DE102022210313A1 - Leistungselektronik für ein PEF-Gerät und PEF-Gerät - Google Patents

Leistungselektronik für ein PEF-Gerät und PEF-Gerät Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik (2) für ein PEF-Gerät (1), aufweisend ein elektronisches Leistungsfaktorkorrekturfilter (7), mindestens einen dem Leistungsfaktorkorrekturfilter (7) nachgeschalteter Impulskondensator (8), eine elektronische H-Brücke (9), die dazu eingerichtet ist, aus der in dem mindestens einen Impulskondensator (8) gespeicherten Energie PEF-Signale (PS) zu erzeugen, und eine Steuereinrichtung (10), die zum Ansteuern, insbesondere Regeln, des Leistungsfaktorkorrekturfilters (7) und der H-Brücke (9) eingerichtet ist, wobei die Leistungselektronik (2) schaltnetzteillos aufgebaut ist. Die Erfindung betrifft auch ein PEF-Gargerät (1), aufweisend eine mit Gargut und Flüssigkeit beschickbare PEF-Behandlungskammer (3) mit voneinander beabstandeten PEF-Elektroden (3a, 3b), zwischen denen das Gargut und die Flüssigkeit anordenbar sind, und die Leistungselektronik (2) zum Erzeugen von an die PEF-Elektroden (3a, 3b) anlegbaren PEF-Signalen (PS) aus dem Netzanschlusssignal. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf PEF-Haushaltsgargeräte.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik für ein PEF-Gerät, aufweisend ein elektronisches Leistungsfaktorkorrekturfilter, mindestens einen dem Leistungsfaktorkorrekturfilter nachgeschalteter Impulskondensator, eine elektronische H-Brücke, die dazu eingerichtet ist, aus der in dem mindestens einen Impulskondensator gespeicherten Energie PEF-Signale zu erzeugen, und eine Steuereinrichtung, die zum Ansteuern der H-Brücke eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft auch ein PEF-Gerät aufweisend eine mit Gargut und Flüssigkeit beschickbare PEF-Behandlungskammer mit voneinander beabstandeten PEF-Elektroden, zwischen denen das Gargut und die Flüssigkeit anordenbar sind, und die Leistungselektronik zum Erzeugen von PEF-Signalen aus einem Netzanschlusssignal. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Leistungselektronik für ein PEF-Gerät. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines PEF-Geräts. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf PEF-Haushaltsgargeräte.
  • Eine Lebensmittelbehandlung mittels eines gepulsten elektrischen Felds (PEF) ist grundsätzlich bekannt. Ein entsprechendes PEF-Behandlungsgerät umfasst typischerweise eine PEF-Behandlungskammer mit z.B. wandseitigen Elektroden („PEF-Elektroden“), an die ein gleichstromfreies gepulstes elektrisches Signal („PEF-Signal“) angelegt wird. Das PEF-Signal wird mittels einer Leistungselektronik aus einem Netzanschlusssignal erzeugt, und zwar heutzutage häufig mittels eines Schaltnetzteils mit hoher Leistung, z.B. bis zu ca. 3 kW. Aufgrund der hohen Leistung ist in das Schaltnetzteil ein Leistungsfaktorkorrekturfilter („Power Factor Control“, PFC) integriert. Das Schaltnetzteil speist sehr große Impulskondensatoren, welche den hohen Impulsstrom puffern können. Beispielsweise mittels einer elektronischen H-Brücke können dann die PEF-Signale erzeugt werden. In das Schaltnetzteil können Ausgangskondensatoren integriert sein. Die Ausgangskondensatoren, beispielsweise Elektrolytkondensatoren, dienen dazu, die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils aufrechtzuerhalten, während die Impulskondensatoren, z.B. Folienkondensatoren den hohen elektrischen Strom für die PEF-Signale bereitstellen. Die Impulskondensatoren können beispielsweise als eine Kondensatorbatterie verschaltet sein. Nachteilig bei einer Leistungselektronik sind dabei unter anderem folgende Punkte:
  • Das Schaltnetzteil sowie die Impulskondensatoren verlangen ein sehr großes Bauvolumen. Gründe dafür sind die benötigte große Ausgangsleistung des Schaltnetzteils, gepuffert durch einen zugehörigen Sekundärkondensator, und bei den Impulskondensatoren deren notwendigerweise hohe Kapazität und sehr niedrigen erforderlichen ESR (Ersatzserienwiderstand)-Werte. Der hohe Platzbedarf für die Leistungselektronik wiederum reduziert nachteiligerweise das zur Nutzung durch den Kunden verfügbare Volumen der PEF-Behandlungskammer.
  • Der Bauteilaufwand des Schaltnetzteils ist sehr hoch und somit auch die Bauteilkosten. Die Impulskondensatoren benötigen eine Kapazität von mindestens 150 µF. In diesem Kapazitätsbereich (und Spannungsbereich) sind die notwendigen Impulskondensatoren, z.B. hochstromfeste Folienkondensatoren, sehr teuer, falls sie überhaupt verfügbar sind.
