EP3920661A1 - Verfahren zum betreiben eines induktionskochfelds und induktionskochfeld - Google Patents

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EP3920661A1
EP3920661A1 EP21176540.9A EP21176540A EP3920661A1 EP 3920661 A1 EP3920661 A1 EP 3920661A1 EP 21176540 A EP21176540 A EP 21176540A EP 3920661 A1 EP3920661 A1 EP 3920661A1
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EP
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voltage
resonant circuit
induction heating
pulse
inverter
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EP21176540.9A
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Christian Egenter
Max-Felix Müller
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EGO Elektro Geratebau GmbH
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EGO Elektro Geratebau GmbH
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    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/12—Cooking devices
    • H05B6/1209—Cooking devices induction cooking plates or the like and devices to be used in combination with them
    • H05B6/1245—Cooking devices induction cooking plates or the like and devices to be used in combination with them with special coil arrangements
    • H—ELECTRICITY
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    • 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
    • H05B2213/05—Heating plates with pan detection means

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an induction hob and an induction hob.
  • the invention is based on the object of providing a method for operating an induction hob and an induction hob which enable the most reliable possible determination of operating parameters of the induction hob.
  • the method is used to operate an induction hob.
  • the induction hob has at least one conventional inverter that is supplied from a supply voltage.
  • the supply voltage is preferably a direct voltage.
  • the inverter can, for example, have a conventionally connected inverter branch with two semiconductor switching means. In this respect, reference is also made to the relevant specialist literature.
  • the induction hob also has at least one capacitor.
  • the induction hob also has at least one induction heating coil or an inductor, which is assigned to a hob and is provided to generate an alternating magnetic field in a pot base to be heated.
  • at least one induction heating coil or an inductor which is assigned to a hob and is provided to generate an alternating magnetic field in a pot base to be heated.
  • the at least one capacitor and the induction heating coil are connected in such a way that they form an oscillating circuit, for example a parallel or series oscillating circuit.
  • the inverter is provided to generate a pulse-width-modulated excitation voltage for the resonant circuit from the supply voltage.
  • the pulse-width-modulated excitation voltage is typically a square-wave voltage with a constant or variable duty cycle or duty cycle and a constant or variable period or frequency. In this respect, reference is also made to the relevant specialist literature.
  • the procedure has the following steps.
  • Step a) namely generating the pulse-width-modulated excitation voltage with a predetermined voltage curve.
  • Step b namely measuring a resulting or setting resonant circuit current, in particular through the induction heating coil.
  • Step d namely repeating steps a) to c) n times with a changed voltage curve of the excitation voltage to determine the voltage curve-dependent resonant circuit parameters.
  • a voltage difference between a low level of the pulse-width-modulated excitation voltage and a high level of the pulse-width-modulated excitation voltage is preferably changed.
  • a frequency and a pulse duty factor of the pulse-width-modulated excitation voltage preferably remain unchanged.
  • the number n is a natural number and lies, for example, in a number range between 1 and 400.
  • the number n can depend, for example, on a period of the pulse width modulation or the number n can be selected such that the steps are repeated for the duration of an entire network half-wave.
  • the supply voltage of the inverter is changed, whereby, for example, the voltage difference between the high level and the low level of the pulse-width modulated excitation voltage is changed accordingly.
  • a duty cycle of the pulse-width-modulated excitation voltage and / or a period duration of the pulse-width-modulated excitation voltage remains constant during steps a) to e).
  • the operating variables to be determined are selected from: Degree of coverage of the induction heating coil by a cooking vessel to be heated, in particular with a ferromagnetic base, material of the cooking vessel covering the induction heating coil or the material of the base of the cooking vessel, and temperature of the base of the cooking vessel covering the induction heating coil Cooking vessel.
  • the degree of coverage can depend, for example, on whether the cooking vessel completely covers, partially covers or does not cover the induction heating coil.
  • the induction hob also has: a rectifier, which is designed to generate the supply voltage from an AC mains voltage, and an intermediate circuit capacitor, which is designed to buffer the supply voltage and filter the inverter feedback.
