DE102022202805A1

DE102022202805A1 - Verfahren zum Betrieb eines Induktionskochfelds und Induktionskochfeld

Info

Publication number: DE102022202805A1
Application number: DE102022202805.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Egenter; Elmar Herweg; Stephane Lomp
Original assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Current assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-09-28
Also published as: KR20230140512A; EP4250873A1; CN116801436A; US20230309203A1

Abstract

Zum Betrieb eines Induktionskochfeld mit einer Kochfeldplatte, mindestens zwei Induktionsheizspulen darunter, einer Kochfeldsteuerung, und einem Leistungsteil für eine Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen werden die beiden Induktionsheizspulen gemeinsam mit Leistung versorgt und mit jeweils einem Leistungsdichtespektrum mit genau einem Maximum betrieben. In einem ersten Betriebsmodus werden die Leistungsdichtespektren gemessen, und es wird festgestellt, wie ihre jeweiligen Maxima zueinander liegen, und es wird deren Summe gebildet. Dann wird der Unterschied in der Leistungsdichte zwischen einem lokalen Minimum der Summe, das zwischen den zwei Maxima der Summe liegt, und den zwei Maxima der Summe reduziert. Dazu werden die Einschaltzeit und/oder die Ausschaltzeit mindestens eines der Leistungsschalter variiert, um das Leistungsdichtespektrum der Leistungsversorgung aktiv zu ändern.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Induktionskochfelds sowie ein zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildetes Induktionskochfeld, wobei eine entstehende Geräuschentwicklung möglichst gering sein soll.
Aus der WO 2016/010492 A1 ist ein Induktionskochfeld bekannt, das eine Kochfeldplatte und darunter eine Vielzahl von Induktionsheizspulen aufweist. Des Weiteren sind eine Kochfeldsteuerung und ein Leistungsteil für eine Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen vorgesehen, das mehrere Leistungsschalter aufweist. Zur Verhinderung ungewünschter Geräusche als sogenanntes Rauschen aufgrund bestimmter Frequenzen zu deren Betrieb ist ein L-C-Filter vorgesehen. Des Weiteren wird beim Betrieb von mehreren Induktionsheizspulen versucht, eine gemeinsame Schaltfrequenz zu finden.
AUFGABE UND LÖSUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie ein eingangs genanntes Induktionskochfeld zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik gelöst werden können und es insbesondere möglich ist, eine Geräuschentwicklung beim Betrieb eines solchen Induktionskochfelds, insbesondere mit mehreren Induktionsheizspulen, die nebeneinander angeordnet sind, zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Induktionskochfeld mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für das Verfahren oder nur für das Induktionskochfeld beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch für ein solches Induktionskochfeld selbständig und unabhängig voneinander gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Das Induktionskochfeld weist eine Kochfeldplatte und mindestens zwei Induktionsheizspulen darunter auf. Vorteilhaft ist es eine größere Anzahl von Induktionsheizspulen, vorzugsweise sechs, acht oder bis zu zwanzig Induktionsheizspulen. Des Weiteren weist das Induktionskochfeld eine Kochfeldsteuerung auf, insbesondere mit einer Anzeige und einer Bedieneinrichtung für eine Bedienperson, sowie ein Leistungsteil, mit dem eine Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen erfolgt. Das Leistungsteil wird von der Kochfeldsteuerung angesteuert und weist mehrere Leistungsschalter auf, die wiederum mittels Parametern wie Einschaltzeit und/oder Ausschaltzeit angesteuert werden können. Dies kann auf bekannte Art und Weise erfolgen. Das Leistungsteil kann an eine Netzspannung angeschlossen und dazu ausgebildet sein, mittels der genannten Leistungsschalter aus der Netzspannung eine höherfrequente Ansteuerspannung für die Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen zu erzeugen.
Durch Verkopplungen über eine gemeinsame Zwischenkreisspannung oder durch das Magnetfeld der Induktoren kommt es zu Interferenzen zwischen den Leistungsdichtespektren der verkoppelten Induktionsheizspulen. Überlappen sich die Leistungsspektren ohne ausgeprägtes Minimum, so kommt es zu breitbandigem Interferenzrauschen, was gewöhnlich als nicht störend von einem Benutzer wahrgenommen wird. Weisen die Leistungsdichtespektren hingegen ein ausgeprägtes lokales Minimum zwischen sich auf, so fehlen Frequenzbereiche im Spektrum der hörbaren Interferenz, was von einem Benutzer gewöhnlich als ein störendes, unangenehmes Geräusch empfunden wird. Liegen die Maxima der Leistungsdichtespektren der Induktionsheizspulen mehrere kHz voneinander entfernt, gibt es keine niederfrequenten Interferenzen.