  • In den Impulskondensatoren und ggf. den Ausgangskondensatoren werden sehr große Energiemengen gespeichert. Somit besteht hier ein gewisses „systembedingtes“ Betriebsrisiko, speziell für den Fall, dass ein Kondensator im Fehlerfall explodiert oder abbrennt.
  • Eine pulsformende Leistungselektronik mit einer Nennleistung von möglichst über 2 kW, und zwar selbst dann, wenn ein Wirkungsgrad von 80 % erreicht wird, hat eine Verlustleistung von ca. 400 W, die welche von einem Haushaltsgerät nicht einfach als Abwärme in die Umgebung abgegeben werden kann.
  • US 6 214 297 B1 und WO 99/49561 offenbaren ein Hochspannungs-Impulserzeugungssystem, das besonders für die Behandlung von Lebensmittelprodukten mit einem gepulsten elektrischen Feld (PEF) geeignet ist. Das System umfasst zum Beispiel eine Stromquelle, eine Energiespeicherkomponente in Schaltungskommunikation mit der Stromquelle zum Speichern von Energie von der Stromquelle, mehrere Schalter zum periodischen Öffnen und Schließen, um die Energiespeicherkomponente zu entladen, und eine Last umfassend mindestens eine PEF-Behandlungskammer, in der biologische Zellen einer PEF-Behandlung unterzogen werden. Die Stromquelle lädt die Energiespeicherkomponente auf und eine geeignete Auslösevorrichtung löst das Öffnen und Schließen der Schalter aus. Die Schalter können in einer beliebigen Zahl von Konfigurationen angeordnet sein, einschließlich beispielsweise einer H-Brücken-Schalterkonfiguration, bei der die Last über den Brückenabschnitt der H-Brücke in Schaltungskommunikation mit den Schaltern steht. Zusätzlich werden auch mehrere Energiespeicherkomponentenanordnungen offenbart.
  • WO 2005/117257 A1 offenbart eine Einrichtung zum Elektroporieren von biologisch pflanzlichem Prozessgut. Die Einrichtung hat eine Energiequelle, die elektrisch bipolar aufgebaut ist und aus mindestens einem bipolaren Hochspannungspulsgenerator mit zwei Hochspannungsausgängen besteht. An sie sind die beiden feldbildenden Elektrodengruppen angeschlossen. Mehrere solche bipolare Hochspannungspulsgeneratoren an einer solchen Einrichtung sind baugleich und mit einer Triggereinrichtung zum zeitbestimmten gleichzeitigen Zünden versehen. Die an den Ausgang eines Hochspannungspulsgenerators oder an den jeweiligen Ausgang der Hochspannungspulsgeneratoren angeschlossenen Lastkreise sind in ihrer komplexen Impedanz einander gleich. Im Falle, dass die Energiequelle aus mindestens zwei Hochspannungspulsgeneratoren besteht, sind dieselben während der Entladung durch die durch die Prozessflüssigkeit zwischen den Teilelektroden gebildeten elektrolytischen Widerstände voneinander elektrisch entkoppelt.
  • WO 2011/139144 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum Behandeln eines im Wesentlichen festen Lebensmittelprodukts, wobei ein Zellaufschluss des Lebensmittelprodukts und ein notwendiger Temperaturanstieg, der für die Verarbeitung von Makronährstoffen erforderlich ist, auftritt. Das System umfasst Mittel, die angeordnet sind, um das Lebensmittelprodukt einem gepulsten elektrischen Feld auszusetzen, um die Zellen des Lebensmittelprodukts aufzubrechen und die Makronährstoffe zu verarbeiten, wodurch es für den beabsichtigten Verzehr und eine effiziente Verdauung geeignet gemacht wird.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungselektronik für ein PEF-Gerät aufweisend
    • - ein elektronisches Leistungsfaktorkorrekturfilter,
    • - mindestens einen dem Leistungsfaktorkorrekturfilter nachgeschalteten Kondensator („Impulskondensator“),
    • - eine elektronische H-Brücke, die dazu eingerichtet ist, aus der in dem mindestens einen Impulskondensator gespeicherten Energie PEF-Signale zu erzeugen,
    • - eine Steuereinrichtung, die zumindest zum Ansteuern, insbesondere Regeln, des Leistungsfaktorkorrekturfilters und der H-Brücke eingerichtet ist, wobei
    • - die Leistungselektronik schaltnetzteillos aufgebaut ist.
