EP1625774B2

EP1625774B2 - Temperaturregelung für ein induktiv erwärmtes heizelement

Info

Publication number: EP1625774B2
Application number: EP03816956A
Authority: EP
Inventors: José Miguel Emilia Pardo BURDIO PINILLA; Pablo Jesús HERNANDEZ BLASCO; Sergio LLORENTE GIL; Fernando Monterde Aznar; José Ramón GARCIA JIMENEZ; Ignacio Esteras Duce
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: US20080121633A1; ES2294371T5; ES2246640A1; ES2294371T3; AU2003276195A1; DE50308299D1; EP1625774A1; ATE374515T1; ES2246640B1; WO2004103028A1; EP1625774B1; US7692121B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Heizelementes, welches induktiv durch einen Induktor beheizt wird, dem über eine Steuerschaltung elektrische Leistung zugeführt wird und eine dementsprechende Steuerschaltung, sowie ein Induktionskochfeld und einen Induktionsofen mit einer solchen Steuerschaltung.
Das Erwärmen eines Heizelementes durch Induktion ist bekannt. Dabei führt eine Verlustleistung eines hochfrequenten Wechselfeldes, welches von einer Induktionsspule, dem sogenannten Induktor, durch magnetische Kopplung in einem Teil des Heizelementes erzeugt wird, zu der Erwärmung des Heizelementes. Dieses Prinzip wird z.B. bei Induktionskochfeldern verwendet, bei denen die Wärme eines Kochgefäßes in dessen Boden durch Induktion erzeugt wird.
Aus US 3 781 506 ist ein Verfahren zur Messung und Regelung der Temperatur eines induktiv erwärmten Kochgefäßes bei einem Induktionskochgerät bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Parameter eines Schaltkreises gemessen, der den Induktor mit elektrischer Leistung versorgt. Dieser Parameter wird von der Erwärmung des Kochgefäßes beeinflusst, so dass sein Wert mit einer Temperaturänderung des Kochgefäßes variiert. Die Temperatur des Kochgefäßes kann aus dem gemessenen Wert des Parameters anhand einer Temperatur-Kennlinie des Parameters bestimmt werden.
Der Nachteil des in US 3 781 506 vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin, dass es nur für ein Kochgefäß funktioniert, für welches die Temperatur-Kennlinie des Parameters bekannt und für welches das Verfahren geeicht worden ist. D.h. für Kochgefäße, die in ihrem Erwärmungsverhalten von der dem Verfahren zugrunde liegenden Kennlinie abweichen, ist das Verfahren sehr ungenau. Dies gilt auch für Kochgefäße, deren Erwärmungsverhalten sich im Laufe der Zeit durch Abnutzung ändert.
Aus US 6 163 019 ist ein Resonanzfrequenz-Induktionsofen, insbesondere zum Schmelzen von Metallen, bekannt, bei dem, um einen voreingestellten Leistungspegel der Heizelemente zu erreichen, eine anfängliche Leitungszeit (Puls-Weite) der Heizelemente vorbestimmt wird und dann die Heizelemente solange mit folgend vergrößerter Puls-Weite angesteuert werden, bis die vorbestimmte Heizleistung erreicht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Temperaturregelung eines induktiv erwärmten Heizelementes zur Verfügung zu stellen, welches unabhängig von dem Zustand des Heizelementes und für unterschiedliche Heizelemente funktioniert.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Temperaturregelung zu einem ersten Zeitpunkt aktiviert wird, dass abhängig von mindestens einer elektrischen Größe der Steuerschaltung, die von der Temperatur des Heizelementes abhängt, zu diesem ersten Zeitpunkt ein Referenzwert bzw. ein Sollwert bestimmt wird, dass abhängig von der elektrischen Größe zu zumindest einem späteren Zeitpunkt ein Vergleichswert bzw. ein Istwert und eine Abweichung dieses Vergleichswertes von dem Referenzwert bestimmt wird, und dass dem Induktor abhängig von der Abweichung Leistung zugeführt wird, so dass die Temperatur des Heizelementes auf einen dem Referenzwert entsprechenden konstanten Wert geregelt wird sowie durch die weiteren Merkmale des Anspruchs 1.