  • the method then has the following steps: before step a), with a decreasing amount of the mains AC voltage, ie decreasing half-cycle, continuous discharging of the intermediate circuit capacitor down to a voltage value that is in a predetermined voltage range around the amount of the current mains AC voltage in which the inverter is controlled appropriately.
  • the specified voltage range can, for example, be a few volts, for example between 3 V to 10 V above the amount of the instantaneous AC mains voltage.
  • the inverter is controlled independently of the heating output setting during steps a) to e) and is controlled depending on the heating output setting before and / or after steps a) to e) by setting, for example, a pulse duty factor of the pulse width modulation and / or a period of the pulse width modulation of the excitation voltage according to the heating output will.
  • the first harmonic and / or higher harmonic of the pulse-width-modulated excitation voltage or a voltage dependent thereon is additionally determined in step a), and additionally the first harmonic and / or higher harmonic in step b) of the measured resonant circuit current is determined, and in step c) the resonant circuit parameters are determined depending on the determined first harmonic and / or the determined higher harmonics of the pulse-width modulated excitation voltage or the voltage dependent thereon and the determined first harmonic and / or the determined higher harmonics of the measured resonant circuit current determined.
  • the first harmonics and / or the higher harmonics are determined by means of low-pass filters and / or by Fourier analysis.
  • the higher harmonic voltages and currents can also be determined by Fourier analysis and the corresponding higher harmonic impedances calculated.
  • a period of the pulse-width-modulated excitation voltage is selected such that it is shorter than a period of a self-resonant oscillation of the resonant circuit.
  • the frequency of the pulse-width-modulated excitation voltage is higher than the resonance frequency of the oscillating circuit for most of the cookware available on the market. If the period of the selected excitation voltage is too close to natural resonance, the period can be shortened in order to limit the resonant circuit current to a relevant level.
  • the induction hob has further induction heating coils, the further induction heating coils also being fed from the rectified AC mains voltage with the interposition of associated inverters, wherein during steps a) to e) in a time range around the zero crossing of the mains AC voltage, the further induction heating coils are not removed from the rectified AC mains voltage.
  • the time range around the zero crossing can begin, for example, 1 ms before the zero crossing and end 2 ms after the zero crossing.
  • the induction hob is designed to carry out the method described above and has: at least one inverter which is supplied from a supply voltage, at least one capacitor, an induction heating coil, the at least one capacitor and the induction heating coil being connected in such a way that they form an oscillating circuit, and wherein the inverter is designed to generate a pulse-width-modulated excitation voltage for the resonant circuit from the supply voltage, and a control unit that is designed to control the inverter in such a way that a method described above is carried out.
  • the coverage of the cooking area is also required as an operating variable, preferably continuously resolved from 0% to 100% coverage of the active surface of the induction heating coil.
  • the impedance or the electrical (substitute) parameters R and L of the induction heating coil can be measured with the pot in place, since these change greatly when the coverage changes.
  • the resonant circuit parameters are determined in the case of excitations of different magnitudes, that is to say, for example, in the case of different supply voltages of a half bridge of a series resonant circuit or in the case of different current levels in a parallel resonant circuit.
  • the resonance circuit parameters can preferably be measured before or after the mains AC voltage has passed through the mains, whereby the rising or falling mains ac voltage can be used for variable excitation and the voltage curve-dependent or input-voltage-dependent difference in the oscillating circuit parameters can be used as additional information for pot detection , which makes it easier to differentiate between pot materials.
  • the resonant circuit parameters can be switched from the measuring mode to the power output mode, so that the measurement can take place during operation and the power output does not have to be significantly interrupted for the measurement.
  • the voltage limit for switching to heating mode can be set variably, depending on the current through the induction heating element.
  • R. 1 u 1 ⁇ I. 1 ⁇ ⁇ cos ⁇
  • the inverter's stimulating output voltage is preferably measured, but the voltage across the induction heating coil can also be measured directly.