Das menschliche Gehör ist besonders sensitiv für Schalldruckpegel im Bereich unter 1 kHz bis 5 kHz. Schmalbandige Geräusche werden als intensiver empfunden als breitbandige Geräusche. Das Fehlen von Frequenzen in einem ansonsten breitbandigen Rauschen wird subjektiv ebenfalls als störend empfunden.
Erfindungsgemäß werden die Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung der mindestens zwei Induktionsheizspulen abgeschätzt oder gemessen, die gleichzeitig betrieben werden sollen. Sie können für jeweils unterschiedliche auf die Kochfeldplatte aufgestellte Kochgefäße vorgesehen sein, möglicherweise auch für dasselbe. In diesem Fall können sie gemeinsam mit weiteren Induktionsheizspulen die beiden aufgestellten Kochgefäße beheizen. Jedes der Leistungsdichtespektren weist dabei ein Maximum auf, insbesondere genau ein einziges Maximum. Dann werden in einem ersten Betriebsmodus die Einschaltzeit und/oder die Ausschaltzeit mindestens eines der Leistungsschalter variiert, um so das Leistungsdichtespektrum der Leistungsversorgung mindestens einer Induktionsheizspule, insbesondere genau einer einzigen Induktionsheizspule, aktiv zu ändern, dass sich die zwei Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung mehr überlappen bzw. dass die zwei Maxima näher zueinander kommen und somit einen geringeren Abstand bzw. einen geringere Frequenzunterschied dazwischen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann eine resultierende Summe der zwei Leistungsdichtespektren gebildet werden.
Dies ist relativ einfach durchzuführen. Dann wird der Unterschied in der Leistungsdichte zwischen einem lokalen Minimum der Summe, das zwischen den zwei Maxima der Summe liegt, und den zwei Maxima der Summe reduziert. Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass die zwei Leistungsdichtespektren näher zueinander verschoben werden, insbesondere das Leistungsdichtespektrum mit dem Maximum bei der höheren Frequenz zu niedrigeren Frequenzen hin verschoben wird. Dadurch wird automatisch das dazwischen liegende Minimum der Leistungsdichte der resultierenden Summe angehoben.
Dadurch kann also erreicht werden, dass das Minimum oder ein Frequenzrückgang zwischen den beiden Maxima geringer wird. Je geringer der Unterschied zwischen dem Minimum zu den Maxima wird, desto geringer wird eine Geräuschentwicklung, wie sich im Rahmen der Erfindung gezeigt hat. Der Unterschied des Minimums im Vergleich zu einem der Maxima sollte dabei maximal 40 dB und vorteilhaft weniger betragen, vorzugsweise maximal 20 dB. Besonders vorteilhaft betragen sie minimal 5 dB oder 10 dB, so dass sie eine gewisse relevante Größe haben. Eine resultierende Summe der mindestens zwei unterschiedlichen Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung wird gebildet mit einem lokalen Minimum der Kurve der Summe, das zwischen den zwei Maxima der Summe liegt. Dabei wird mindestens eines der Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung aktiv so verändert wie vorbeschrieben bzgl. der Differenz.
Grundsätzlich ist es möglich, nur eines der beiden Leistungsdichtespektren, also in einer Leistungsversorgung für nur eine der Induktionsheizspulen, zu verändern. Alternativ können auch beide verändert werden, insbesondere zueinander hin. Bei üblichen Arbeitspunkten von Induktionsheizspulen kann die Leistungsabgabe durch niedrigere Frequenzen, also längerer Summe von Ein- plus Ausschaltzeit, erhöht werden. Durch gleichzeitiges Reduzieren der Einschaltzeit kann die Leistung wieder reduziert werden, so dass durch Balance beider Maßnahmen die Leistung in etwa konstant bleiben kann. Durch Wobbeln, also eine periodische Variation der Frequenz, entsteht ein Leistungsdichtespektrum, das beispielsweise durch Messen des Stromverlaufs durch eine Induktionsheizspule bzw. des Spannungsverlaufs am Resonanzkondensator über eine Wobbelperiode bestimmt werden kann.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, in dem genannten ersten Betriebsmodus die Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung derart aktiv zu verändern, dass resultierend zwischen den zwei Maxima kein lokales Minimum der Leistungsdichtespektren mehr vorhanden ist. Dazu kann vorgesehen sein, dass die beiden Maxima höchstens 10% unterschiedlich sind, vorteilhaft gleich groß oder ähnlich sein sollen, oder ihr Unterschied zueinander ist kleiner als die Differenz zu dem lokalen Minimum. Somit kann also eine Frequenzverschiebung unter Umständen derart erfolgen, dass die beiden Maxima identisch sind.
Es ist möglich, dass die beiden Induktionsheizspulen gemeinsam mit Leistung versorgt werden und dabei eben mit jeweils einem Leistungsdichtespektrum mit jeweils genau einem einzigen Maximum betrieben werden, wie zuvor erläutert worden ist. Die Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung für die beiden Induktionsheizspulen werden gemessen oder geschätzt, um festzustellen, ob sich die beiden Leistungsdichtespektren jeweils überschneiden bzw. wie diese beiden Leistungsdichtespektren in Bezug auf ihr jeweiliges Maximum zueinander liegen. Dann kann eine Fallunterscheidung in zwei Fälle vorgenommen werden.