Des weiteren wird die Aufgabe durch eine Steuerschaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Steuerschaltung ein Bedienelement zur Aktivierung der Temperaturregelung umfasst, dass die Steuerschaltung zumindest eine Messeinrichtung zur Bestimmung von mindestens einer elektrischen Größe der Steuerschaltung, die von der Temperatur des Heizelementes abhängt, umfasst, dass die Steuerschaltung zur Bestimmung eines von der elektrischen Größe abhängigen Referenzwertes zu einem Aktivierungszeitpunkt der Temperaturregelung und zur Bestimmung eines von der elektrischen Größe abhängigen Vergleichswertes zu zumindest einem späteren Zeitpunkt ausgebildet ist, dass die Steuerschaltung eine Vergleichseinheit zur Bestimmung einer Abweichung des Vergleichswertes von dem Referenzwert umfasst, und dass die Steuerschaltung eine Steuereinheit zur Steuerung des Leistungsreglers abhängig von der Abweichung umfasst, zur Temperaturregelung des Heizelementes auf einen dem Referenzwert entsprechenden konstanten Wert sowie durch die weiteren Merkmale des Anspruchs 10.
Dadurch dass zum Aktivierungszeitpunkt der Temperaturregelung abhängig von der elektrischen Größe der Steuerschaltung der Referenzwert bestimmt und dieser mit dem Vergleichswert verglichen wird, der zu, zumindest einem späteren Zeitpunkt abhängig von der elektrischen Größe der Steuerschaltung bestimmt wird, ist auf einfache Art und Weise sicher gestellt, dass die Temperaturregelung auf eine dem Referenzwert entsprechende Temperatur von der Wahl des Heizelementes unabhängig ist. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass die Temperatur des Heizelementes somit ohne Kenntnis einer spezifischen Temperatur-Kennlinie der elektrischen Größe für das Heizelement geregelt werden kann. Auf diese Weise ist die Temperaturregelung selbst dann funktionsfähig, wenn das Heizelement ungenau zu dem Induktor positioniert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Temperaturregelung von einem Benutzer durch Betätigung eines Bedienelementes aktiviert werden kann, welches insbesondere zumindest ein Schalter oder zumindest ein Berührungssensor ist. Dadurch kann der Benutzer die gewünschte Temperatur des Heizelementes bestimmen, in dem er z.B. bei einer Induktionskochzone eines Induktionskochfeldes die Temperaturregelung dann aktiviert, wenn Wasser in einem Kochgefäß auf dieser Induktionskochzone zu kochen beginnt oder ein Gargut in dem Kochgefäß auf einer, von dem Benutzer subjektiv bestimmten Temperatur gehalten werden soll. Die Temperatur des Heizelementes, wie z.B. des Kochgefäßes, wird nach Aktivierung der Temperaturregelung beibehalten, ohne mit einem Sensor die absolute Temperatur des Heizelementes bestimmen zu müssen. Die elektrischen Leistung wird automatisch geregelt, um die Temperatur des Heizelementes auf der dem Referenzwert entsprechenden Temperatur zu halten und ein manuelles Nachregeln der elektrischen Leistung durch den Benutzer, ist auch dann nicht notwendig, wenn z.B. während eines Kochprozesses noch kaltes Gargut dem Kochgefäß zugeführt wird.
Der Vergleichswert der elektrischen Größe wird in vorgegebenen, insbesondere periodischen Zeitabständen bestimmt. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Temperaturregelung erhöht, da Änderungen der Temperatur des Heizelementes durch z.B. äußere Einflüsse in regelmäßigen Zeitabständen erfasst werden und die dem Induktor zugeführte elektrische Leistung entsprechend nachgeregelt wird, um die Temperatur konstant zu halten.
Um den Aufwand für die Temperaturregelung gering zu halten, ist in einer bevorzugten Ausführungsform die elektrische Größe aus welcher der Referenzwert und/oder der Vergleichswert bestimmt, insbesondere berechnet wird, die elektrische Leistung und/oder eine gemittelte Spannung und/oder ein gemittelter Strom, da diese elektrischen Größen der Steuerschaltung besonders einfach erfasst werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden der Referenzwert und/oder der Vergleichswert bei einer vorgegebenen Frequenz der elektrischen Größe bestimmt. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass frequenzabhängige Einflüsse des Heizelementes oder der Bestimmung des Referenzwertes bzw. des Vergleichswertes vermieden werden, wodurch die Genauigkeit der Temperaturregelung erhöht werden kann.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen

Fig.1: eine schematische Darstellung eines Induktionskochfeldes mit einer Steuerschaltung zur Temperaturregelung,
Fig.2: eine Systemskizze der Steuerschaltung,
Fig.3a: eine Detailskizze der Steuerschaltung,
Fig.3b: ein schematischer zeitlicher Verlauf einer Eingangsspannung der Steuerschaltung,
Fig.3c: ein schematischer zeitlicher Verlauf einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstromes der Steuerschaltung,
Fig.4: ein Ablaufdiagramm der Temperaturregelung des Heizelementes,
Fig.5: schematisch einen zeitlichen Verlauf der Temperaturregelung,
Fig.6: eine schematische Darstellung eines Induktionsofens mit Temperaturregelung,

In Figur 1 ist ein Induktionskochfeld 1 mit einer Steuerschaltung 2 zur Temperaturregelung eines Kochgefäßes 3 gezeigt. Das Induktionskochfeld 1 weist eine Glaskeramikplatte 4 mit vier Induktionskochzonen 5 auf, an deren Position sich unter der Glaskeramikplatte je ein Induktor 6 befindet. Das Kochgefäß 3 wird durch einen der Induktoren 6 beheizt. Zur Bedienung der Induktoren 6 ist an einer Front 7 der Glaskeramikplatte eine Bedieneinheit 8 angeordnet. Diese Bedieneinheit 8 umfasst Bedienelemente 9 zur Aktivierung und Deaktivierung der Temperaturregelung.
Wie in Figur 2 gezeigt, umfasst die Steuerschaltung 2 den Induktor 6 zur induktiven Erwärmung eines Heizelementes 3, wie beispielsweise des Kochgefäßes 3 in Figur 1, einen Leistungsregler 10 zur Regelung einer dem Induktor 6 zugeführten elektrischen Leistung P, eine Messeinrichtung 11 zur Messung elektrischer Größen ν_o, i_o, P , I der Steuerschaltung 2, ein Bedienelement 9 zur Aktivierung und Deaktivierung der Temperaturregelung und eine Steuereinheit 12, wie z.B. einen Mikroprozessor, zur Steuerung des Leistungsreglers 10. Die Steuerschaltung 2 wird von einer Spannungsquelle 13 mit einer Eingangsspannung ν_i versorgt, die eine Wechselspannung ist. Der Leistungsregler 10 umfasst üblicherweise einen Umrichter (nicht gezeigt), der die Eingangsspannung ν_i mit einer Eingangsfrequenz von beispielsweise 50 Hz in eine Ausgangsspannung ν_o umwandelt, die in einem höheren Frequenzbereich liegt, z.B. über 25 kHz. Zur Steuerung der Leistung, die z.B. über einen Drehwähler der Bedieneinheit 8 voreingestellt ist, sind verschiedene Prinzipien bekannt, z.B. ein periodisches An- und Ausschalten der Ausgangsspannung ν _o , eine Frequenzanpassung der Ausgangsspannung ν _o oder eine Steuerstromänderung. Die Temperaturregelung wird von dem Bedienelement 9 durch ein Steuersignal S_T an die Steuereinheit 12 aktiviert. Die von der Messeinrichtung 11 erfassten elektrischen Größen ν _o , i_o, P , I der Steuerschaltung 2 werden der Steuereinheit 12 zugeführt und dort zu einem Steuersignal für die Leistungssteuerung S_P verarbeitet. Aufgrund des Steuersignals für die Leistungssteuerung S_P, das dem Leistungsregler 10 zugeführt wird, wird die dem Induktor 6 zugeführte elektrische Leistung P geregelt und somit eine in dem Heizelement 3 erzeugte Wärmeleistung W.