  • Resonant circuit parameters such as quality Q, damping ⁇ , natural frequency fr or period duration Tr can also be determined in order to be able to determine the coverage of the pot on the inductor.
  • the input variable voltage (or in general current through the induction heating coil) is changed so as to provide at least one additional variable for determining the established load (pot detection), for example the delta of one or more resonant circuit parameters related to a delta of the excitation voltage or the current.
  • the position of a maximum of a resonant circuit parameter in relation to the variable excitation voltage can also be used as a criterion.
  • the resonant circuit parameters can also be evaluated as being variable using the current through the induction heating coil.
  • the changes in the resonant circuit parameters caused by the voltage change provide additional variables that allow an improved differentiation between pot material classes despite the variable pot coverage on the induction heating coil.
  • variable supply voltage or excitation voltage can be complex, which is why, according to the invention, the AC mains voltage can be used as a variable voltage, i.e. the measurement of the resonant circuit parameters can take place in a time interval after or before a zero crossing of the AC mains voltage.
  • the first harmonic of the excitation voltage and current is preferably used to calculate the resonant circuit parameters.
  • a low-pass filter can be provided; alternatively, a corresponding Fourier analysis of the measurement data can be carried out using an algorithm.
  • the measurement is started, for example, shortly after the grid zero crossing, for example at 8 V AC line voltage and ended again at 40-50 V, and the inverter is switched to conventional heating power mode.
  • This voltage range for pot detection makes it possible to distinguish differences resulting from different permeability curves of pot materials, but on the other hand also to switch to heating mode in good time, so that even large powers can be transmitted and the specification of the limitation of the harmonic of the mains current can be adhered to.
  • the voltage curve-dependent determination or the delta determination of the operating parameters can be dispensed with, and even for smaller ones Voltages can be switched to heating mode. In this operating case, only a change in the coverage needs to be determined.
  • the inventive approach of implementing pot detection with variable excitation voltage makes it possible to generate additional resonant circuit parameters or measured variables for pot detection (with coverage measurement), which are caused in particular by different permeability characteristics of different pot materials, whereby ambiguities can be made distinguishable.
  • the voltage curve-dependent analysis or the delta analysis allows a better differentiation of the pot materials, which then enables a pot material-specific determination of the coverage of the induction heating coil in a second step.
  • a pot class in a first step, for example, can be determined and in a subsequent step a degree of coverage can then be determined specifically for the pot material of this pot class.
  • Fig. 1 schematically shows a block diagram of an induction hob 100 which is designed to carry out the method according to the invention.
  • the induction hob 100 has a conventional inverter 1, which is supplied from a supply voltage US.
  • the inverter 1 has two conventional semiconductor switching means 10 and 11 which are looped in series between the supply voltage US.
  • An excitation voltage UA is output at a connection node of the two semiconductor switching means 10 and 11.
  • the induction hob 100 also has two capacitors 2 and 3, which are looped in series between the supply voltage US.
  • the induction hob 100 also has an induction heating coil 4 (also referred to as an inductor).
  • the induction heating coil 4 is looped in between a connection node of the two capacitors 2 and 3 and the connection node of the two semiconductor switching means 10 and 11.
  • the two capacitors 2, 3 and the induction heating coil 4 form a series oscillating circuit 5.
  • the inverter 1 is designed to generate the pulse-width-modulated excitation voltage UA for the resonant circuit 5 from the supply voltage US.
  • the inverter 1 is controlled by a microprocessor-based control unit 9 with a downstream driver unit 12, which is shown with reference to FIG Fig. 2 will be described in detail below.
  • the induction hob 100 also has a rectifier 7, which is designed to generate the supply voltage US from an AC mains voltage UN, for example with 230 V / AC and 50 Hz.
  • the induction hob 100 also has an intermediate circuit capacitor 8 which is designed to buffer the supply voltage US.
  • Fig. 2 shows voltage and current curves of the in Fig. 1 Induction hob 100 shown over time.