  • Diese Leistungselektronik weist als Vorteil auf, dass kein Schaltnetzteil mit zugehörigen Ausgangskondensatoren mit großer Energiedichte mehr benötigt wird. Dadurch wiederum wird die Gefahr einer Explosion oder eines Feuers der Ausgangskondensatoren gebannt. Zudem kann auf eine Rippelstrombegrenzung an den Ausgangskondensatoren verzichtet werden. Darüber hinaus kann der Wirkungsgrad erhöht werden, weil ein Leistungsfaktorkorrekturfilter einen Wirkungsgrad von bis zu 99% aufweist, ein Schaltnetz jedoch typischerweise einen Wirkungsgrad im Bereich von nur 70 % bis 85 % aufweist. Zudem ist die Verwendung nur eines Leistungsfaktorkorrekturfilters anstelle eines Schaltnetzteils vorteilhafterweise weitaus preisgünstiger. Außerdem werden nur vergleichsweise kleine Impulskondensatoren mit geringen Kapazitäten benötigt, was Kosten und Bauraum spart. Darüber hinaus lässt sich auch eine längere Lebensdauer der Leistungselektronik erreichen.
  • Die Leistungselektronik ist dazu eingerichtet, aus einem Netzanschlusssignal ein an die PEF-Elektroden anlegbares PEF-Signal zu erzeugen. Das Netzanschlusssignal ist insbesondere ein durch ein Stromverteilnetz bereitgestelltes elektrisches Signal, beispielsweise ein zwei- oder dreiphasiger Wechselstrom. Der Wechselstrom kann z.B. eine Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz und/oder eine Netzspannung von 110 V, 127 V, 220 V oder 230 V aufweisen. Der Netzanschluss der Leistungselektronik an das Stromverteilnetz kann durch Festanschluss oder einen Stecker, z.B. Schuko-Stecker, erfolgen. Die über den Netzanschluss abrufbare maximale Stromstärke kann z.B. zwischen 10 A und 16 A für einen Steckanschluss, mehr bei Festanschluss betragen.
  • Das elektronische Leistungsfaktorkorrekturfilter ist eine mit mindestens einem elektronischen Schalter, z.B. Transistor, ausgerüstete „aktive“ Schaltung, welche einen durch Verzerrungsblindleistung verminderten sogenannten Leistungsfaktor erhöht. Das Leistungsfaktorkorrekturfilter kompensiert dazu Oberschwingungen und/oder Phasenverschiebungen, die zu Blindleistungen führen würden. Das elektronische Leistungsfaktorkorrekturfilter weist einen Gleichrichter mit direkt nachgeschaltetem Aufwärtswandler auf, der den mindestens einen Impulskondensator auflädt. Weiterhin kann das Leistungsfaktorkorrekturfilter Netzspannungsschwankungen ausgleichen. Das Leistungsfaktorkorrekturfilter tritt hier an die Stelle des herkömmlicherweise verwendeten Schaltnetzteils, das nicht mehr benötigt wird, so dass die Leistungselektronik schaltnetzteillos aufgebaut ist.
  • Der mindestens eine Impulskondensator dient dazu, von dem Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgegebene elektrische Energie zur Verwendung durch die H-Brücke zu speichern. Der mindestens eine Impulskondensator kann mehrere, insbesondere gleichartige, Impulskondensatoren umfassen, die z.B. zu einer Kondensatorbatterie verschaltet sind.
  • Die H-Brücke ist insbesondere dazu eingerichtet, eine durch den mindestens einen Impulskondensator bereitgestellte Gleichspannung in eine Folge alternierender Pulse („gepulste Wechselspannung“) bestimmter, ggf. variabler, Frequenz und bestimmter, ggf. variabler, Pulsbreite umzuwandeln. Sie weist vier elektronische Schalter, insbesondere Transistoren auf. Die elektronische H-Brücke ist insbesondere als ein Vierquadrantensteller ausgebildet.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass das PEF-Signal in Form einer gepulsten Wechselspannung vorliegt. Es ist eine Weiterbildung, dass eine Spannungsstärke der Pulse des PEF-Signals bis ca. 700 V oder auch mehr erzeugbar ist. Es ist eine Weiterbildung, dass die Pulse des PEF-Signals einen Frequenzbereich zwischen 50 Hz und 25 kHz, z.B. zwischen 15 kHz und 25 kHz, speziell von ca. 19 kHz aufweisen. Es ist eine Weiterbildung, dass die Pulse des PEF-Signals eine zumindest annähernd rechteckförmige Pulsform aufweisen. Es ist eine Weiterbildung, dass ein pulsbedingter Strom des PEF-Signals von maximal ca. 100 A erzeugt wird.
  • Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, die elektronischen Schalter des Leistungsfaktorkorrekturfilters und der H-Brücke anzusteuern. Insbesondere kann das Leistungsfaktorkorrekturfilter genau einen Halbleiter- bzw. elektronischen Schalter aufweisen. Dieser Schalter kann beispielsweise ein FET sein, insbesondere ein MOS-FET. Die Schalter der H-Brücke können insbesondere IGBTs sein.
