EP2574143B1 - Verfahren zum Beheizen einer in einem Kochgefäß enthaltenen Flüssigkeit und Induktionsheizeinrichtung - Google Patents

Verfahren zum Beheizen einer in einem Kochgefäß enthaltenen Flüssigkeit und Induktionsheizeinrichtung Download PDF

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EP2574143B1
EP2574143B1 EP12185387.3A EP12185387A EP2574143B1 EP 2574143 B1 EP2574143 B1 EP 2574143B1 EP 12185387 A EP12185387 A EP 12185387A EP 2574143 B1 EP2574143 B1 EP 2574143B1
Authority
EP
European Patent Office
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parameter value
heating power
value
resonant circuit
setpoint value
Prior art date
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Active
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EP12185387.3A
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English (en)
French (fr)
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EP2574143A3 (de
EP2574143A2 (de
Inventor
Wilfried Schilling
Christian Egenter
Werner Kappes
Stefan Westrich
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EGO Elektro Geratebau GmbH
Original Assignee
EGO Elektro Geratebau GmbH
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Publication date
Application filed by EGO Elektro Geratebau GmbH filed Critical EGO Elektro Geratebau GmbH
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Publication of EP2574143A3 publication Critical patent/EP2574143A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H05B6/062—Control, e.g. of temperature, of power for cooking plates or the like
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2213/00—Aspects relating both to resistive heating and to induction heating, covered by H05B3/00 and H05B6/00
    • H05B2213/07—Heating plates with temperature control means

Definitions

  • the invention relates to a method for heating a liquid contained in a cooking vessel by means of an induction heater and an induction heater for performing the method.
  • In Indutationsloom acquired an alternating magnetic field is generated by means of an induction heating, which induces eddy currents in a heated cooking vessel with a bottom of ferromagnetic material and causes loss of magnetization, whereby the cooking vessel is heated.
  • the induction heating coil is part of a resonant circuit comprising the induction heating coil and one or more capacitors.
  • the induction heating coil is usually designed as a flat, spirally wound coil with associated ferrite cores and arranged, for example, under a glass ceramic surface of an induction hob.
  • the induction heating coil forms an inductive and a resistive part of the resonant circuit in conjunction with the cookware to be heated.
  • a low-frequency AC mains voltage is first rectified with a mains frequency of, for example, 50 Hz or 60 Hz and then converted by means of semiconductor switches into an excitation or drive signal of higher frequency.
  • the excitation signal or the drive voltage is usually a square-wave voltage with a frequency in a range from 20 kHz to 50 kHz.
  • a circuit for generating the excitation signal is also referred to as a (frequency) converter.
  • a frequency of the excitation signal or of the rectangular voltage is changed as a function of the heat output to be delivered or fed in or of the desired power consumption.
  • This method for adjusting the heating power output makes use of the fact that with a stimulation of the resonant circuit with its resonant frequency, a maximum heat output occurs. The greater the difference between the frequency of the excitation signal and the resonant frequency of the resonant circuit, the smaller the output of heating power.
  • the induction heating device has a plurality of oscillation circuits, for example, if the induction heating device forms an induction hob with different induction cookers and different heating powers are set for the oscillating circuits, beats may be caused by superimposing the different frequencies of the excitation signals, which may lead to disturbing noises.
  • a method for heating power adjustment which avoids noise due to such beats, is a pulse width modulation of the excitation signal at constant excitation frequency, in which an effective value of a heating power is adjusted by changing the pulse width of the excitation signal.
  • RMS control by changing the pulse width at a constant excitation frequency, however, high on and off currents in the semiconductor switches, whereby a broadband and high-energy interference spectrum is caused.
  • the DE 10 2009 047 185 A1 discloses a method and an induction heater in which temperature dependent ferromagnetic properties of the cooking vessel bottom are measured at high resolution and evaluated to determine the temperature of the cooking vessel bottom.
  • the DE 102 31 122 A1 shows a method for measuring the temperature of a metallic cooking vessel, wherein at a boiling point, a resonant circuit parameter can be detected, which is used as a setpoint for a control.
  • the DE 102 53 198 A1 shows a method for thermally monitoring an inductively heatable cooking vessel by evaluating a frequency of an inductive heating causing AC, such boiling is detected.
  • the invention has for its object to provide a method for heating a liquid contained in a cooking vessel by means of an induction heater and an induction heater for performing the method, which, in particular based on the in the DE 10 2009 047 185 A1 revealed measuring principle, a temperature-controlled or temperature-controlled cooking allow.
  • the invention achieves this object by a method having the features of claim 1 and an induction heater having the features of claim 10.
