加热烹饪设备的装置包括

a）具有变频器和至少一个感应器的感应发生器，其中，变频器将在其输入处具有例如50Hz或60Hz的基本频率的电源电流转换为在其输出处频率高于电源电流的基本频率的感应电流，并且将感应电流供给到至少一个感应器中以产生磁感应场，

c）控制装置，用于：

c1）检测落在预先给定的容差范围之外的电源电流或通过整流器进行整流的电源电流的实际形状或频谱与预定可接受形状或频谱之间的偏差或失真，并且用于：

c2）改变在变频器的输出处的感应电流或者与感应电流相关的电功率，直到电源电流或整流的电源电流的实际形状或频谱与预定形状或频谱之间的检测偏差或失真重新落入预先给定的容差范围之内为止。

本发明是基于如下的构思，即无需在整流前后分析或监视用于感应烹饪设备的电源电流或市电电流，并且根据在先确定的可接受或仍然可接受的形状来检测形状或频谱是否或何时落入预定容差范围之内，特别是是否发生超过预先给定的容差范围的谐波相关性或非线性相关性。本发明还基于如下进一步的构思，即改变或控制感应发生器的感应电流，且其方式使得相对于预定形状或频谱之间的失真或偏差重新落入容差范围之内。换句话说，在一侧的电源电流（整流或未整流）和另一侧的感应电流或感应功率输出之间引入反馈以将谐波的形状或频谱尤其是级别减少或保持在预先给定的容差范围内。

显然，在（直接地）分析或监视电源电流或整流的电源电流的所有替代实施例中，本领域技术人员还可以想到，可替换地，可以分析或监视电源电压或者整流的电源电压，因为它与电源电流或整流的电源电流相关，从而这种实施例同样落入权利要求1的含义和范围之内。

根据本发明的其它实施例可以由从属权利要求获得。

在优选实施例中，电源电流或整流的电源电流特别是通过换流器（或变流器）进行测量和采样，采样的测量值储存并用于表示电源电流或整流的电源电流的实际形状或频谱，或者在转换或分析之后，尤其是在频谱转换或分析例如傅里叶变换（如FFT）或分析之后，用于连同表示预定形状或频谱的储存值一起在检测偏差或失真的所述步骤中获得实际形状或频谱的值。还储存和应用用于比较或确定偏差的相应测量值。

在一个实施例中，通过由具有至少一个切换频率（或驱动频率）的开关装置（例如电子开关）对电源电流或整流的电源电流进行切换而将电源电流转换为感应电流，从而产生感应电流，其中，特别是由电容器使转换脉冲变平滑。

因此，特别是在电源电流或电源电压的半波或半周期期间，由此在整流的电源电压或电源电压的半波但为全周期期间，有可能通过更改或改变切换频率来改变感应电流或与感应电流相关的电功率。特别地，频率在电源电压或电源电流的半波内先增大再减小。

然而，代替改变切换频率，还可以使用其他通过改变感应电流来改变电源电流的形状或频谱的方法，例如，改变开关装置的频宽比，特别是以开关装置被不对称驱动的方式。

感应电流或与感应电流相关的电功率的改变可以以电源电流或与之相关的电源电压的基本频率循环和/或呈周期地执行。

可替换地或者附加地，改变感应电流或与感应电流相关的电功率连续进行。

优选地，感应电流的改变在每个半波内不对称地执行，其中，优选地，在每个全周期内重复进行此循环。

检测偏差或失真，特别是对电源电流或整流的电源电流进行测量和采样优选地在电源电压或整流的电源电压或电源电流或整流的电源电流的周期内进行。

特别地，与感应电流发生器相关的功率在电源电压或电源电流的半波或半周期内在功率基本值附近变化，其方式使得在电源电压或电源电流的过零点处，功率需求高于功率基本值；而在电源电压或电源电流的顶点处，功率需求低于功率基本值。

这种功率变化可以与切换频率变化并行地进行或另外地进行。优选地，同时改变基本频率。

优选地，感应电流或感应功率输出的反馈或改变使得谐波最小，并且功率输出最大，和/或电源电流的形状尽可能靠近正弦形或者电源电流的频谱尽可能靠近一个单个值，即，基本频率，和/或由感应发生器和感应加热烹饪容器在电源电流或电压中引起的谐波强度受到限制并且保持在容许值以下。换句话说，应当获得由烹饪容器产生的非线性相关性的最佳补偿。