In einem ersten Fall liegen die zwei Leistungsdichtespektren so, dass die beiden Maxima um mehr als 5 kHz weit auseinanderliegen, insbesondere um mehr als 2 kHz. Dabei wird die Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen nicht geändert. Dann wird davon ausgegangen, dass eine Geräuschentwicklung nicht zu groß bzw. nicht sehr störend ist.
In einem zweiten Fall liegen die beiden Maxima näher zueinander, so dass die beiden Maxima nicht mehr als 5 kHz weit auseinanderliegen, sondern weniger, insbesondere um nicht mehr als 2 kHz. Dabei sollten sie aber auch nicht identisch sein. In dem gemeinsamen Leistungsdichtespektrum bzw. in der vorgenannten Summe der beiden Leistungsdichtespektren entstehen dann ein lokales Minimum oder eine Frequenzverringerung zwischen den beiden Maxima. Dabei entsteht nur ein einziges lokales Minimum. Dann wird in diesem zweiten Fall die Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen verändert, und für mindestens ein Leistungsdichtespektrum wird ein sogenannter Wobble erzeugt, wie zuvor genannt, wozu die Parameter Einschaltzeit und/oder Ausschaltzeit mindestens eines der Leistungsschalter verändert werden, vorzugsweise periodisch verändert werden. Ein solches Wobbeln ist bekannt aus der EP 1734789 A1 , auf die hiermit explizit verwiesen wird. Als Wobbeln wird das periodische bzw. wiederkehrende Verändern der Frequenz eines Oszillators oder Schwingkreises über einen einstellbaren Bereich angesehen, manchmal für Messzwecke benutzt, hier aber einfach zur Variation. Dadurch soll erreicht werden, dass sich die Leistungsdichtespektren samt ihren Maxima so verändern, um eine Frequenzverringerung bzw. ein Minimum dazwischen zu vermeiden, dass ihr Verhältnis zueinander in Bezug auf ihr jeweiliges Maximum dem ersten Fall entspricht. Bei dieser Ausgestaltung kann allgemein vorgesehen sein, dass ein Minimum sich dadurch definiert, dass es mindestens 20% unterhalb des Maximums oder eines der beiden Maxima liegt, vorzugsweise mindestens 40% darunter.
In möglicher Ausgestaltung der Erfindung kann eine aktive Änderung der Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen im genannten zweiten Fall so erfolgen, dass eine Änderung von einer einzigen höheren Frequenz zu einer einzigen niedrigeren Frequenz erfolgt. So kann eine gemessene Frequenzverringerung bzw. ein Minimum verringert und/oder beseitigt werden.
In vorteilhafter möglicher Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der vorgenannte erste Fall auch dann noch als vorliegend angesehen wird, wenn die Maxima der zwei Leistungsdichtespektren mehr als 2 kHz bis zu 4 kHz auseinanderliegen, die Frequenzdifferenz also so groß ist. Bei derart geringen Differenzen zwischen den Maxima kann das Verändern eines der Leistungsdichtespektren eingespart werden. Erfahrungsgemäß sind dann keine nennenswerten Geräuschentwicklungen zu befürchten.
In einer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verfahren für drei Induktionsheizspulen verwendet wird, also drei Induktionsheizspulen betrieben werden, die benachbart zueinander angeordnet sind ohne weitere Induktionsheizspulen dazwischen, also direkt benachbart. Die Parameter von den für sie vorgesehenen bzw. verwendeten Leistungsschaltern werden entsprechend variiert, so dass sich keine Maxima ergeben, die mehr als 5 kHz weit auseinanderliegen mit einer Frequenzverringerung oder mit einem Minimum zwischen den Maxima. Hierzu werden dann eben drei Maxima relativ zueinander betrachtet.
In Weiterbildung der Erfindung kann eine aktive Änderung der Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen im zweiten Fall eine Änderung des Leistungsdichtespektrums der mit der höherfrequenten Ansteuerung betriebenen Induktionsheizspule von höheren Frequenzanteilen hin zu niedrigeren Frequenzanteilen derart sein, dass das lokale Minimum bezogen auf zwei Maxima der resultierenden Summe verringert und/oder beseitigt wird. So wird ein einfaches und praxistaugliches Verfahren erreicht.