  • the method is used for heating and boiling a liquid contained in a cooking vessel, for example water, by means of an induction heating device, wherein the induction heating device comprises a resonant circuit with an induction heating coil.
  • the method comprises the steps: a) continuous or periodic determination of at least one parameter value of the resonant circuit, in particular a natural resonant frequency of the resonant circuit or a self-resonant frequency associated period which depends on a temperature of the cooking vessel, in particular the cooking vessel bottom, in particular as in the DE 10 2009 047 185 A1 b) subjecting the resonant circuit with a drive signal in the form of a high-frequency square wave voltage for heating power in the cooking vessel, in particular in a cooking vessel bottom, with a predetermined heating power setpoint, in particular a maximum heating power setpoint, preferably during the determination of the at least one parameter value applying the resonant circuit c) evaluating the time profile of the at least one parameter value or evaluating a time profile of a derived from
  • the predetermined period of time is in a range between one second and 50 seconds, preferably between three seconds and 20 seconds.
  • the predetermined amount by which the heating power setpoint is reduced during the predetermined period of time is determined as a function of a set cooking level, in particular such that at a higher cooking level the heating power setpoint during the predetermined period of time is smaller by a smaller amount compared to a lower cooking level is reduced.
  • the setpoint value of the parameter value is equal to the stored parameter value.
  • the heating power setpoint is reduced during the predetermined period of time to 10% to 50% of the maximum heating power setpoint.
  • an offset is subtracted from the stored parameter value for determining the setpoint value of the parameter value, the offset being greater the smaller a set further cooking level is.
  • the following steps are carried out following the above-mentioned steps: Evaluation of the time profile of the parameter value or a variable derived from the parameter value, for example derived by inverse value formation, if the parameter value or the variable derived from the parameter value changes within a monitoring time interval changed more than a maximum amount, for example, due to introduction of food into the liquid: Setting the heating power setpoint to a Nachkochsollwert, and repeating steps c) to g). If the parameter value or the derived variable changes within the monitoring time interval by less than the maximum dimension, it is possible to gently reheat with the previously trapped setpoint value as a reference variable, for example for a PI controller. In this way, the introduction of food, which cools the liquid strongly, optimally taken into account, since a quick re-heating and subsequent cooking can take place immediately.
  • the induction heater includes: a resonant circuit having an induction heating coil and a controller configured to perform the above-mentioned method.
  • Fig. 1 schematically shows an induction heater 9 with a resonant circuit 4, which has a Indu mecanicsmosspule 1 and capacitors 2 and 3, and a power unit 7, controlled by a control device 8 conventionally rectified a low-frequency mains AC voltage UN with a mains frequency of 50Hz, for example, and then by means not shown semiconductor switches in a square wave voltage UR with a frequency in a range of 20kHz to 50kHz converts, wherein the resonant circuit 4 and the induction heating coil 1 is applied to the square wave voltage UR to feed heating power in a ferromagnetic bottom of a cooking vessel 5.
  • the capacitors 2 and 3 are conventionally looped in series between poles UZK + and UZK- an intermediate circuit voltage, wherein a connection node of the capacitors 2 and 3 is connected to a terminal of the induction heating coil 1.
  • the induction heating device 9 has measuring means (not shown in greater detail) which provide a continuous or periodic determination of a parameter value of the oscillating circuit 4 in the form of a period Tp (see FIG Fig. 2 ) allow a self-resonant oscillation of the resonant circuit 4, wherein the period Tp of the temperature of the cooking vessel bottom is dependent, ie with increasing temperature also increases, as the temperature of the cooking vessel bottom, the effective inductance increases, so that the resonant frequency decreases and correspondingly increases the period.
  • the period Tp can be determined, for example, by means of a timer of a microcontroller.
  • the measuring method and the heating power setting is also on the DE 10 2009 047 185 A1 Reference is hereby made to the content of the description to avoid repetition.
  • Fig. 2 shows time courses of a temperature ⁇ of water 6 in the cooking vessel or pot 5, by means of in Fig. 1 shown induction heating device 9 is heated, a fed into the cooking vessel 5 by means of the induction heater heating power P (in% of a rated heat output) and the period Tp an intrinsically resonant oscillation of the resonant circuit 4 in carrying out the method for heating and cooking according to the invention.
  • P in% of a rated heat output
  • the control device 8 continuously determines periodically the period Tp of a self-resonant oscillation of the resonant circuit 4, for which purpose the heating power supply is temporarily interrupted and switched over to self-resonant operation of the resonant circuit 4. Due to the low temporal resolution, these phases are in Fig. 2 not shown.