In Figur 3a ist eine Detailskizze der Steuerschaltung 2 gezeigt. Die Steuerschaltung 2 wird über die Spannungsquelle 13 mit der Eingangsspannung ν_i versorgt. Die Höhe diese Eingangsspannung ν_i wird mit Hilfe eines Spannungsteilers 14, der zwei Widerstände R1, R2 umfasst, reduziert und mittels eines Gleichrichters 15 zu einer gleichgerichteten Eingangspannung ν_r umgeformt. Die Positionen von Spannungsmaxima V_m in einem zeitlichen Verlauf der gleichgerichteten Eingangspannung ν_r werden mit einem Peakdetektor 16 detektiert und einer Hochspannungsisolation 17 nachgeordnet, wird ein Wert der Spannungsmaxima V_m erfasst. In Figur 3b ist der Verlauf der Eingangsspannung ν_i und der Verlauf der gleichgerichteten Eingangspannung v_r über einer Zeitachse t gezeigt. Im Verlauf der gleichgerichteten Eingangspannung ν_r ist der Wert der Spannungsmaxima V_m gekennzeichnet.
Die dem Induktor 6 zugeführte elektrische Leistung P wird von dem Leistungsregler 10 mit Hilfe zweier Hochfrequenzschalter S1, S2 geregelt, die beispielsweise Leistungs-Halbleiterbauelemente sein können. Am Induktor liegt eine Ausgangsspannung ν_o an und es fließt ein Ausgangsstrom i_o. Diese beiden elektrischen Größen ν_o, i_o werden durch eine Widerstandsänderung des Heizelementes 3 beeinflusst, die von dem Heizelemente 3 und seiner Temperatur T abhängt. Der Ausgangsstrom i_o wird mit Hilfe eines Strom-Spannungswandlers 18 erfasst, an dessen Widerstand R3 eine Spannung vi anliegt, die proportional dem Ausgangsstrom i_o . ist. In Figur 3c ist schematisch der detektierte zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung v_o und des Ausgangsstromes i_o gezeigt. Eine weitere, alternative Messgröße, die von der Temperatur T des Heizelementes 3 abhängt, ist beispielsweise eine Phasenverschiebung Δt zwischen Ausgangsspannung ν _o und Ausgangsstrom i_o , die z.B. anhand eines Nulldurchganges N1 der Ausgangsspannung ν _o und eines Nulldurchganges N2 des Ausgangsstromes i_o bestimmt werden kann. Es können auch andere elektrische Größen der Steuerschaltung 2 gemessen werden, die von der Temperatur T des Heizelementes 3 abhängen, wie beispielsweise eine gemittelte elektrische Leistung P, ein gemittelter gleichgerichteter Strom I, ein maximaler Strom I_max oder eine Frequenz der Ausgangsspannung v_o oder des Ausgangsstromes i_o .
Aus dem Produkt von Ausgangsspannung v_o und Ausgangsstrom i_o kann die gemittelte elektrische Leistung P bestimmt werden $P = \frac{1}{τ} \cdot \int_{0}^{τ} v_{o} \cdot i_{o} \cdot ⅆ t,$

wobei τ einen Mittelungszeitraum angibt. Der gemittelter gleichgerichteter Strom I wird gemäß $I = \frac{1}{τ} \int_{0}^{τ} abs (i_{o}) \cdot ⅆ t$
bestimmt, wobei abs(i_o) einen Absolutbetrag des Ausgangsstromes i_o bezeichnet. Eine Alternative ist die Bestimmung der Wurzel des quadratischen Mittelwertes I _rms des Ausgangsstroms i_o . Die gemittelte elektrische Leistung P und der gemittelte gleichgerichtete Strom I werden durch die Messeinrichtung 11 erfasst und der Steuereinheit 12 zugeführt. In der Steuereinheit 12 wird aus der gemittelten elektrischen Leistung P und dem gemittelten gleichgerichteten Strom I ein Wert einer Funktion F wie folgt berechnet $F = k_{P} \cdot \frac{P}{V_{rms}^{2}} + k_{I} \cdot \frac{I}{V_{rms}},$