In Weiterbildung der Erfindung kann zusätzlich ein vorgegebener Sollwert für die Leistung für die Induktionsheizspule geändert werden. Vorzugsweise beschränkt man die Änderung des Sollwerts für die Leistung auf weniger als 15%, da eine kleine Änderung von einem Benutzer zumeist nicht als relevant wahrgenommen wird. Eine Kochfeldsteuerung kann die Leistung einer Induktionsheizspule auch stärker reduzieren, wenn die Geräuschoptimierung vorrangig gegenüber der Leistungsgenauigkeit bewertet wird. So kann erreicht werden, dass sich die Leistungsdichtespektren derart überlappen, dass sie dem ersten Fall entsprechen. Dies sollte vorteilhaft aber erst nach anderen Einflussmöglichkeiten vorgenommen werden, also beispielsweise, wenn diese einen zu geringen Effekt erreichen. Eine Änderung der Leistung an mindestens einer der Induktionsheizspulen ist schon ein gewisser Eingriff in den Betrieb der Induktionsheizspulen, der unter Umständen störender ist als eine Geräuschentwicklung. Falls eine Änderung der Leistung an einer der Induktionsheizspulen erfolgt, so sollte dies bei der Induktionsheizspule mit dem höheren Sollwert der Leistung erfolgen, deren Leistung also reduziert werden, so dass die Frequenzdifferenz zwischen den zwei Maxima dem ersten Fall entspricht. Dies ist weniger gefährlich bzw. kritisch als eine Erhöhung der Leistung bei der anderen Induktionsheizspule.
In Ausgestaltung der Erfindung können die mindestens zwei Induktionsheizspulen benachbart zueinander angeordnet sein, insbesondere ohne eine weitere Induktionsheizspule dazwischen, wobei vorzugsweise die mindestens zwei Induktionsheizspulen rechteckig oder mehreckig ausgebildet sind. Sie können mit mindestens einer Seite bzw. Längsseite nebeneinander und in etwa parallel zueinander verlaufen. Bevorzugt sind die mindestens zwei Induktionsheizspulen identisch ausgebildet, besonders bevorzugt sind alle Induktionsheizspulen eines Induktionskochfelds identisch ausgebildet.
Vorteilhaft werden mit dem Verfahren drei Induktionsheizspulen betrieben, die benachbart zueinander angeordnet sind ohne weitere Induktionsheizspule dazwischen. Dabei werden die Parameter von deren Leistungsschaltern entsprechend variiert, so dass die Maxima der drei Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung der drei Induktionsheizspulen nicht mehr als 5 kHz weit auseinanderliegen, wobei jeweils genau ein lokales Minimum zwischen jeweils zwei Maxima der drei Maxima liegt.
In Weiterbildung der Erfindung kann die Bestimmung der Leistungsdichtespektren durch Messung der Spannung eines zur Induktionsheizspule parallel geschalten Kondensators oder durch Messung des Stroms durch die Induktionsheizspule erfolgen. Dies ist praxistauglich durchführbar.
Das erfindungsgemäße Induktionskochfeld ist also ausgebildet wie zuvor beschrieben und weist ein vorgenanntes Leistungsteil und eine Kochfeldsteuerung auf, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind. So können die Leistungsdichtespektren überwacht und nach Durchführung der beschriebenen Fallunterscheidung ggf. beeinflusst werden.
Das Leistungsteil weist einen Parallelschwingkreis mit mindestens einem Leistungsschalter auf, der insbesondere ein Transistor oder ein IGBT sein kann. Dabei ist das Leistungsteil für einen Betrieb des mindestens einen Leistungsschalters als quasi-resonanter Umrichter ausgebildet. Möglich ist die Verwendung von Halbbrückenschaltungen sowie von Vollbrückenschaltungen.
In weiterer Ausgestaltung kann das Leistungsteil einen Gleichrichter aufweisen, der mit einer Netzspannung verbunden ist. An den Gleichrichter sind zwei oder mehr identische Schaltungszweige angeschlossen, die jeweils ein L-C-Glied aufweisen, wobei daran eine Induktionsheizspule, eine Schwingkreisspule und ein Leistungsschalter angeschlossen sind, insbesondere ein vorbeschriebener Leistungsschalter.