  • the resonant circuit 4 is supplied with the high-frequency square-wave voltage UR with a maximum heating power setpoint in order to bring about boiling or boiling of the water 6 as quickly as possible.
  • the maximum heating power setpoint known as the boost, is approximately 1.6 times the nominal heating power.
  • the control device 8 evaluates the time profile of the period Tp for determining the boiling point. At the end of the time interval I, the slope of the period Tp decreases below a predetermined minimum value, which suggests boiling of the water 6. A short decrease of the period Tp at the beginning of the time interval I is inherent in the principle and is not evaluated by the controller 8 as boiling.
  • the heating power setpoint is reduced by a predetermined amount for a predetermined time TR of about 20 seconds, the predetermined amount being determined in dependence on a user selected cooking level.
  • the water temperature ⁇ decreases only slightly due to the high heat capacity of water, whereas the pot bottom temperature, represented by the period Tp decreases, to a value PM, which is stored in the control device 8 and corresponds to a desired Fortkochmaschine as a reference variable.
  • the period Tp is controlled by suitable Schullmaschinenspeisung on the stored parameter value PM.
  • the induction heating device 9 provides several selectable Fortkochen, for example, 9 different Fortkochen.
  • Levels 1 and 2 are designed for simmering at temperatures between 75 ° C to 95 ° C. Accordingly, here is a temperature control or a control of the period Tp used, which corresponds to a temperature control of the pot bottom.
  • the reference variable PM for the temperature controller is derived from the boiling point. For this purpose, after detecting the boiling point, the power can be reduced to about 10% to 20% of the rated or maximum power, and after about 3 seconds to 20 seconds the current measured value PM of the period duration, unlike in Fig. 2 represented, minus an offset, which corresponds to about 15K at level 1 and about 5K at level 2, are adopted as a reference variable for the temperature controller or period duration controller.
  • Levels 3-9 are assigned to minimum follow-on services that can not be undercut and are selected by the user depending on the desired degree of walling.
  • the FortkochSullivan is maintained or quickly achieved even after the addition of food without user intervention.
  • This will be like in Fig. 2 ensured thereby ensures that after the detection of the boiling point, the heating power is reduced to a value corresponding to the selected Fort cooking level and after a settling time of a few seconds, about 3 to 20 seconds, the measured value PM of the period Tp is taken as the setpoint.
  • the pot bottom temperature can be controlled to this set point, whereby the minimum heating power can not fall below the value of the desired heating power for the selected wall degree according to the cooking level.
  • the addition of food may result in shifts in the boiling point. These can be detected by a higher or lower temperature than the setpoint temperature (boiling temperature measured at the beginning) during a rated continuous cooking performance. In this case, the setpoint temperature is corrected.
  • the pot bottom temperature decreases due to the heat removal of the food.
  • the type and amount of food results in a smaller or larger temperature jump.
  • different reheating strategies are used according to the invention. For example, more than 3K in less than 10s to a strong, constant postheating with high power (> 75%) until a boiling is recognized again and the strong reheating is stopped.
  • parameter value of the resonant circuit in the form of the period duration, other / additional parameter values can be used, for example an amplitude of a resonant circuit voltage, a voltage across the induction heating coil, an amplitude of a resonant circuit current and / or a phase shift between the resonant circuit voltage and the resonant circuit current ,
  • the invention may also find application in the context of a parallel resonant circuit or a series resonant circuit with full bridge drive.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen einer in einem Kochgefäß enthaltenen Flüssigkeit mittels einer Induktionsheizeinrichtung und eine Induktionsheizeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Bei Induktionsheizeinrichtungen wird mittels einer Induktionsheizspule ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches in einem zu beheizenden Kochgefäß mit einem Boden aus ferromagnetischem Material Wirbelströme induziert und Ummagnetisierungsverluste bewirkt, wodurch das Kochgefäß erhitzt wird.
  • Die Induktionsheizspule ist Bestandteil eines Schwingkreises, der die Induktionsheizspule und einen oder mehrere Kondensatoren umfasst. Die Induktionsheizspule ist üblicherweise als flächige, spiralförmig gewickelte Spule mit zugehörigen Ferrit-Kernen ausgeführt und beispielsweise unter einer Glaskeramikoberfläche eines Induktionskochfelds angeordnet. Die Induktionsheizspule bildet hierbei in Verbindung mit dem zu beheizenden Kochgeschirr einen induktiven und einen resistiven Teil des Schwingkreises.