特别地，感应加热烹饪设备是感应厨房灶台，也可以是感应烤箱。

根据本发明的方法可以在硬件、软件或硬件和软件的组合中实现。

附图说明

下面将参考附图进一步描述本发明。

图1显示了根据本发明的装置的方框图。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的装置的方框图，其中，交流电源1（或电网、市电电源）提供电源电压U_in和相应的电源电流I_in作为变频器2的输入。电源电压U_in和电源电流I_in（相同地）具有一个单频作为基频，典型地，例如在欧洲为50Hz，在美国为60Hz或者为供船舶或营地使用的400Hz，因此，它们是正弦波形或者正弦时间函数。U_in的电压幅值典型地为大约230V或大约110V。变频器2的输出电流I_W是传至或供应给感应器3的感应电流，所述感应器典型地包括至少一个感应线圈。

感应电流I_W是高频电流，其典型地通过以高的切换频率或驱动频率切换电源电流I_in产生。

在变频器2内部，输入电压信号U_in首先在整流单元2a（例如整流二极管电桥）中整流为包含输入电压信号U_in的正的半波或经整流的半波的电压信号U_h（整流的电源电压）。此后，具有工作（或者切换或驱动）频率f_W的高频感应电流I_w在逆变器单元2b中产生，这例如通过使用半桥式电路或全桥式电路或单极开关中的例如受控半导体或电子开关装置（如晶体管、三端双向可控硅开关、IGBT等）来实现。变频器2的特性受到通过控制线路7连接至变频器2的控制装置4的控制。

此外，控制装置4的信号输入通过信号线路8连接至变流器（或换流器）20的信号输出。变流器20测量交流电源1的输出和变频器2的输入之间的电源电流I_in。控制装置4以预先给定的采样率（例如以10kHz或10kHz左右的采样率）对测量值进行采样，并且通过给定图案、特征值或者频谱分析确定所述电源电流的形状或频谱是否处在与预先给定的可接受的形状或频谱（其对应于预定的可接受谐波水平）足够接近的给定容差之内。如果检测到位于容差范围之外的不可接受的偏差或失真时，电源电流I_in的形状或频谱通过改变变频器2特别是逆变器单元2b的功率输出或感应电流I_W进行改变或调节。

特别地，通过检测电源电流I_in或U_in的过零点并且改变两个后续的过零点之间的工作频率f_W，特别是先增大频率随后减小频率，尤其是从位于过零点的至少一个基值连续地变化到优选地位于最大电源电流或电压处的最大值然后再连续变化回去，可以在电源电流I_in或电源电压U_in的半波期间改变逆变器2b以及感应电流I_W的工作或切换频率f_W。

作为这种频率变化的附加方案或替代方案，在半波期间改变变频器2的功率输出。

为了改变频率，可以改变开关装置的输出信号的频宽比。在开关装置是由脉宽调制信号（pwm信号）驱动的IGBT半桥的情况下，举例来说，可以例如按照不对称地驱动半桥的方式改变驱动IGBT半桥的pwm信号。

参考数字列表

1交流电源

2变频器

2a整流单元

2b逆变器单元

3感应器

4控制装置

7控制线路

8信号线路

20变流器

U_in电源电压

I_in电源电流

I_W感应电流

U_h整流的电源电压

f_W工作频率

Claims (17)

1.一种用于控制感应加热烹饪设备的方法，包括以下步骤：

-将具有基本频率的电源电流转换为频率高于电源电流的基本频率的感应电流，

-将感应电流供给到感应加热烹饪设备的至少一个感应器中以产生感应磁场，以及

-改变感应电流或与感应电流相关的电功率，其特征在于以下步骤，

-检测落在预先给定的容差范围之外的电源电流或整流的电源电流的实际形状或频谱相对于预定可接受形状或频谱之间的偏差或失真，其中

通过检测所述电源电流或电源电压的过零点并且改变两个后续的过零点之间的工作频率而在电源电流或电源电压的半波期间改变感应电流的工作频率，

-分别改变感应电流或与感应电流相关的电功率，直到检测到的电源电流或整流的电源电流的实际形状或频谱相对于所述预定可接受形状或频谱之间的偏差或失真重新落入所述预先给定的容差范围之内。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述基本频率为50Hz或60Hz。