In nochmals weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Schaltungszweige mittels einer Induktivität vom Gleichrichter getrennt sind. Dabei kann für jeweils einen Gleichrichter genau eine Induktivität zwischen Gleichrichter und Schaltungszweig vorgesehen sein.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte und Zwischen-Überschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes Induktionskochfeld mit mehreren Induktionsheizspulen,
2 ein Leistungsdichtespektrum 1 der Leistungsversorgung für eine Induktionsheizspule 1 mit einem Maximum bei f1,
3 ein Leistungsdichtespektrum 2 der Leistungsversorgung für eine Induktionsheizspule 2 mit einem Maximum bei f2,
4 die Leistungsdichtespektren 1 und 2 sowie die Summe der Leistungsdichtespektren gemeinsam,
5 die Kurve der Summe der Leistungsdichtespektren alleine,
6 ein Flussdiagramm zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
7 die Kurve der Summe der Leistungsdichtespektren 1 und 2`, wobei das Leistungsdichtespektrum 2 auf das Leistungsdichtespektrum 1 verschoben worden ist, und
8 die Kurve der Summe der Leistungsdichtespektren 1 und 2`, wobei das Leistungsdichtespektrum 2 nicht ganz bis auf das Leistungsdichtespektrum 1 verschoben worden ist.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Induktionskochfeld 11 dargestellt mit einer Kochfeldplatte 12 und einer Vielzahl von Induktionsheizeinrichtungen 14 darunter, die als übliche Induktionsheizspulen ausgebildet sind. Dabei sind acht Induktionsheizeinrichtungen 14 in einem regelmäßigen Muster angeordnet, die sämtlich gleich groß bzw. identisch ausgebildet sind. Das Induktionskochfeld 11 weist eine Kochfeldsteuerung 16, eine Leistungsversorgung 18 und eine Bedieneinrichtung 20 auf, die auch Anzeigefunktionen hat, wie dies allgemein bekannt ist. Das Leistungsteil 18 ist ausgebildet wie eingangs erläutert und im Wesentlichen wie aus dem Stand der Technik bekannt, also mit Leistungsschaltern, beispielsweise IGBT. Das Leistungsteil 18 weist übliche Ausgestaltung auf. Es kann mehrere Brückenschaltungen der eingangs genannten Art aufweisen und ist mit jeder der Induktionsheizeinrichtungen 14 zu deren Leistungsversorgung verbunden.
Ein Topf T1 ist auf den beiden linken, vorderen Induktionsheizeinrichtungen 14 aufgestellt, wobei die Bedeckung auf der vorderen Induktionsheizeinrichtung 14 etwas größer als auf der mittleren Induktionsheizeinrichtung ist. Der Topf T1 soll von beiden Heizeinrichtungen 14 gemeinsam beheizt werden. Dazu hat eine Bedienperson über die Bedieneinrichtung 20 eine Leistungsstufe P1 eingestellt. Wegen der unterschiedlichen Bedeckungen stellen sich unterschiedliche Arbeitsfrequenzen trotz ähnlicher Leistungsvorgabe ein und es kann zu unangenehmen Interferenzgeräusch zwischen den beiden Heizeinrichtungen 14 kommen. Diese soll nach Möglichkeit verringert werden. Es spielt für die Erfindung aber keine Rolle, ob die Frequenzunterschiede zwischen Heizeinrichtungen 14 durch Bedeckungsunterschiede eines einzigen Topfes T1 mit gleicher Leistungsstufe P1 oder durch mehrere Töpfe T1, T2 mit unterschiedlichen Leistungsstufen P1, P2 und/oder Bedeckungen verursacht werden.
In der 2 ist das Leistungsdichtespektrum 1 der Leistungsversorgung für die vordere linke Induktionsheizeinrichtung 14 unterhalb des Topfs T1 dargestellt. Das Leistungsdichtespektrum 1 weist ein Maximum von 40 dB bei der Frequenz f1 = 43 kHz auf.
In ähnlicher Form wie bei 2 ist in 3 das Leistungsdichtespektrum 2 der Leistungsversorgung für die mittlere und auch für die hintere Induktionsheizeinrichtung 14 dargestellt. Hier ist ein Maximum von etwa 48 dB bei einer Frequenz f2 = 46 kHz vorhanden. Bezüglich der reinen Form sehen die beiden Leistungsdichtespektren 1 und 2 der 2 und 3 ähnlich aus, sind aber nicht ganz gleich. Des Weiteren sind sie in sich auch nicht spiegelsymmetrisch zur vertikalen Achse bei der Frequenz des Maximums. Diese Kurven der 2 und 3 sind entweder die Einhüllenden von tatsächlich per FFT gewonnenen Spektren. Alternativ können die genannten Spektren auch geglättet werden.
In der 4 sind zur Verdeutlichung noch einmal die Leistungsdichtespektren 1 und 2 samt der sich daraus eingebenden Kurve der Summe der Leistungsdichtespektren in einem Diagramm dargestellt. Zur besseren Veranschaulichung ist in der 5 nur die Summe der Leistungsdichtespektren dargestellt. Sie weist zwei relative Maxima bei f1 und f2 auf, der Frequenzunterschied beträgt hier etwa 3 kHz. Zwischen f1 und f2 liegt bei der Summe ein lokales Minimum bei fmin von etwa 44 kHz. Es liegt mit etwa -10 dB etwa 50 dB unterhalb des Maximums bei f1 und etwa 58 dB unterhalb des Maximums bei f2. Die beiden Maxima f1 und f2 liegen etwa 3 kHz auseinander.