  • Zur Ansteuerung bzw. Anregung des Schwingkreises wird zunächst eine niederfrequente Netzwechselspannung mit einer Netzfrequenz von beispielsweise 50Hz bzw. 60Hz gleichgerichtet und anschließend mittels Halbleiterschaltern in ein Anregungs- bzw. Ansteuersignal höherer Frequenz umgesetzt. Das Anregungssignal bzw. die Ansteuerspannung ist üblicherweise eine Rechteckspannung mit einer Frequenz in einem Bereich von 20kHz bis 50kHz. Eine Schaltung zur Erzeugung des Anregungssignals wird auch als (Frequenz-)Umrichter bezeichnet.
  • Zum Einstellen einer Heizleistungseinspeisung in das Kochgefäß in Abhängigkeit von einem eingestellten Heizleistungssollwert sind unterschiedliche Verfahren bekannt.
  • Bei einem ersten Verfahren wird eine Frequenz des Anregungssignals bzw. der rechteckförmigen Spannung in Abhängigkeit von der abzugebenden bzw. einzuspeisenden Heizleistung bzw. vom gewünschten Leistungsumsatz verändert. Dieses Verfahren zur Einstellung der Heizleistungsabgabe macht von der Tatsache Gebrauch, dass bei einer Anregung des Schwingkreises mit dessen Resonanzfrequenz eine maximale Heizleistungsabgabe erfolgt. Je größer die Differenz zwischen der Frequenz des Anregungssignals und der Resonanzfrequenz des Schwingkreises wird, desto kleiner wird die abgegebene Heizleistung.
  • Wenn die Induktionsheizeinrichtung jedoch mehrere Schwingkreise aufweist, beispielsweise, wenn die Induktionsheizeinrichtung ein Induktionskochfeld mit unterschiedlichen Induktionskochstellen bildet, und unterschiedliche Heizleistungen für die Schwingkreise eingestellt sind, können durch Überlagerung der unterschiedlichen Frequenzen der Anregungssignale Schwebungen verursacht werden, die zu störenden Geräuschen führen können.
  • Ein Verfahren zur Heizleistungseinstellung, welches Störgeräusche aufgrund derartiger Schwebungen vermeidet, ist eine Pulsweitenmodulation des Anregungssignals bei konstanter Erregerfrequenz, bei dem ein Effektivwert einer Heizleistung mittels Veränderung der Pulsbreite des Anregungssignals eingestellt wird. Bei einer derartigen Effektivwertsteuerung durch Veränderung der Pulsbreite bei konstanter Erregerfrequenz entstehen jedoch hohe Ein- und Ausschaltströme in den Halbleiterschaltern, wodurch ein breitbandiges und energiereiches Störspektrum verursacht wird.
  • Häufig ist es wünschenswert, eine Temperatur eines derart induktiv erwärmten Kochgefäßbodens zu bestimmen, um beispielsweise spezifische zeitliche Erwärmungsprofile zu erzeugen, einen Siedepunkt zu ermitteln und/oder automatische Kochfunktionen zu ermöglichen.
  • Die DE 10 2009 047 185 A1 offenbart ein Verfahren und eine Induktionsheizeinrichtung, bei denen temperaturabhängige ferromagnetische Eigenschaften des Kochgefäßbodens mit hoher Auflösung gemessen und zur Bestimmung der Temperatur des Kochgefäßbodens ausgewertet werden.
  • Die DE 102 31 122 A1 zeigt ein Verfahren zum Messen der Temperatur eines metallischen Kochgefäßes, wobei an einem Siedepunkt ein Schwingkreisparameter erfasst werden kann, der als Sollwert für eine Regelung verwendet wird.