wobei k_p und k_I Konstanten sind, die experimentell bestimmt werden, um eine maximale Variation des Funktionswertes F mit der Temperatur T des Heizelementes 3 zu erzielen. V_rms bezeichnet die Wurzel des quadratischen Mittelwertes der Eingangsspannung ν _i . Es sind auch andere Funktionen F möglich, beispielsweise kann die Funktion F auch eine Impedanz von dem Heizelement 3 und dem Induktor 6 sein, die aus einem Verhältnis von gemitteiter Leistung P zu einem Quadrat des gemittelten Stromes I bestimmt wird.
In Figur 4 ist ein Ablaufdiagramm der Temperaturregelung des Heizelementes 3 gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt TA wird die Temperaturregelung durch ein Steuersignal S_T aktiviert. Damit wird eine normale Leistungssteuerung, der über die Bedieneinheit 8 gewählten Leistung P verlassen und zur Leistungssteuerung mittels Temperaturregelung übergegangen. Dazu wird in einem zweiten Verfahrensschritt RW nahezu gleichzeitig zur Aktivierung der Temperaturregelung ein Referenzwert F_R aus dem aktuellen Wert der Funktion F bestimmt, der abhängig von mindestens einer der elektrischen Größen ν _o , i_o, P , I der Steuerschaltung 2 ist, die von der Temperatur T des Heizelementes 3 abhängt. In einem nächsten Verfahrensschritt VW wird abhängig von der elektrischen Größe v_o , i_o , P , I ein Vergleichswert F_v aus der Funktion F und eine Abweichung dieses Vergleichswertes F_v von dem Referenzwert F_R bestimmt. In dem nächsten Verfahrensschritt TR wird dem Induktor 6 abhängig von der Abweichung elektrische Leistung P zugeführt, so dass die Temperatur T des Heizelementes 3 auf einen dem Referenzwert F_R entsprechenden konstanten Wert geregelt wird. In einem nächsten Verfahrensschritt DA wird geprüft, ob ein Signal S_T für eine Deaktivierung der Temperaturregelung vorliegt. Ist dies nicht der Fall N so wird mit dem Verfahrensschritt VW fortgefahren. Liegt ein Signal S_T zur Deaktivierung der Temperaturregelung vor Y, so wird die Temperaturregelung in dem nächsten Verfahrensschritt TE beendet und eine Leistungssteuerung L der elektrischen Leistung P wird ohne Temperaturregelung mit dem Leistungsregler 10 entsprechend der mittels der Bedieneinheit 8 gewählten Leistung P durchgeführt.
In Figur 5 ist schematisch ein zeitlicher Verlauf der Temperaturregelung gezeigt. Zu einem Zeitpunkt t0 wird der Induktor 6 mit dem Heizelement 3 aktiviert und dem Induktor 6 somit eine mittels der Bedieneinheit 8 gewählte elektrische Leistung P1 zugeführt, die über den Leistungsregler 10 gesteuert wird und das Heizelement 3 auf eine Temperatur T1 aufheizt. Zu einem Zeitpunkt t1 wird von einem Benutzer durch Betätigung des Bedienelements 9, welches beispielsweise ein Schalter oder ein Berührungssensor ist, die Temperaturregelung aktiviert. Zu diesem ersten Zeitpunkt t1 wird der Referenzwert F_R und zu späteren Zeitpunkten t2 bis t7, die vorteilhaft in periodischen Zeitabständen liegen, jeweils der Vergleichswert F_V