  • Es ist eine Ausgestaltung, dass eine Kapazität des jeweiligen mindestens einen Impulskondensators weniger als 200 µF beträgt. Dadurch kann die Funktionalität der Leistungselektronik immer noch zuverlässig aufrechterhalten werden, während Preis und Bauraum des mindestens einen Impulskondensators gegenüber bisherigen Werten von über 200 µF merklich gesenkt werden. Es hat sich ein besonders guter Kompromiss zwischen einer funktionalen Zuverlässigkeit einerseits und geringen Kosten und Bauraum andererseits herausgestellt, dass eine Kapazität des jeweiligen mindestens einen Impulskondensators zwischen 30 µF und 80 µF liegt, insbesondere zwischen 50 µF und 60 µF, insbesondere bei ca. 55 µF.
  • Es ist eine Ausgestaltung, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist,
    • - aus einem Strom der PEF-Pulse („Impulsstrom“) und einer Ausgangsspannung des Leistungsfaktorkorrekturfilters („PFC-Spannung“) eine Ist-Leistung zu berechnen,
    • - aus einem Synchronisationssignal eine Soll-Kurvenform für einen Ausgangsstrom des Leistungsfaktorkorrekturfilters („PFC-Strom“) zu berechnen und
    • - aus der Ist-Leistung, der PFC-Spannung, dem PFC-Strom und der Soll-Kurvenform ein Ansteuersignal für den elektronischen Schalter des Leistungsfaktorkorrekturfilters zu erzeugen.
  • Es ist eine Ausgestaltung, dass die H-Brücke eine erste Hälfte und eine zweite Hälfte aufweist, die beide dem mindestens einen Impulskondensator nachgeschaltet sind, und die erste Hälfte der H-Brücke mit der mindestens einen ersten Elektrode der PEF-Behandlungskammer verbindbar und die zweite Hälfte der H-Brücke mit der mindestens einen zweiten Elektrode der PEF-Behandlungskammer verbindbar ist. Dabei weist jede der beiden Hälften zwei in Reihe geschaltete elektronische Schalter, insbesondere Transistoren, auf, insbesondere mit jeweils einer Freilaufdiode in Sperrpolung. An die Mitte zwischen den Transistoren der ersten Hälfte ist die mindestens eine erste PEF-Elektrode anschließbar, an die Mitte zwischen den Transistoren der zweiten Hälfte die mindestens eine zweite PEF-Elektrode. Die in der H-Brücke über Kreuz angeordneten Schalter der erste Hälfte und der zweiten Hälfte bilden einen ersten Kanal bzw. einen zweiten Kanal, über die insbesondere wechselweise ein Strom geführt wird, um die PEF-Pulse zu erzeugen..
  • Es ist eine Ausgestaltung, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist,
    • - aus dem Impulsstrom und der PFC-Spannung eine Ist-Leistung zu berechnen,
    • - aus der Ist-Leistung, der PFC-Spannung, dem Impulsstrom, einer Pulsfrequenz und einer Soll-Leistung ein Ansteuersignal für die elektronischen Schalter des ersten Kanals der H-Brücke und ein Ansteuersignal für die elektronischen Schalter des zweiten Kanals der H-Brücke zu erzeugen.
  • Es ist eine Ausgestaltung, dass dem Netzanschluss und dem Leistungsfaktorkorrekturfilter ein Schalter zwischengeschaltet ist. Es ist eine Weiterbildung, dass der Schalter ein galvanisch trennender Schalter ist. Dis ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders sichere und energiesparende Trennung der Leistungselektronik vom Netz.
  • Es ist eine Ausgestaltung, dass dem Netzanschluss und dem Leistungsfaktorkorrekturfilter ein Netzfilter zwischengeschaltet ist. Das Netzfilter ist insbesondere eine Schaltung, die eine Störaussendung von der Leistungselektronik in das Stromverteilernetz erheblich reduziert. Das Netzfilter ist insbesondere eine passive elektrische Schaltung. Es ist eine Weiterbildung, dass das Netzfilter dem Netzanschluss, falls vorhanden, nachgeschaltet ist.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein PEF-Gargerät, aufweisend eine mit Gargut und Flüssigkeit beschickbare PEF-Behandlungskammer mit voneinander beabstandeten PEF-Elektroden, zwischen denen das Gargut und die Flüssigkeit anordenbar sind, und eine Leistungselektronik zum Erzeugen von PEF-Signalen aus einem Netzanschlusssignal, wobei die Leistungselektronik eine Leistungselektronik wie oben beschrieben ist. Das PEF-Gargerät kann analog zu dem Verfahren ausgebildet werden und weist die gleichen Vorteile auf.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass die PEF-Behandlungskammer fest in dem PEF-Gargerät verbaut ist. In diesem Fall können die PEF-Elektroden fest mit den jeweiligen Hälften verbunden, insbesondere verdrahtet, sein.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass die PEF-Behandlungskammer aus dem PEF-Gargerät entnehmbar ist. In diesem Fall können die jeweiligen Hälften der H-Brücke bei eingesetzter PEF-Behandlungskammer entsprechende Kontakte der PEF-Elektroden kontaktieren.
  • Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Leistungselektronik für ein PEF-Gerät, bei dem ein elektronisches Leistungsfaktorkorrekturfilter so angesteuert wird, dass es ein Netzanschlusssignal zum Aufladen mindestens eines Impulskondensators gleichrichtet und aufwärtswandelt und eine elektronische H-Brücke so angesteuert wird, dass sie aus in dem mindestens einen Impulskondensator gespeicherter elektrischer Energie PEF-Signale erzeugt. Das Verfahren kann analog zu der Leistungselektronik und/oder zu dem PEF-Gargerät ausgebildet werden, und umgekehrt, und ergibt die gleichen Vorteile.
  • Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines PEF-Gargeräts, bei dem die gemäß dem Verfahren zum Betreiben einer Leistungselektronik erzeugten PEF-Signale an PEF-Elektroden einer PEF-Behandlungskammer des PEF-Gargeräts angelegt werden. Das Verfahren kann analog zu der Leistungselektronik, zu dem PEF-Gargerät und/oder zum dem Verfahren zum Betreiben einer Leistungselektronik ausgebildet werden, und umgekehrt, und ergibt die gleichen Vorteile.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.
    • 1 zeigt eine vereinfachte Schaltungsskizze eines PEF-Gargeräts mit einem Leistungsfaktorkorrekturfilter und einer H-Brücke;
    • 2 zeigt eine Auftragung einer Pulsspannung und eines Pulsstroms eines PEF-Signals gegen die Zeit;
    • 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Regelung zum Regeln des Leistungsfaktorkorrekturfilters; und
    • 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung zum Ansteuern der H-Brücke.
  • 1 zeigt eine vereinfachte Schaltungsskizze eines PEF-Gargerät 1 mit einer Leistungselektronik 2 und einer PEF-Behandlungskammer 3. Die Leistungselektronik 1 ist an einen Netzanschluss 4 wie z.B. eine Haussteckdose anschließbar und bezieht darüber ein Wechselstromsignal, z.B. von 230 V und 50 Hz. Der Netzanschluss 4 ist mit einem Schalter 5 verbunden, der dazu dient, die Leistungselektronik 2 mit dem Netzanschluss 4 wahlweise zu verbinden oder galvanisch zu trennen.
  • An den Schalter 5 ist ein Netzfilter 6 angeschlossen, an dem ausgangsseitig ein elektronisches Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 angeschlossen ist. Das Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 weist zu seinem Betrieb mindestens einen elektronischen Schalter, z.B. Transistor, insbesondere Feldeffekttransistor (FET) auf.
  • An die Ausgänge des Leistungsfaktorkorrekturfilters 7 ist mindestens ein Impulskondensator 8 angeschlossen. Der mindestens eine Impulskondensator 8 umfasst insbesondere mehrere Impulskondensatoren 8, die z.B. zu einer Kondensatorbatterie zusammengeschlossen sein können. Der mindestens eine Impulskondensator 8 ist insbesondere als Folienkondensator ausgebildet. Der mindestens eine Impulskondensator 8 weist eine jeweilige Kapazität zwischen 30 µF und 80 µF auf, insbesondere von ca. 55 µF.
  • An dem mindestens einen Impulskondensator 8 ist eine H-Brücke 9 mit einer ersten Hälfte 9a und einer zweiten Hälfte 9b angeschlossen, und zwar so, dass beide Hälften 9a und 9b an dem mindestens einen Impulskondensator 8 angeschlossen sind. Die erste Hälfte 9a weist zwei in Reihe geschaltete IGBTs I1 und I2 auf, die zweite Hälfte 9b zwei in Reihe geschaltete IGBTs I3 und I4. Zu jedem der IGBTs I1 bis I4 ist eine Freilaufdiode in Sperrpolung parallel geschaltet.
  • An die Mitte zwischen den IGBTs I1 und I2 der ersten Hälfte 9a ist mindestens eine erste PEF-Elektrode 3a der PEF-Behandlungskammer 3 anschließbar, an die Mitte zwischen den IGBTs I3 und I4 der zweiten Hälfte 9b die mindestens eine zweite PEF-Elektrode 3b der PEF-Behandlungskammer 3. Die über Kreuz angeordneten IGBTs I1 und I4 bilden einen ersten Kanal A, die IGBTs I3 und I2 einen zweiten Kanal B
  • Die PEF-Behandlungskammer 3 wird für einen PEF-Behandlungsvorgang, insbesondere Garbetrieb, mit Flüssigkeit und Gargut befüllt, z.B. mit in einem Wasserbad schwimmendem Gargut oder auch mit flüssigem Gargut wie Suppe (mit einer RC-Ersatzschaltung angedeutet), das dann zwischen den wie Kondensatorplatten wirkenden PEF-Elektroden 3a, 3b angeordnet ist. Wird ein PEF-Signal PS in Form eines gepulsten Wechselspannungssignals (siehe 2) an die PEF-Elektroden 3a, 3b angelegt, wird ein durch die Flüssigkeit und das Gargut fließender gepulster elektrischer Strom erzeugt, welcher das Gargut behandelt und die Flüssigkeit erwärmt.