  • Die DE 102 53 198 A1 zeigt ein Verfahren zum thermischen Überwachen eines induktiv erwärmbaren Gargefäßes durch Auswerten einer Frequenz eines die induktive Erwärmung bewirkenden Wechselstroms, wobei derart ein Sieden feststellbar ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beheizen einer in einem Kochgefäß enthaltenen Flüssigkeit mittels einer Induktionsheizeinrichtung und eine Induktionsheizeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die, insbesondere basierend auf dem in der DE 10 2009 047 185 A1 offenbarten Messprinzip, ein temperaturgesteuertes bzw. temperaturgeregeltes Kochen ermöglichen.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Induktionsheizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
  • Das Verfahren dient zum Beheizen und Fortkochen einer in einem Kochgefäß enthaltenen Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, mittels einer Induktionsheizeinrichtung, wobei die Induktionsheizeinrichtung einen Schwingkreis mit einer Induktionsheizspule umfasst. Das Verfahren umfasst die Schritte: a) fortlaufendes bzw. periodisches Ermitteln mindestens eines Parameterwerts des Schwingkreises, insbesondere einer Eigenresonanzfrequenz des Schwingkreises bzw. einer zur Eigenresonanzfrequenz gehörenden Periodendauer, der bzw. die von einer Temperatur des Kochgefäßes, insbesondere des Kochgefäßbodens, abhängig ist, insbesondere so wie in der DE 10 2009 047 185 A1 beschrieben, b) Beaufschlagen des Schwingkreises mit einem Ansteuersignal in Form einer hochfrequenten Rechteckspannung zur Heizleistungseinspeisung in das Kochgefäß, insbesondere in einen Kochgefäßboden, mit einem vorgegebenen Heizleistungssollwert, insbesondere einem maximalen Heizleistungssollwert, wobei bevorzugt während des Ermittelns des mindestens einen Parameterwerts das Beaufschlagen des Schwingkreises mit der hochfrequenten Rechteckspannung kurz unterbrochen wird, insbesondere im Bereich eines Nulldurchgangs einer Netzwechselspannung, c) Auswerten des zeitlichen Verlaufs des mindestens einen Parameterwerts oder Auswerten eines zeitlichen Verlaufs einer aus dem Parameterwert abgeleiteten Größe zum Ermitteln des Siedepunkts der Flüssigkeit, beispielsweise indem eine Veränderung des mindestens einen Parameterwerts bzw. der abgeleiteten Größe bestimmt wird und der Siedepunkt dann festgestellt wird, wenn die Veränderung einen vorgegebenen Wert unterschreitet oder überschreitet, insbesondere unterschreitet, d) nachdem der Siedepunkt ermittelt worden ist, Reduzieren des Heizleistungssollwerts um ein vorgegebenes Maß während einer vorgegebenen Zeitdauer, e) nachdem, insbesondere unmittelbar nachdem, die vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist, Ermitteln und Speichern eines momentanen Parameterwerts und f) Regeln des mindestens einen Parameterwerts auf einen Sollwert, der von dem gespeicherten Parameterwert abhängt, wobei als Stellgröße herkömmliche heizleistungsbestimmende Größen verwendet werden können, beispielsweise eine Frequenz der Rechteckspannung und/oder eine Pulsbreite bzw. ein Tastverhältnis der Rechteckspannung. Erfindungsgemäß wird folglich automatisiert ein solcher Parametersollwert ermittelt, der ein Fortkochen mit einer optimalen Fortkochstufe ermöglicht, da der sich nach der Siedepunkterkennung einstellende Parameterwert als Basis für die Sollwertberechnung ideal geeignet ist.
  • In einer Weiterbildung liegt die vorgegebene Zeitdauer in einem Bereich zwischen einer Sekunde und 50 Sekunden, bevorzugt zwischen drei Sekunden und 20 Sekunden.
  • In einer Weiterbildung wird das vorgegebene Maß, um das der Heizleistungssollwert während der vorgegebenen Zeitdauer reduziert wird, in Abhängigkeit von einer eingestellten Fortkochstufe bestimmt, insbesondere derart, dass bei einer höheren Fortkochstufe der Heizleistungssollwert während der vorgegebenen Zeitdauer verglichen mit einer geringeren Fortkochstufe um ein kleineres Maß reduziert wird.
  • In einer Weiterbildung ist der Sollwert des Parameterwerts gleich dem gespeicherten Parameterwert.
  • In einer Weiterbildung wird der Heizleistungssollwert während der vorgegebenen Zeitdauer auf 10% bis 50% des maximalen Heizleistungssollwerts reduziert.
  • In einer Weiterbildung wird zum Bestimmen des Sollwerts des Parameterwerts ein Offset von dem gespeicherten Parameterwert abgezogen, wobei der Offset umso größer ist, je kleiner eine eingestellte Fortkochstufe ist.
  • In einer Weiterbildung werden im Anschluss an die oben genannten Schritte folgende Schritte durchgeführt: Auswerten des zeitlichen Verlaufs des Parameterwerts oder einer aus dem Parameterwert abgeleiteten Größe, beispielsweise abgeleitet durch Kehrwertbildung, wenn sich der Parameterwert bzw. die aus dem Parameterwert abgeleitete Größe innerhalb eines Überwachungszeitintervalls um mehr als ein Maximalmaß verändert, beispielsweise aufgrund eines Einbringens von Kochgut in die Flüssigkeit: Einstellen des Heizleistungssollwerts auf einen Nachkochsollwert, und Wiederholen der Schritte c) bis g). Wenn sich der Parameterwert bzw. die abgeleitete Größe innerhalb des Überwachungszeitintervalls um weniger als das Maximalmaß verändert, kann mit dem vorher gefangenen Sollwert als Führungsgröße, beispielsweise für einen PI-Regler, sanft nachgeheizt werden. Auf diese Weise kann das Einbringen von Kochgut, welches die Flüssigkeit stark abkühlt, optimal berücksichtigt werden, da unmittelbar ein schnelles Wiederaufheizen und anschließendes Fortkochen erfolgen kann.