Gemäß dem Flussdiagramm der 6 startet das Verfahren zum Betrieb des Induktionskochfelds 11 mit den Induktionsheizeinrichtungen 14. Über die Bedieneinrichtung 20 werden zwei Vorgaben der Leistungsstufen P1 und P2 für die Beheizung der Töpfe T1 und T2 eingegeben wie zuvor erläutert worden ist. Dann werden von der Leistungsversorgung 18 und der Kochfeldsteuerung 16 die Frequenzspektren 1 und 2 der Leistungsdichten, also die Leistungsdichtespektren 1 und 2, für die Leistungsdichte bei den zwei betriebenen Induktionsheizeinrichtungen 14 ermittelt. Dies entspricht jeweils den 2 und 3.
Im nächsten Schritt wird eine Differenz zwischen den Maxima f1 und f2 ermittelt, siehe 4. Diese ist im vorliegenden Fall 3 kHz, und somit ist der Betragswert von 3 kleiner als die in der Bedingung vorgenannten 5 als Betrag von 5 kHz Differenz zwischen den Maxima. Wäre die betragsgemäße Differenz größer als 5, so wären die beiden Maxima derart weit auseinander, dass die Geräuschentwicklung ohnehin als relativ gering wahrgenommen wird. Dann müsste kein Eingriff erfolgen, so dass die Leistungsversorgung gleich bleibt und insbesondere die Einschaltzeiten und die Ausschaltzeiten sowie die Leistungsdichtespektren unverändert bleiben.
Da aber, wie zuvor erläutert worden ist, der betragsgemäße Differenzwert mit 3 kleiner ist als ein Wert von 5, geht es weiter im Verfahren, indem die gesamte Leistungsdichte bzw. die Summe entsprechend 5 bestimmt wird. Dann wird als nächste Bedingung überprüft, ob ein lokales Minimum zwischen den beiden Maxima f1 und f2, also fmin, mehr als 40 dB unter f1 und/oder f2 liegt. Dies ist bei der 5 erkennbar der Fall, es liegt nämlich sogar mehr als 50 dB darunter. Wäre es nicht so, müsste ebenfalls keine Änderung an der Leistungsversorgung erfolgen. Da dies aber hier der Fall ist, erfolgt ein aktiver Wechsel der Einschaltzeiten und der Ausschaltzeiten der nicht dargestellten Leistungsschalter in dem Leistungsteil 18. Dabei wird versucht, die Leistung P1 und die Leistung P2 in etwa konstant zu halten bzw. nicht zu stark zu verändern. Hier ist so vorgegangen worden, dass das Leistungsdichtespektrum 2 für die Induktionsheizspulen 14 unterhalb des Topfs T2 verändert worden ist, nämlich die Frequenzen abgesenkt worden sind bzw. das zweite Maximum f2 mit dem ersten Maximum f1 zusammengelegt worden ist bzw. auch zu 43 kHz verschoben worden ist. Somit ergibt sich keine Differenz mehr bzw. zumindest keine messbare Differenz. Die erste Bedingung aus dem Flussdiagramm der 6 ist zwar noch erfüllt, es gibt aber dann ganz offensichtlich kein nennenswertes lokales Minimum der gemeinsamen Summe mehr, insbesondere keines mit mindestens 40 dB Differenz zum Maximum. Somit kann ein weiterer Betrieb mit dieser Leistungsvorgabe erfolgen, die erfindungsgemäß geändert worden ist. Eine Geräuschreduzierung ist erfolgreich vorgenommen worden. Dies ist in 7 dargestellt mit den Leistungsdichtespektren 1 und 2', wobei das Leistungsdichtespektrum 2' nach links bis auf das Leistungsdichtespektrum 1verschoben worden ist. Sie sind also deckungsgleich. In der Praxis wird dies zwar nur schwierig bzw. selten realisierbar sein. Es dient aber zur Veranschaulichung der generellen Möglichkeit des Verschiebens eines Leistungsdichtespektrums zur Verringerung der Frequenzdifferenz zwischen dem lokalen Minimum und den beiden benachbarten Maxima. Hier existiert bei der Summe sogar gar kein lokales Minimum mehr.
Eine weitere Möglichkeit des Verschiebens eines Leistungsdichtespektrums zeigt die 8. Hier ist das Leistungsdichtespektrum 2 um etwa 1,5 kHz nach links verschoben worden. Das ursprüngliche Leistungsdichtespektrum 2 ist gestrichelt dargestellt, das verschobene Leistungsdichtespektrum 2' ist eigentlich links daneben. Durchgezogen dargestellt ist die Summe der Leistungsdichtespektren 1 und 2'. Hier ist deutlich zu erkennen, dass noch ein lokales Minimum zwischen den beiden Maxima bei den Frequenzen f1 und f2' gegeben ist, die Differenz zu den beiden Maxima ist aber erheblich geringer als bei der Summe gemäß der 5. Sie beträgt etwa 18 dB zum Maximum des Leistungsdichtespektrums f1 und etwa 23 dB des Leistungsdichtespektrums f2'. Die beiden Maxima bei den Frequenzen f1 und f2' liegen etwa 1,8 kHz auseinander, also weniger als 2 kHz. Dieser Fall der 8 ist erheblich realistischer als derjenige der 7, siehe die obenstehende Erläuterung.