  • 2 zeigt eine Auftragung einer Pulsspannung U_PS und eines Pulsstroms I_PS eines PEF-Signals PS mit rechteckigen Pulsen gegen die Zeit t in beliebigen Einheiten so, dass die Pulsspannung U_PS und der Pulsstrom I_PS die gleiche Form aufweisen, aber ggf. gegeneinander phasenverschoben sein können. Die Impulsdauer bzw. Pulsbreite tein des PEF-Signals PS und/oder seine Periodendauer T sind insbesondere von der gewünschten Soll-Leistung P_TARGET abhängig. Eine Pulsspannung U_PS eines Pulses des PEF-Signals PS kann z.B. ca. 600 V betragen. Eine Stromstärke I_PS eines Pulses des PEF-Signals PS mag beispielsweise einen Wert von ca. 100 A nicht überschreiten.
  • Wieder zurückkehrend zu 1 weist die Leistungselektronik 2 ferner eine Steuereinrichtung 10 auf, z.B. umfassend einen Mikrokontroller, ein FPGA oder ein ASIC, usw. Die Steuereinrichtung 10 wird über ein Kleinspannungsnetzteil 11 aus dem Netzanschluss 4 gespeist und ist dazu eingerichtet, z.B. programmiert, Komponenten der Leistungselektronik 2 anzusteuern, wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet.
  • So kann die Steuereinrichtung 10 durch Ausgabe eines entsprechenden Schaltsignals SWITCH den Schalter 5 wahlweise öffnen oder schließen, beispielsweise für eine Netztrennung zur Stromverbrauchsoptimierung in einem Standby-Betrieb.
  • Durch Ausgabe eines Ansteuersignals PFC_FET für den elektronischen Schalter, insbesondere FET, des Leistungsfaktorkorrekturfilters 7 lässt sich das Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 ansteuern, insbesondere regeln.
  • Durch Ausgabe von Ansteuersignalen H_CHA und H_CHB an die IGBTs I1 und I4 bzw. I3 und I2 lässt sich die H-Brücke 9 ansteuern, insbesondere regeln. Durch Ansteuern, insbesondere Regel, der H-Brücke 9 steuert die Steuereinrichtung 10 die Erzeugung der Impulse des PEF-Signals PS, z.B. deren Pulsbreite tein. und/oder Periodendauer T
  • Außerdem ist die Steuereinrichtung 10 dazu eingerichtet, mehrere Messgrößen der Leistungselektronik 2 zu messen, wie durch die gepunkteten Pfeile angedeutet, nämlich hier:
    • einen von dem Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 ausgegebenen Strom I_PFC, eine am Ausgang des Leistungsfaktorkorrekturfilters 7 anliegende PFC-Spannung U_PFC und einen zu der H-Brücke 9 fließenden Strom I_IMP.
  • Die Steuereinrichtung 10 kann über eine Busschnittstelle zur Datenkommunikation verfügen (o. Abb.). Insbesondere über die Busschnittstelle, aber grundsätzlich auch auf andere Weise, kann die Steuereinrichtung 10 beispielsweise Daten über eine Soll-Leistung P_TARGET, ein Synchronisationssignal LINE_SYNC und eine Soll-Pulsfrequenz F_IMP der PEF-Pulse des PEF-Signals PS erhalten. Das Synchronisationssignal LINE_SYNC kann beispielsweise mittels eines grundsätzlich bekannten elektronischen Schaltungsteils aus der Sinusspannung des Netzanschlusssignals erzeugt werden. Das Synchronisationssignal LINE_SYNC kann insbesondere aus einer Reihe von Synchronisationsimpulsen bestehen.
  • Die Steuereinrichtung 10 kann die Angaben über die Soll-Leistung P_TARGET beispielsweise über eine Nutzerschnittstelle 12 erhalten, an der sie von einem Nutzer eingegeben worden ist. Die Nutzerschnittstelle 12 kann einen Bildschirm 13, insbesondere Touchscreen, umfassen, an dem Nutzereingabe tätigbar sind und/oder an dem Informationen an den Nutzer ausgebbar sind.
  • Damit können beispielsweise die folgend näher beschriebenen Ansteuerungen bzw. Regelungen umgesetzt werden:
    • 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Regelung R1 zum Regeln des Leistungsfaktorkorrekturfilters 7.
  • In einem Block B1 wird aus dem gemessenen Impulsstrom I_IMP und der gemessenen PFC-Spannung U_PFC eine Ist-Leistung P berechnet, ggf. nach Filterung. Die Ist-Leistung P kann z.B. gemäß P = U_PFC · I_IMP berechnet werden, wobei P, U_PFC und I_IMP insbesondere zeitlich veränderliche Größen sind. Die Filterung kann z.B. dazu dienen, eine insbesondere frequenzselektive Verringerung bestimmter Signalanteile zu bewirken, beispielsweise eine Dämpfung höherer Frequenzanteile.