  • Die Induktionsheizeinrichtung weist auf: einen Schwingkreis mit einer Induktionsheizspule und eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das oben genannte Verfahren durchzuführen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Hierbei zeigt schematisch:
    • Fig. 1
    eine Induktionsheizeinrichtung mit einem Schwingkreis, der eine Induktionsheizspule aufweist, und einer Steuereinrichtung und
    Fig. 2
    zeitliche Verläufe einer Temperatur von Wasser in einem Kochgefäß, das mittels der in Fig. 1 dargestellten Induktionsheizeinrichtung erwärmt wird, einer in das Kochgefäß mittels der Induktionsheizeinrichtung eingespeisten Heizleistung und einer Periodendauer einer eigenresonanten Schwingung des Schwingkreises.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine Induktionsheizeinrichtung 9 mit einem Schwingkreis 4, der eine Induktionsheizspule 1 und Kondensatoren 2 und 3 aufweist, und einem Leistungsteil 7, der gesteuert von einer Steuereinrichtung 8 herkömmlich eine niederfrequente Netzwechselspannung UN mit einer Netzfrequenz von beispielsweise 50Hz gleichgerichtet und anschließend mittels nicht dargestellter Halbleiterschaltern in eine Rechteckspannung UR mit einer Frequenz in einem Bereich von 20kHz bis 50kHz umsetzt, wobei der Schwingkreis 4 bzw. dessen Induktionsheizspule 1 mit der Rechteckspannung UR beaufschlagt wird, um Heizleistung in einen ferromagnetischen Boden eines Kochgefäß 5 einzuspeisen.
  • Die Kondensatoren 2 und 3 sind herkömmlich in Serie zwischen Pole UZK+ und UZK- einer Zwischenkreisspannung eingeschleift, wobei ein Verbindungsknoten der Kondensatoren 2 und 3 mit einem Anschluss der Induktionsheizspule 1 verbunden ist.
  • Die Induktionsheizeinrichtung 9 weist nicht näher dargestellte Messmittel auf, die ein fortlaufendes bzw. periodisches Ermitteln eines Parameterwerts des Schwingkreises 4 in Form einer Periodendauer Tp (siehe Fig. 2) einer eigenresonanten Schwingung des Schwingkreises 4 ermöglichen, wobei die Periodendauer Tp von der Temperatur des Kochgefäßbodens abhängig ist, d.h. bei zunehmender Temperatur ebenfalls zunimmt, da mit steigender Temperatur des Kochgefäßbodens die wirksame Induktivität zunimmt, so dass die Resonanzfrequenz abnimmt und entsprechend die Periodendauer zunimmt. Die Periodendauer Tp kann beispielsweise mittels eines Timers eines Mikrocontrollers bestimmt werden.
  • Zum Aufbau und der grundsätzlichen Funktion der Messmittel, des Messverfahrens und der Heizleistungseinstellung sei auch auf die DE 10 2009 047 185 A1 verwiesen, die hiermit insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
  • Fig. 2 zeigt zeitliche Verläufe einer Temperatur Θ von Wasser 6 im Kochgefäß bzw. Topf 5, das mittels der in Fig. 1 dargestellten Induktionsheizeinrichtung 9 erwärmt wird, einer in das Kochgefäß 5 mittels der Induktionsheizeinrichtung eingespeisten Heizleistung P (in % einer Nenn-Heizleistung) und der Periodendauer Tp einer eigenresonanten Schwingung des Schwingkreises 4 bei einer Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Beheizen und Fortkochen.
  • Die Steuereinrichtung 8 ermittelt fortlaufend periodisch die Periodendauer Tp einer eigenresonanten Schwingung des Schwingkreises 4, wobei hierzu kurzzeitig die Heizleistungszufuhr unterbrochen und auf einen eigenresonanten Betrieb des Schwingkreises 4 umgeschaltet wird. Aufgrund der geringen zeitlichen Auflösung sind diese Phasen in Fig. 2 nicht dargestellt.
  • In einem Zeitintervall I wird der Schwingkreises 4 mit der hochfrequenten Rechteckspannung UR mit einem maximalen Heizleistungssollwert beaufschlagt, um möglichst schnell ein Kochen bzw. Sieden des Wassers 6 zu bewirken. Der maximale Heizleistungssollwert als so genannter Boost beträgt ca. das 1,6-fache der Nenn-Heizleistung.