  • US denotes the supply voltage
  • UA denotes the excitation voltage
  • UN denotes the AC mains voltage
  • iS denotes the oscillating circuit current.
  • excitation voltage UA is generated in a pulse-width-modulated manner in such a way that a predetermined, presently low, heating output is established.
  • the AC mains voltage UN decreases sinusoidally.
  • the supply voltage US generated from the AC line voltage UN by means of rectification remains above the AC line voltage UN due to the buffering by means of the intermediate circuit capacitor 8 and the low power output.
  • Phase P1 is followed by phase P2, during which the intermediate circuit capacitor 8 is discharged by suitable control of the inverter 1 to the amount of the current line voltage UN.
  • phase P2 ends and the phase P3 begins, i.e. the actual measuring operation, during which the operating parameters of the induction hob 100 to be determined are determined or measured.
  • the operating variables are a degree of coverage of the induction heating coil 4 by a cooking vessel 6 to be heated, a material or a material class of a pot bottom of the cooking vessel 6 covering the induction heating coil 4 and a temperature of the bottom of the cooking vessel 6 covering the induction heating coil 4.
  • the pulse-width-modulated excitation voltage UA is generated with a predetermined voltage curve, for example by generating one or two periods of the pulse-width-modulated excitation voltage UA with a predetermined period, a predetermined pulse duty factor and a voltage difference between the low level and high level of the pulse width modulation, which is approximately the corresponds to the current supply voltage US.
  • the instantaneous supply voltage US in turn corresponds approximately to the instantaneous amount of the mains alternating voltage UN.
  • a resulting resonant circuit current iS is then measured by the induction heating coil 4, the electrical resonant circuit parameters being calculated as a function of the instantaneous value of the supply voltage US, i.e. the instantaneous voltage curve of the excitation voltage US, and the measured resonant circuit current iS.
  • the supply voltage US increases accordingly, so that the voltage difference between the low level and high level increases accordingly for corresponding periods of the pulse width modulation, i.e. the voltage curve of the pulse width modulated excitation voltage UA changes accordingly.
  • a duty cycle of the pulse-width-modulated excitation voltage UA and a period duration of the pulse-width-modulated excitation voltage UA remain constant.
  • the resulting resonant circuit currents iS are measured for a number n of temporally successive voltage profiles of the pulse-width modulated excitation voltage UA and the associated electrical voltage profile-dependent resonant circuit parameters are determined or calculated for each voltage profile of the n different voltage profiles, so that n voltage profile-dependent resonant circuit parameters are determined.
  • n different resonant circuit parameters are determined with n different voltage curves.
  • the operating variables of the induction hob 100 are determined from at least two resonant circuit parameters of the n different electrical resonant circuit parameters that are dependent on the voltage curve.
  • the first harmonic of the respective pulse-width-modulated excitation voltage UA or a voltage dependent on it can be determined
  • the first harmonic of the respective measured oscillating circuit current iS can be determined
  • the respective electrical oscillating circuit parameter can then be determined as a function of the The first harmonic of the pulse-width-modulated excitation voltage or the voltage dependent thereon and the first harmonic of the measured resonant circuit current can be determined.
  • the first harmonics can be determined, for example, by means of low-pass filters and / or by Fourier analysis.
  • the inverter 1 is activated independently of the heating power setting, a frequency of the pulse width modulation preferably being higher than a natural resonance frequency of the oscillating circuit 5.
  • the phase P3 extends over a voltage range of the mains alternating voltage UN between approx. 10 V to 50 V.
  • Phase P3 is followed by phase P4, during which the inverter 1 is again controlled depending on the heating output setting.
  • the induction hob 100 can have further induction heating coils, the further induction heating coils also being fed from the rectified AC mains voltage UN, the further induction heating coils not being fed from the rectified AC mains voltage UN during phase P3 in order to avoid crosstalk.
  • Fig. 3 shows, by way of example, a changing resonant circuit inductance or a changing inductance of an induction heating coil depending on the coverage by cooking utensils.