  • In einem Block B2 wird aus dem Synchronisationssignal LlNE_SYNC eine Soll-Kurvenform für den von dem Leistungsfaktorkorrekturfilter 7 ausgegebenen PFC-Strom I_PFC berechnet, z.B. mittels einer softwareimplementierten Phasenregelschleife.
  • Ein Block B3 nutzt die berechnete Ist-Leistung P und die berechnete Soll-Kurvenform des PFC-Stroms I_PFC, die PFC-Spannung U_PFC und den PFC-Strom I_PFC als Eingangsgrößen sowie die zugehörigen Sollgrößen U_PFC_TARGET und I_PFC_TARGET, um daraus das Ansteuersignal PFC_FET für den mindestens einen elektronischen Schalter des Leistungsfaktorkorrekturfilters 7 zu erzeugen. Die Sollgrößen U_PFC_TARGET und I_PFC_TARGET können beispielsweise von einer übergeordneten Einheit, z.B. einer zentralen Steuereinheit, des PEF-Gargeräts 1 vorgegeben werden.
  • 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung R2 zum Ansteuern der H-Brücke 9. Auch hier wird in Block B1 aus dem gemessenen Impulsstrom I_IMP und der gemessenen PFC-Spannung U_PFC die Ist-Leistung P berechnet, ggf. nach Filterung.
  • Ein Block B4 nutzt die berechnete Ist-Leistung P, die gemessene PFC-Spannung U_PFC, den gemessenen Impuls-Strom I_IMP, eine Soll-Pulsfrequenz F_IMP der PEF-Pulse und die Soll-Leistung P_TARGET als Eingangsgrößen, um daraus ein erstes Ansteuersignal H_CHA für die elektronischen Schalter I1 und I4 des ersten Kanals und ein zweites Ansteuersignal H_CHB für die elektronischen Schalter I3 und I2 des zweiten Kanals der H-Brücke 9 zu erzeugen.
  • Ferner kann eine Regelung (o. Abb.) für einen Lüfter (o. Abb.) vorhanden sein, bei der aus einem Messignal eines Temperatursensors, z.B. NTC-Widerstands, ein PWM-Signal zur Ansteuerung, insbesondere Regelung, des Lüfters erzeugt wird, insbesondere um eine durch den Temperatursensor gemessene Temperatur auf einen Sollwert einzuregeln.
  • Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
  • Allgemein kann unter „ein“, „eine“ usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck „genau ein“ usw.
  • Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    PEF-Gargerät
    2
    Leistungselektronik
    3
    PEF-Behandlungskammer
    3a
    Erste PEF-Elektrode
    3b
    Zweite PEF-Elektrode
    4
    Netzanschluss
    5
    Schalter
    6
    Netzfilter
    7
    Leistungsfaktorkorrekturfilter
    8
    Impulskondensator
    9
    H-Brücke
    9a
    Erste Hälfte der H-Brücke
    9b
    Zweite Hälfte der H-Brücke
    10
    Steuereinrichtung
    11
    Kleinspannungsnetzteil
    12
    Nutzerschnittstelle
    13
    Bildschirm
    F_IMP
    Pulsfrequenz der PEF-Signale
    H_CHA
    Ansteuersignal für ersten Kanal der H-Brücke
    H_CHA
    Ansteuersignal für zweiten Kanal der H-Brücke
    I_IMP
    Zu der H-Brücke fließender Strom
    I_PFC
    Von dem Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgegebener Strom
    I_PS
    Stromstärke eines Pulses des PEF-Signals
    I1-I4
    IGBTs der H-Brücke
    LINE_SYNC
    Synchronisationssignal
    P
    Ist-Leistung
    P_TARGET
    Soll-Leistung
    PFC_FET
    Ansteuersignal für Leistungsfaktorkorrekturfilter
    PS
    PEF-Signal
    R1
    Regelung
    R2
    Ansteuerschaltung zum Ansteuern der H-Brücke
    SWITCH
    Schaltsignal für Schalter
    t
    Zeit
    tein
    Pulsbreite
    T
    Periodendauer
    U_PFC
    Von dem Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgegebene Spannung
    U_PS
    Spannungshöhe eines Pulses des PEF-Signals
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6214297 B1 [0007]
    • WO 9949561 [0007]
    • WO 2005/117257 A1 [0008]
    • WO 2011/139144 A1 [0009]

Claims (10)

  1. Leistungselektronik (2) für ein PEF-Gerät (1), aufweisend - ein elektronisches Leistungsfaktorkorrekturfilter (7), - mindestens einen dem Leistungsfaktorkorrekturfilter (7) nachgeschalteter Impulskondensator (8), - eine elektronische H-Brücke (9), die dazu eingerichtet ist, aus der in dem mindestens einen Impulskondensator (8) gespeicherten Energie PEF-Signale (PS) zu erzeugen, und - eine Steuereinrichtung (10), die zum Ansteuern, insbesondere Regeln, des Leistungsfaktorkorrekturfilters (7) und der H-Brücke (9) eingerichtet ist, wobei - die Leistungselektronik (2) schaltnetzteillos aufgebaut ist.