bestimmt. Während des Mittelungszeitraumes τ, den die Messeinrichtung 11 zur Messung M der elektrischen Größen ν _o , i_o , P , I benötigt, wird die Frequenz der Ausgangsspannung ν _o bzw. des Ausgangsstromes i_o auf einen vorgegebenen Wert geregelt und die Leistungssteuerung L des Leistungsreglers 10 wird solange unterbrochen. Da der Mittelungszeitraum τ typischerweise in der Größenordnung von 10 bis 800 Millisekunden liegt, ist dieser Zeitraum im Vergleich zur typischen Dauer d der Leistungssteuerung L von 5 bis 15 Sekunden vernachlässigbar gering.
Sobald die Temperaturregelung aktiviert ist, wird die dem Induktor 6 zugeführte elektrische Leistung von dem Leistungswert P1 auf einen geringeren Leistungswert P2 reduziert, um den Temperaturwert T1 des Heizelementes 3 konstant zu halten. Zu einem Zeitpunkt t4 wird das Heizelement 3 durch einen äußeren Einfluss abgekühlt, beispielsweise indem einem Kochgefäß 3 kalte Flüssigkeit zugeführt wird. Diese Abkühlung des Heizelementes 3 auf einen Temperaturwert T2 wird durch die Abweichung des Vergleichswertes F_V von dem Referenzwert F_R erfasst. Daraufhin bewirkt die Temperaturregelung eine Erhöhung der dem Induktor 6 zugeführten elektrischen Leistung auf einen Wert P3, um das Heizelement 3 wieder auf die Temperatur T1 aufzuheizen. Bis die Temperatur T1 wieder erreicht ist, kann die dem Induktor 6 zugeführte elektrische Leistung P schrittweise bis zu einem Wert P4 reduziert werden. Dieser Leistungswert P4 wird nun dem Induktor 6 zugeführt, um das Heizelement 3 auf dem konstanten Temperaturwert T1 zu halten. Die Temperaturregelung bleibt solange aktiv, bis sie beispielsweise durch Betätigen des Bedienelementes 9 durch den Benutzer deaktiviert wird. Eine andere Möglichkeit der Deaktivierung der Temperaturregelung ist beispielsweise das Entfernen des Heizelementes 3 von dem Induktor 6, eine Deaktivierung des Induktors 6 durch den Benutzer oder eine andere Leistungsvorgabe für den Induktor 6 über die Bedieneinheit 8.
Als ein weiteres Anwendungsbeispiel für die Temperaturregelung des induktiv beheizten Heizelementes 3 ist in Figur 6 schematisch ein Induktionsofen 19 dargestellt. Die Bedieneinheit 8 des Induktionsofens 19, die sich an einer Frontseite 20 des Induktionsofens befindet, umfasst das Bedienelement 9 zur Aktivierung und Deaktivierung der Temperaturregelung. Eine Beschickungsöffnung 21 des Induktionsofens 19 ist durch Seitenwände 22, eine Deckenwand 23 und eine Bodenwand 24, sowie eine Rückwand 26 und eine Tür (in der Figur 6 nicht gezeigt) begrenzt. Die Induktoren 6 befinden sich beispielsweise an der Deckenwand 23 und an der Bodenwand 24 des Induktionsofens 19 und sind durch die Heizelemente 3 abgedeckt. Die Induktoren 6 und die Heizelemente 3 können ebenso an den Seitenwänden 22 angebracht sein. Alternativ kann das Heizelement 3 auch ein Gargutträger, wie beispielsweise ein Backblech sein, oder eine der Seitenwände 22, die Deckenwand 23 oder die Bodenwand 24.