  • the inductance but also the change in the inductance over the covering are different for different materials of the bottom of the cookware.
  • induction-compatible cookware Commercially available materials for the base plate of induction-compatible cookware are, for example, ferritic stainless steel or steel.
  • a special feature are cookware consisting of an aluminum body in which a ferritic stainless steel is pressed into the base for heating on an induction.
  • multi-layer stainless steel laminations can also be distinguished from single-layer, ferritic stainless steel.
  • Fig. 4 shows the non-linear inductance curve of commercially available cookware depending on the current through the induction heating coil.
  • the magnetic field strength of the induction heating coil is proportional to the current through the induction heating coil and forms the magnetic control of the pot material.
  • the inductance increases with small currents due to the increasing permeability of ferritic materials until increasing areas of the pot bottom reach ferritic saturation and the inductance decreases more or less strongly with increasing modulation.
  • At least two working points of the modulation are measured and set in relation to one another in order to be able to use an additional measured variable to determine the operating variables.

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Abstract

- wobei das Induktionskochfeld (100) aufweist:- einen Wechselrichter (1), der aus einer Speisespannung (US) versorgt ist,- mindestens einen Kondensator (2, 3), und- eine Induktionsheizspule (4),- wobei der mindestens eine Kondensator (2, 3) und die Induktionsheizspule (4) derart verschaltet sind, dass sie einen Schwingkreis (5) bilden, und- wobei der Wechselrichter (1) dazu ausgebildet ist, aus der Speisespannung (US) eine pulsweitenmodulierte Anregungsspannung (UA) für den Schwingkreis (5) zu erzeugen,- wobei das Verfahren die Schritte aufweist:a) Erzeugen der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung (UA) mit einem vorgegebenen Spannungsverlauf,b) Messen eines sich ergebenden Schwingkreisstromes (iS), insbesondere durch die Induktionsheizspule (4),c) Bestimmen von elektrischen Schwingkreis-Parametern in Abhängigkeit von dem Spannungsverlauf der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung (UA) und dem gemessenen Schwingkreisstrom (iS),d) n-maliges Wiederholen der Schritte a) bis c) bei einem geänderten Spannungsverlauf der Anregungsspannung (UA) zum Bestimmen von elektrischen spannungsverlaufsabhängigen Schwingkreis-Parametern, unde) Ermitteln von Betriebsgrößen des Induktionskochfelds (100) aus den spannungsverlaufsabhängigen elektrischen Schwingkreis-Parametern.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Induktionskochfelds und ein Induktionskochfeld.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Induktionskochfelds und ein Induktionskochfeld zur Verfügung zu stellen, die eine möglichst zuverlässige Bestimmung von Betriebsgrößen des Induktionskochfelds ermöglichen.
  • Das Verfahren dient zum Betreiben eines Induktionskochfelds.
  • Das Induktionskochfeld weist mindestens einen herkömmlichen Wechselrichter auf, der aus einer Speisespannung versorgt ist. Die Speisespannung ist bevorzugt eine Gleichspannung. Der Wechselrichter kann beispielsweise einen herkömmlich verschalteten Wechselrichterzweig mit zwei Halbleiterschaltmitteln aufweisen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Das Induktionskochfeld weist weiter mindestens einen Kondensator auf.
  • Das Induktionskochfeld weist weiter mindestens eine Induktionsheizspule bzw. einen Induktor auf, die bzw. der einer Kochstelle zugeordnet ist und dazu vorgesehen ist, ein magnetisches Wechselfeld in einem zu erhitzenden Topfboden zu erzeugen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Der mindestens eine Kondensator und die Induktionsheizspule sind derart verschaltet, dass sie einen Schwingkreis bilden, beispielsweise einen Parallel- oder Serienschwingkreis.