  • Die Steuereinrichtung 8 wertet den zeitlichen Verlaufs der Periodendauer Tp zum Ermitteln des Siedepunkts aus. Am Ende des Zeitintervalls I nimmt die Steigung der Periodendauer Tp unter einen vorgegebenen Minimalwert ab, was auf ein Sieden des Wassers 6 schließen lässt. Eine kurze Abnahme der Periodendauer Tp am Anfang des Zeitintervalls I ist prinzipbedingt und wird von der Steuereinrichtung 8 nicht als Sieden bewertet.
  • In einem anschließenden Zeitintervall II wird daraufhin der Heizleistungssollwert um ein vorgegebenes Maß während einer vorgegebenen Zeitdauer TR von ca. 20 Sekunden reduziert, wobei das vorgegebene Maß in Abhängigkeit von einer von einem Benutzer gewählten Fortkochstufe bestimmt wird.
  • Im Zeitintervall II nimmt die Wassertemperatur Θ aufgrund der hohen Wärmekapazität von Wasser nur geringfügig ab, wohingegen die Topfbodentemperatur, repräsentiert von der Periodendauer Tp, bis auf einen Wert PM abnimmt, der in der Steuereinrichtung 8 gespeichert wird und der einer gewünschten Fortkochleistung als Führungsgröße entspricht.
  • In einem anschließenden Zeitintervall III wird die Periodendauer Tp durch geeignete Heizleistungseinspeisung auf den gespeicherten Parameterwert PM geregelt.
  • Nach der automatischen Erkennung des Siedepunktes wird meist ein mehr oder weniger starkes Fortkochen gewünscht. Die Intensität des Fortkochens hängt von der Heizleistung ab, die dem Topf 5 zugeführt wird. Unterschiedliche, so genannte "Wallgrade" können durch Einspeisen von unterschiedlichen Heizleistungen erreicht werden.
  • Zu diesem Zweck stellt die Induktionsheizeinrichtung 9 mehrere wählbare Fortkochstufen bereit, beispielsweise 9 unterschiedliche Fortkochstufen.
  • Die Stufen 1 und 2 sind für das Simmern bei Temperaturen zwischen 75°C bis 95°C vorgesehen. Entsprechend wird hier eine Temperaturregelung bzw. eine Regelung der Periodendauer Tp eingesetzt, die einer Temperaturregelung des Topfbodens entspricht. Die Führungsgröße PM für den Temperaturregler wird vom Siedepunkt abgeleitet. Hierzu kann nach Erkennung des Siedepunktes die Leistung auf etwa 10% bis 20% der Nenn- bzw. Maximalleistung reduziert und nach etwa 3 Sekunden bis 20 Sekunden der aktuelle Messwert PM der Periodendauer, anders als in Fig. 2 dargestellt, minus einem Offset, der bei Stufe 1 etwa 15K entspricht und bei Stufe 2 etwa 5K entspricht, als Führungsgröße für den Temperaturregler bzw. Periodendauerregler übernommen werden.
  • Den Stufen 3-9 sind Mindestfortkochleistungen zugeordnet, die nicht unterschritten werden können und je nach gewünschtem Wallgrad vom Benutzer gewählt werden.
  • Für die Fortsetzung des Kochprozesses ist es nützlich, wenn der Fortkochzustand auch nach der Zugabe von Lebensmitteln ohne Zutun des Benutzers beibehalten bzw. schnell wieder erreicht wird. Dies wird wie in Fig. 2 dargestellt dadurch gewährleistet, dass nach der Detektion des Siedepunktes die Heizleistung auf einen Wert entsprechend der gewählten Fortkochstufe reduziert wird und nach einer Einschwingzeit von wenigen Sekunden, etwa 3 bis 20 Sekunden, der gemessene Wert PM der Periodendauer Tp als Sollwert übernommen wird. Jetzt kann die Topfbodentemperatur auf diesen Sollwert geregelt werden, wobei die minimale Heizleistung nicht unter den Wert der Sollheizleistung für den gewählten Wallgrad entsprechend der Fortkochstufe absinken kann.
  • Bei der Zugabe von Lebensmitteln ergibt sich in der Regel eine Absenkung der Temperatur, die am Topfboden detektiert und zur Nachheizung benutzt werden kann. Je nach Art des Gerichts können unterschiedliche Nachheizstrategien verwendet werden. So sollte für stark schäumende Lebensmittel eine sanfte Nachheizung gewählt werden, während für nicht schäumende Lebensmittel eine kräftige Nachheizung angewendet werden kann.