3.如权利要求1所述的方法，其中，对电源电流或整流的电源电流进行测量和采样，将采样的测量值储存并使用所述采样的测量值来表示电源电流或整流的电源电流的实际形状或频谱；或者在转换或分析之后用于连同表示预定形状或频谱的储存值一起在检测偏差或失真的所述步骤中获得用于实际形状或频谱的值。

4.如权利要求3所述的方法，其中在频谱转换或分析之后，采样的测量值用于连同表示预定形状或频谱的储存值一起在检测偏差或失真的所述步骤中获得用于实际形状或频谱的值。

5.如权利要求4所述的方法，所述频谱转换或分析是傅里叶变换或分析。

6.如权利要求1-5之一所述的方法，其中，在将电源电流转换为感应电流的所述步骤中，电源电流或整流的电源电流通过具有至少一个切换频率的开关装置进行切换以产生感应电流，其中，通常地使切换的脉冲变平滑。

7.如权利要求6所述的方法，通常地利用电容器使切换的脉冲变平滑。

8.如权利要求6所述的方法，其中，在改变感应电流或者与感应电流相关的电功率的所述步骤中，将电源电流转换为感应电流的所述步骤中的切换频率改变或变化。

9.如权利要求8所述的方法，其中，将电源电流转换为感应电流的所述步骤中的切换频率在电源电流的半波或半周期期间改变或变化。

10.如权利要求1-5之一所述的方法，其中，改变感应电流或与感应电流相关的电功率的所述步骤以电源电流或与之相关的电源电压的基本频率循环进行。

11.如权利要求1-5之一所述的方法，其中，改变感应电流或与感应电流相关的电功率的所述步骤连续进行。

12.如权利要求3-5之一所述的方法，其中，检测偏差或失真的所述步骤在电源电压或整流的电源电压或电源电流或整流的电源电流的周期内进行。

13.如权利要求12所述的方法，其中，对电源电流或整流的电源电流进行测量和采样的所述步骤在电源电压或整流的电源电压或电源电流或整流的电源电流的周期内进行。

14.如权利要求1-5之一所述的方法，其中，与感应电流发生器相关的功率在电源电压或电源电流的半波或半周期内在功率基本值附近变化，其变化方式使得：在电源电压或电源电流的过零点处，功率需求高于功率基本值，而在电源电压或电源电流的顶点处，功率需求低于功率基本值。

15.一种用于控制感应加热烹饪设备的装置，包括：

-具有变频器和至少一个感应器的感应发生器，其中，变频器将在其输入处具有基本频率的电源电流转换为在其输出处频率高于电源电流的基本频率的感应电流，并且将感应电流供给到所述至少一个感应器中以产生感应磁场，

-与变频器连接的控制装置，用于改变在变频器的输出处的感应电流或者与感应电流相关的电功率，其特征在于，

所述控制装置通过检测所述电源电流或电源电压的过零点并且改变两个后续的过零点之间的工作频率而在电源电流或电源电压的半波期间改变感应电流的工作频率，

所述控制装置还用于检测落在预先给定的容差范围之外的电源电流或通过整流器进行了整流的电源电流的实际形状或频谱相对于预定可接受形状或频谱之间的偏差或失真，其中

分别改变在变频器的输出处的感应电流或者与感应电流相关的电功率，直到检测到的电源电流或整流的电源电流的实际形状或频谱相对于所述预定可接受形状或频谱之间的偏差或失真重新落入预先给定的容差范围之内为止。

16.如权利要求15所述的装置，所述基本频率为50Hz或60Hz。

17.如权利要求15所述的装置，包括用于测量电源电流或整流的电源电流的至少一个电源电流转换器，所述控制装置连接至所述电源电流转换器的输出以接收测量信号或测量值。