Bezugszeichenliste

1: Induktionskochfeld
2: Steuerschaltung
3: Heizelement, Kochgefäß, Gargutträger
4: Glaskeramikplatte
5: Induktionskochzonen
6: Induktor
7: Front der Glaskeramikplatte
8: Bedieneinheit
9: Bedienelement zur Aktivierung/Deaktivierung der Temperaturregelung
10: Leistungsregler
11: Messeinrichtung
12: Steuereinheit, Mikroprozessor
13: Spannungsversorgung
14: Spannungsteiler
15: Gleichrichter
16: Peakdetektor
17: Hochspannungsisolation
18: Strom-Spannungswandler
19: Induktionsofen
20: Frontseite des Induktionsofens
21: Beschickungsöffnung des Induktionsofens
22: Seitenwand des Induktionsofens
23: Deckenwand des Induktionsofens
24: Bodenwand des Induktionsofens
25: Rückwand des Induktionsofens

d: Dauer der Leistungskontrolle
F _R: Referenzwert
F_V: Vergleichswert
i_o: Ausgangsstrom der Steuerschaltung
I: gemittelter Strom
I _max: Maximalwert des Stroms
L: Leistungskontrolle mit dem Leistungsregler
M: Messung der elektrischen Größen
N1: Nulldurchgang der Ausgangsspannung
N2: Nulldurchgang des Ausgangsstromes
P: elektrische Leistung
R1: Widerstand des Spannungsteilers
R2: Widerstand des Spannungsteilers
R3: Widerstand des Strom-Spannungswandlers
S_T: Steuersignal zur Aktivierung/Deaktivierung der Temperaturregelung
S_P: Steuersignal zur Leistungsregelung
S1: Hochfrequenzschalter
S2: Hochfrequenzschalter
t: Zeitachse
Δt: Phasenverschiebung zwischen Ausgangsspannung und Ausgangsstrom
τ: Mittelungszeitraum für die Temperaturregelung
T: Temperatur des Heizelementes
v_i: Eingangsspannung der Steuerschaltung
v_r: gleichgerichtete Eingangsspannung
v_o: Ausgangsspannung der Steuerschaltung
vi: Spannung proportional dem Ausgangsstrom
V_m: Maximalwert der gleichgerichteten Eingangsspannung
W: Wärmeleistung

AT: Aktivierung der Temperaturregelung
RW: Bestimmung des Referenzwertes
VW: Bestimmung des Vergleichswertes und seine Abweichung von dem Referenzwert
TR: Leistungsregelung entsprechend der Temperaturregelung
DA: Abfrage, ob Temperaturregelung deaktiviert ist
TE: Ende der Temperaturregelung
N: Signal zur Deaktivierung der Temperaturregelung liegt nicht vor
Y: Signal zur Deaktivierung der Temperaturregelung liegt vor

Claims

Verfahren zur Temperaturregelung eines Heizelementes (3), welches induktiv durch einen Induktor (6) beheizt wird, dem über eine Steuerschaltung (2) elektrische Leistung (P) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Temperaturregelung zu einem ersten Zeitpunkt (t1) aktiviert wird (AT),

- dass abhängig von mindestens einer elektrischen Größe (v_o , i_o , P, I) der Steuerschaltung (2), die von der Temperatur (T) des Heizelementes (3) abhängt, zu diesem ersten Zeitpunkt (t1) ein Referenzwert (F_R ) bestimmt wird (RW),

- dass abhängig von der elektrischen Größe (v_o, i_o, P , I) zu zumindest einem späteren Zeitpunkt (t2 - t7) ein Vergleichswert (F_v ) und eine Abweichung dieses Vergleichswertes (F_V ) von dem Referenzwert (F_R ) bestimmt wird (VW),

- dass dem Induktor (6) abhängig von der Abweichung Leistung (P) zugeführt wird, so dass die Temperatur (T) des Heizelementes (3) auf einen dem Referenzwert (F_R ) entsprechenden konstanten Wert geregelt wird (TR) und

- dass der Vergleichswert (F_V ) der elektrischen Größe (v_o, i_o, P, I) in vorgegebenen Zeitabständen (t2 - t7) bestimmt wird,

- wobei der Referenzwert (F_R ) aus einem aktuellen Wert einer Funktion $F = k_{P} \cdot \frac{P}{V_{rms}^{2}} + k_{I} \cdot \frac{I}{V_{rms}}$
bestimmt wird, wobei
k_p eine Konstante,

k_I eine Konstante,

P eine über einen Mittelungszeitraum (τ) gemittelte elektrische Leistung,

I einen über den Mittelungszeitraum (τ) gemittelten gleichgerichteten elektrischen Strom,