Das Abstellen auf die Differenz zwischen den Maxima bei f1 und f2 sowie die Bestimmung des Vorhandenseins sowie der Größe des lokalen Minimums dazwischen ist messtechnisch und rechnerisch sehr leicht möglich. Dadurch ist das Verfahren vorteilhaft und praxistauglich umsetzbar.
Allgemein kann anstatt Leistungsdichtespektrum auch der Begriff der spektralen Leistungsdichte verwendet werden. Alternativ zur Auswertung eines Leistungsdichtespektrums oder einer spektralen Leistungsdichte kann entsprechend auch ein Signalspektrum ausgewertet werden. Die Signale sind nämlich Effektivwertmessungen (Quadratmittelwert des gemessenen Signals) von Spannung an der Induktionsheizspule bzw. vom Strom durch die Induktionsheizspule. Bei Verwendung von Signalspektren anstelle der Leistungsdichtespektren sind die genannten dB-Grenzwerte entsprechend der bekannten Logarithmusregel zu dB-Signal versa dB-Leistung zu halbieren.
Ein Leistungsdichtespektrum stellt die Verteilung der Leistungsanteile eines Signals über der Frequenz dar und kann durch FFT über einen Zeitabschnitt, vorzugsweise einen periodischen Zeitabschnitt, ermittelt werden. Dieser Zeitabschnitt kann eine ganze, eine halbe oder ein Vielfaches einer Periodendauer der Netzspannung betragen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/010492 A1 [0002]
EP 1734789 A1 [0015]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Induktionskochfelds, wobei das Induktionskochfeld aufweist: - eine Kochfeldplatte, - mindestens zwei Induktionsheizspulen unter der Kochfeldplatte, - eine Kochfeldsteuerung, - ein Leistungsteil für eine Leistungsversorgung für die Induktionsheizspulen, wobei das Leistungsteil: + von der Kochfeldsteuerung angesteuert ist, + mehrere Leistungsschalter aufweist, die mittels der Parameter Einschaltzeit und/oder Ausschaltzeit ansteuerbar sind, + dazu ausgebildet ist, mittels der Leistungsschalter aus der Netzspannung eine höherfrequente Ansteuerung für die Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass - die Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung der zwei Induktionsheizspulen abgeschätzt werden oder gemessen werden, wobei jedes Leistungsdichtespektrum ein Maximum bei einer Frequenz aufweist, insbesondere ein einziges Maximum bei einer Frequenz aufweist, - in einem ersten Betriebsmodus die Einschaltzeit und/oder die Ausschaltzeit mindestens eines der Leistungsschalter variiert wird, um das Leistungsdichtespektrum der Leistungsversorgung aktiv zu ändern, so dass sich die zwei Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung für die zwei Induktionsheizspulen mehr überlappen bzw. dass der Frequenzunterschied zwischen den zwei Maxima verringert wird und/oder dass eine resultierende Summe der zwei Leistungsdichtespektren gebildet wird und der Unterschied in der Leistungsdichte zwischen einem lokalen Minimum der Summe, das zwischen den zwei Maxima der Summe liegt, und den Maxima der Summe reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der einzelnen Leistungsdichtespektren die resultierende Summe der zwei Leistungsdichtespektren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine resultierende Summe der zwei unterschiedlichen Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung gebildet wird mit einem lokalen Minimum der Summe, das zwischen den zwei Maxima der Summe liegt, und dass mindestens eines der Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung aktiv so verändert wird, dass die Differenz zwischen dem lokalen Minimum und den Maxima maximal 40dB oder weniger, vorzugsweise maximal 20dB oder weniger, und insbesondere minimal 5 dB oder minimal 10 dB, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebsmodus die Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung aktiv derart verändert werden, dass resultierend zwischen den zwei Maxima der Leistungsdichtespektren kein ausgeprägtes lokales Minimum vorhanden ist, wobei vorzugsweise die zwei Maxima der Leistungsdichtespektren maximal 10% unterschiedlich sind, insbesondere gleich groß sind oder kleiner sind als die Differenz zu dem lokalen Minimum.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Induktionsheizspulen gleichzeitig mit Leistung versorgt werden und mit jeweils einem Leistungsdichtespektrum mit genau einem Maximum der Leistungsdichte betrieben werden, - wobei die Leistungsdichtespektren für die zwei Induktionsheizspulen gemessen oder geschätzt werden und festgestellt wird, ob sich diese zwei Leistungsdichtespektren jeweils überschneiden oder wie diese zwei Leistungsdichtespektren in Bezug auf die Frequenz ihres jeweiligen Maximums zueinander liegen, - wobei in einem ersten Fall, in dem die zwei Leistungsdichtespektren so liegen, dass die zwei Maxima mehr als 5 kHz weit auseinanderliegen, die Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen nicht geändert wird, - wobei in einem zweiten Fall, in dem die zwei Leistungsdichtespektren so liegen, dass die zwei Maxima nicht mehr