  • Durch die Zugabe von Lebensmitteln können sich Verschiebungen der Siedetemperatur ergeben. Diese können dadurch detektiert werden, dass sich bei einer Nennfortkochleistung eine höhere oder niedrigere Temperatur als die Solltemperatur (zu Beginn gemessene Siedetemperatur) einstellt. In diesem Fall wird die Solltemperatur korrigiert.
  • Unmittelbar nach der Zugabe von Lebensmitteln verringert sich die Topfbodentemperatur durch den Wärmeentzug des Lebensmittels. Je nach Art und Menge des Lebensmittels ergibt sich ein kleinerer oder größerer Temperatursprung. Abhängig von der Höhe und der Geschwindigkeit des Temperatursprungs werden erfindungsgemäß unterschiedliche Nachheizstrategien angewendet. So führen z.B. mehr als 3K in weniger als 10s zu einem starken, konstanten Nachheizen mit hoher Leistung (>75%) bis wieder ein Sieden erkannt und das starke Nachheizen beendet wird.
  • Kleinere Temperaturabsenkungen führen zum sanften Nachheizen mit dem vorher gefangenen Sollwert als Führungsgröße, beispielsweise für einen PI-Regler.
  • Es versteht sich, dass anstelle des Parameterwerts des Schwingkreises in Form der Periodendauer auch andere/zusätzliche Parameterwerte verwendet werden können, beispielsweise eine Amplitude einer Schwingkreisspannung, eine Spannung über der Induktionsheizspule, eine Amplitude eines Schwingkreisstroms und/oder eine Phasenverschiebung zwischen der Schwingkreisspannung und dem Schwingkreisstrom.
  • Es versteht sich weiter, dass die Erfindung auch im Kontext eines Parallelschwingkreises oder eines Serienschwingkreises mit Vollbrückenansteuerung Anwendung finden kann.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Beheizen einer in einem Kochgefäß (5) enthaltenen Flüssigkeit (6) mittels einer Induktionsheizeinrichtung (9), wobei die Induktionsheizeinrichtung einen Schwingkreis (4) mit einer Induktionsheizspule (1) umfasst, mit den Schritten:
    a) fortlaufendes Ermitteln eines Parameterwerts des Schwingkreises, der von einer Temperatur des Kochgefäßes abhängig ist,
    b) Beaufschlagen des Schwingkreises mit einer hochfrequenten Rechteckspannung (UR) zur Heizleistungseinspeisung in das Kochgefäß mit einem vorgegebenen Heizleistungssollwert und
    c) Auswerten des zeitlichen Verlaufs des Parameterwerts zum Ermitteln des Siedepunkts der Flüssigkeit,
    gekennzeichnet durch die Schritte
    d) nachdem der Siedepunkt ermittelt worden ist, Reduzieren des Heizleistungssollwerts um ein vorgegebenes Maß während einer vorgegebenen Zeitdauer (TR),
    e) nachdem die vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist, Ermitteln und Speichern eines momentanen Parameterwerts (PM) und
    f) Regeln des Parameterwerts auf einen Sollwert, der von dem gespeicherten Parameterwert abhängt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeitdauer in einem Bereich zwischen einer Sekunde und 30 Sekunden liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Maß, um das der Heizleistungssollwert während der vorgegebenen Zeitdauer reduziert wird, in Abhängigkeit von einer eingestellten Fortkochstufe bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert des Parameterwerts gleich dem gespeicherten Parameterwert ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleistungssollwert während der vorgegebenen Zeitdauer auf 10% bis 50% des maximalen Heizleistungssollwerts reduziert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des Sollwerts des Parameterwerts ein Offset von dem gespeicherten Parameterwert abgezogen wird, wobei der Offset umso größer ist, je kleiner eine eingestellte Fortkochstufe ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte:
    - Auswerten des zeitlichen Verlaufs des Parameterwerts und
    - wenn sich der Parameterwert innerhalb eines Überwachungszeitintervalls um mehr als ein Maximalmaß verändert:
    - Einstellen des Heizleistungssollwerts auf einen Nachkochsollwert und
    - Wiederholen der Schritte c) bis f).
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameterwert des Schwingkreises eine Periodendauer (Tp) einer eigenresonanten Schwingung des Schwingkreises ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Heizleistungssollwert ein maximaler Heizleistungssollwert ist.
  10. Induktionsheizeinrichtung (9) mit
    - einem Schwingkreis (4) mit einer Induktionsheizspule (1) und
    - einer Steuereinrichtung (8), die dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
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