V_rms die Wurzel eines quadratischen Mittelwertes einer Eingangsspannung
bezeichnen, wobei die Konstanten (K_P,K_I) experimentell bestimmt werden, um eine maximale variation des Werts der Funktion (F) mit der Temperatur (T) des Heizelements (3) zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturreglung von einem Benutzer durch Betätigung eines Bedienelementes (9) aktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Zeitabstände (t2 - t7) periodisch sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Größe die elektrische Leistung (P) und/oder eine gemittelte Spannung und/oder ein gemittelter Strom (I) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (F_R ) und/oder der Vergleichswert (F_V ) eine Impedanz von dem Heizelement (3) und dem Induktor (6) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (F_R ) und/oder der Vergleichswert (F_V ) aus der elektrischen Größe (v_o , i_o, P, I) berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregelung von dem Benutzer durch Betätigung des Bedienelementes (9) deaktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregelung von dem Benutzer durch Entfernen des Heizelementes (3) deaktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (F_R ) und/oder der Vergleichswert (F_V ) bei einer vorgegebenen Frequenz der elektrischen Größe (v_o, i_o ) bestimmt werden.
Steuerschaltung zur induktiven Erwärmung eines Heizelementes (3) durch einen Induktor (6), mit einem Leistungsregler (10) zur Regelung einer dem Induktor (6) zugeführten elektrischen Leistung (P) und mit einer Temperaturregelung für das Heizelement (3), dadurch gekennzeichnet,
- dass die Steuerschaltung (2) ein Bedienelement (9) zur Aktivierung der Temperaturregelung umfasst,

- dass die Steuerschaltung (2) zumindest eine Messeinrichtung (11) zur Bestimmung von mindestens einer elektrischen Größe (v_o , i_o, P, I) der Steuerschaltung (2), die von der Temperatur (T) des Heizelementes (3) abhängt, umfasst,

- dass die Steuerschaltung (2) zur Bestimmung eines von der elektrischen Größe (v_o, i_o, P, I) abhängigen Referenzwertes (F_R) zu einem Aktivierungszeitpunkt (t1) der Temperaturregelung und zur Bestimmung eines von der elektrischen Größe (v_o, i_o, P, I) abhängigen Vergleichswertes (F_v ) zu zumindest einem späteren Zeitpunkt (t2 - t7) ausgebildet ist, wobei der Vergleichswert (F_v ) der elektrischen Größe (v_o , i_o, P, I) in vorgegebenen Zeitabständen (t2 - t7) bestimmbar ist,

- dass die Steuerschaltung (2) eine Vergleichseinheit (12) zur Bestimmung einer Abweichung des Vergleichswertes (F_v ) von dem Referenzwert (F_R ) umfasst, und

- dass die Steuerschaltung (2) eine Steuereinheit (12) zur Steuerung des Leistungsreglers (10) abhängig von der Abweichung umfasst, zur Temperaturregelung des Heizelementes (3) auf einen dem Referenzwert (F_R ) entsprechenden konstanten Wert,

- wobei der Referenzwert (F_R ) aus einem aktuellen Wert einer Funktion $F = k_{P} \cdot \frac{P}{V_{rms}^{2}} + k_{I} \cdot \frac{I}{V_{rms}}$

bestimmbar ist, wobei
k_p eine Konstante,

k_I eine Konstante,

P eine über einen Mittelungszeitraum (τ) gemittelte elektrische Leistung,

I einen über den Mittelungszeitraum (τ) gemittelten gleichgerichteten elektrischen Strom,

V_rms die Wurzel eines quadratischen Mittelwertes einer Eingangsspannung
bezeichnen, wobei die Konstanten (K_P,K_I) experimentell bestimmbar sind , damit eine maximale Variation des Werts der Funktion (F) mit der Temperatur (T) des Heizelements (3) erzielbar ist.
Steuerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bedienelement zur Aktivierung der Temperaturregelung zumindest ein Schalter (9) oder zumindest ein Berührungssensor (9) ist.
Steuerschaltung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (11) zur Bestimmung von der mindestens einen elektrischen Größe (v_o , i_o , P, I) der Steuerschaltung (2) eine Spannungsmesseinrichtung und/oder eine Strommesseinrichtung (18) umfasst.
Steuerschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (11) zumindest einen Strom-Spannungswandler (18) umfasst.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (2) einen Mikroprozessor (12) umfasst.
Induktionskochfeld mit einer Steuerschaltung (2) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14.
Induktionsofen mit einer Steuerschaltung (2) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14.
Induktionsofen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) eine Wand (23, 24) des Induktionsofens ist.
Induktionsofen nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) ein Gargutträger ist.