als 5 kHz weit auseinanderliegen und wobei in einer resultierenden Summe der zwei Leistungsdichtespektren ein ausgeprägtes lokales Minimum zwischen den zwei Maxima entsteht, die Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen verändert wird und in der Leistungsversorgung mindestens einer Induktionsheizspule ein Wobble erzeugt wird und der Parameter Einschaltzeit und/oder der Parameter Ausschaltzeit mindestens eines der Leistungsschalter so verändert wird, dass sich die Summe der Leistungsdichtespektren mit den Maxima so verändert, dass das lokale Minimum zwischen den zwei Maxima erhöht wird bzw. eine Differenz der Leistungsdichte an dem lokalen Minimum zu den Leistungsdichten der zwei Maxima geringer wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fall noch als vorliegend angesehen wird, wenn die Frequenzdifferenz zwischen den zwei Maxima mehr als 2 kHz bis 4 kHz beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Änderung der Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen im zweiten Fall eine Änderung des Leistungsdichtespektrums der mit der höherfrequenten Ansteuerung betriebenen Induktionsheizspule von höheren Frequenzanteilen hin zu niedrigeren Frequenzanteilen derart ist, dass das lokale Minimum bezogen auf zwei Maxima der resultierenden Summe verringert und/oder beseitigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgegebener Sollwert der Leistung für mindestens eine der Induktionsheizspulen verändert wird, um ein Überlappen im zweiten Fall zu ermöglichen, wenn dies ansonsten ohne Änderung der momentanen Leistung mit mehr als 2%, vorzugsweise mehr als 15%, nicht möglich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der Leistung einer der beiden Induktionsheizspulen, insbesondere der Induktionsheizspule mit dem höheren Sollwert der Leistung, so geändert wird, dass die Frequenzdifferenz zwischen den zwei Maxima dem ersten Fall entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Induktionsheizspulen benachbart zueinander angeordnet sind, insbesondere ohne eine weitere Induktionsheizspule dazwischen, wobei vorzugsweise die mindestens zwei Induktionsheizspulen rechteckig oder mehreckig ausgebildet sind und mit mindestens einer Seite bzw. Längsseite nebeneinander und in etwa parallel zueinander verlaufen, wobei vorzugsweise die mindestens zwei Induktionsheizspulen identisch ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass damit drei Induktionsheizspulen betrieben werden, die benachbart zueinander angeordnet sind ohne weitere Induktionsheizspule dazwischen, wobei die Parameter von deren Leistungsschaltern entsprechend variiert werden, so dass die Maxima der drei Leistungsdichtespektren der Leistungsversorgung der drei Induktionsheizspulen nicht mehr als 5 kHz weit auseinanderliegen mit jeweils genau einem lokalen Minimum zwischen jeweils zwei Maxima der drei Maxima.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Leistungsdichtespektren durch Messung der Spannung eines zur Induktionsheizspule parallel geschalten Kondensators oder durch Messung des Stroms durch die Induktionsheizspule erfolgt.
Induktionskochfeld mit: - einer Kochfeldplatte, - mindestens zwei Induktionsheizspulen unter der Kochfeldplatte, - einer Kochfeldsteuerung, - einem Leistungsteil für eine Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen, das von der Kochfeldsteuerung angesteuert ist, wobei das Leistungsteil mehrere Leistungsschalter aufweist, die mittels der Parameter Einschaltzeit und/oder Ausschaltzeit ansteuerbar sind, und an eine Netzspannung angeschlossen ist und dazu ausgebildet ist, mittels der Leistungsschalter aus der Netzspannung eine höherfrequente Ansteuerung für die Leistungsversorgung der Induktionsheizspulen zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsteil und die Kochfeldsteuerung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.
Induktionskochfeld nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsteil einen Parallelschwingkreis mit mindestens einem Leistungsschalter pro Induktionsheizspule aufweist, insbesondere mit einem Transistor oder einem IGBT, wobei vorzugsweise das Leistungsteil für einen Betrieb des mindestens einen Leistungsschalters als quasi-resonanter Umrichter ausgebildet ist.
Induktionskochfeld nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsteil einen Gleichrichter aufweist zur Verbindung mit einer Netzspannung, wobei an dem Gleichrichter zwei identische Schaltungszweige angeschlossen sind, die jeweils ein L-C-Glied aufweisen, wobei daran eine Induktionsheizspule, ein Schwingkreiskondensator und ein Leistungsschalter, insbesondere ein Leistungs-Halbleiterschalter, angeschlossen sind.
Induktionskochfeld nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungszweige jeweils mittels einer Induktivität oder Filterdrossel vom Gleichrichter getrennt sind, wobei vorzugsweise genau eine eigene Induktivität zwischen dem Gleichrichter und jedem Schaltungszweig vorgesehen ist.