  2. Leistungselektronik (2) nach Anspruch 1, wobei eine Kapazität des jeweiligen mindestens einen Impulskondensators (8) weniger als 200 µF beträgt, insbesondere zwischen 50 µF und 60 µP, insbesondere von ca. 55 µF.
  3. Leistungselektronik (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Impulskondensator (8) ein Folienkondensator ist.
  4. Leistungselektronik (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, - aus einem gemessenen Impulsstrom (I_IMP) und einer gemessenen PFC-Spannung (U_PFC) eine Ist-Leistung (P) zu berechnen, - aus einem Synchronisationssignal (LINE_SYNC) eine Soll-Kurverform für einen PFC-Strom (I_PFC) zu berechnen und - aus der Ist-Leistung (P), der PFC-Spannung (U_PFC), dem PFC-Strom (I_PFC) und der Soll-Kurvenform ein Ansteuersignal (PFC_FET) für mindestens einen elektronischen Schalter des Leistungsfaktorkorrekturfilters (7) zu erzeugen.
  5. Leistungselektronik (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, - aus einem Impulsstrom (I_IMP) und einer PFC-Spannung (U_PFC) eine Ist-Leistung (P) zu berechnen, - aus der Ist-Leistung (P), der PFC-Spannung (U_PFC), dem Impulsstrom (I_IMP), einer Soll-Pulsfrequenz (F_IMP) und einer Soll-Leistung (P_TARGET) ein erstes Ansteuersignal (H_CHA) für die elektronischen Schalter (I1, I4) eines ersten Kanals der H-Brücke (9) und ein zweites Ansteuersignal (H_CHB) für die elektronischen Schalter (I2, I3) eines zweiten Kanals der H-Brücke (9) zu erzeugen.
  6. Leistungselektronik (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der dem Netzanschluss (4) und dem Leistungsfaktorkorrekturfilter (7) ein insbesondere galvanisch trennender Schalter (5) und/oder ein Netzfilter (6) zwischengeschaltet ist.
  7. PEF-Gargerät (1), aufweisend eine mit Gargut und Flüssigkeit beschickbare PEF-Behandlungskammer (3) mit voneinander beabstandeten PEF-Elektroden (3a, 3b), zwischen denen das Gargut und die Flüssigkeit anordenbar sind, und eine Leistungselektronik (2) zum Erzeugen von an die PEF-Elektroden (3a, 3b) anlegbaren PEF-Signalen (PS) aus einem Netzanschlusssignal, wobei die Leistungselektronik (2) eine Leistungselektronik (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
  8. PEF-Gargerät (1) nach Anspruch 6, wobei die H-Brücke (9) eine erste Hälfte (9a) und eine zweite Hälfte (9b) aufweist, die beide dem mindestens einen Impulskondensator (8) nachgeschaltet sind, und die erste Hälfte (9a) der H-Brücke (9) mit der mindestens einen ersten Elektrode (3a) der PEF-Behandlungskammer (3) verbindbar und die zweite Hälfte (9b) der H-Brücke (9) mit der mindestens einen zweiten Elektrode (3b) der PEF-Behandlungskammer (3) verbindbar ist.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Leistungselektronik (2) für ein PEF-Gerät (1), bei dem - ein elektronisches Leistungsfaktorkorrekturfilter (7) so angesteuert wird, dass es ein Netzanschlusssignal zum Aufladen mindestens eines Impulskondensators (8) gleichrichtet und aufwärtswandelt und - eine elektronische H-Brücke (9) so angesteuert wird, dass sie aus in dem mindestens einen Impulskondensator (8) gespeicherter elektrischer Energie PEF-Signale (PS) erzeugt.
  10. Verfahren zum Betreiben eines PEF-Gargeräts (1), bei dem die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 9 erzeugten PEF-Signale (PS) an PEF-Elektroden (3a, 3b) einer PEF-Behandlungskammer (3) des PEF-Gargeräts (1) angelegt werden.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999049561A1 (en) 1998-03-24 1999-09-30 The Ohio State Research Foundation A high-voltage pulse generator
US6214297B1 (en) 1999-03-24 2001-04-10 The Ohio State University High voltage pulse generator
WO2005117257A1 (de) 2004-05-18 2005-12-08 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Einrichtung zum elektroporieren von biologisch pflanzlichem prozessgut
WO2011139144A1 (en) 2010-05-05 2011-11-10 Ixl Nederland B/V. Method and system for treating a substantially solid food product

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