  • Der Wechselrichter ist dazu vorgesehen, aus der Speisespannung eine pulsweitenmodulierte Anregungsspannung für den Schwingkreis zu erzeugen. Die pulsweitenmodulierte Anregungsspannung ist typisch eine Rechteckspannung mit einem konstanten oder veränderlichen Tastgrad bzw. Tastverhältnis und einer konstanten oder veränderlichen Periodendauer bzw. Frequenz. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Das Verfahren weist die nachfolgenden Schritte auf.
  • Schritt a), nämlich Erzeugen der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung mit einem vorgegebenen Spannungsverlauf.
  • Schritt b), nämlich Messen eines sich ergebenden bzw. einstellenden Schwingkreisstromes, insbesondere durch die Induktionsheizspule.
  • Schritt c), nämlich Bestimmen von elektrischen Schwingkreis-Parametern, insbesondere in Form einer Schwingkreis-Impedanz, in Abhängigkeit von dem Spannungsverlauf der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung und dem gemessenen Schwingkreisstrom. Die elektrischen Schwingkreis-Parameter bzw. die Schwingkreis-Impedanz kann beispielsweise die elektrischen Ersatzparameter R und L der Induktionsheizspule mit aufgestelltem Topf bezeichnen oder daraus ableitbare elektrische Impedanzen oder Größen der Schwingungsdifferentialgleichung, wie beispielsweise Güte bzw. Dämpfung oder Eigenfrequenz. Zum Bestimmen der elektrischen Schwingkreis-Parameter kann beispielsweise grundsätzlich die hinlänglich bekannte Zeigerrechnung verwendet werden, d.h. es werden Betrag und Phase der Spannung und Betrag und Phase des Stroms zueinander in Beziehung gesetzt.
  • Schritt d), nämlich n-maliges Wiederholen der Schritte a) bis c) bei einem geänderten Spannungsverlauf der Anregungsspannung zum Bestimmen von spannungsverlaufsabhängigen Schwingkreis-Parametern. Zum Ändern des Spannungsverlaufs der Anregungsspannung wird bevorzugt lediglich eine Spannungsdifferenz zwischen einem Low-Pegel der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung und einem High-Pegel der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung verändert. Eine Frequenz und ein Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung bleiben bevorzugt unverändert. Die Zahl n ist eine natürlich Zahl und liegt beispielsweise in einem Zahlenbereich zwischen 1 und 400. Die Zahl n kann beispielsweise von einer Periodendauer der Pulsweitenmodulation abhängen oder die Zahl n kann derart gewählt sein, dass die Schritte für die Dauer einer gesamten Netzhalbwelle wiederholt werden.
  • Schritt e), nämlich Ermitteln (Messen) von Betriebsgrößen des Induktionskochfelds aus den spannungsverlaufsabhängigen Schwingkreis-Parametern.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird zum Verändern des Spannungsverlaufs der Anregungsspannung, insbesondere ausschließlich, die Speisespannung des Wechselrichters verändert, wodurch beispielswiese die Spannungsdifferenz zwischen High-Pegel und Low-Pegel der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung entsprechend verändert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform bleibt/bleiben ein Tastgrad der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung und/oder eine Periodendauer der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung während der Schritte a) bis e) konstant.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die zu bestimmenden Betriebsgrößen ausgewählt aus: Grad der Überdeckung der Induktionsheizspule durch ein zu erhitzendes Kochgefäß, insbesondere mit einem ferromagnetischen Boden, Material des die Induktionsheizspule überdeckenden Kochgefäßes bzw. Material des Bodens des Kochgefäßes, und Temperatur des Bodens des die Induktionsheizspule überdeckenden Kochgefäßes. Der Grad der Überdeckung kann beispielsweise davon abhängen, ob das Kochgefäß die Induktionsheizspule vollständig überdeckt, teilweise überdeckt oder gar nicht überdeckt.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist das Induktionskochfeld weiter auf: einen Gleichrichter, der dazu ausgebildet ist, aus einer Netzwechselspannung die Speisespannung zu erzeugen, und einen Zwischenkreiskondensator, der dazu ausgebildet ist, die Speisespannung zu puffern und die Wechselrichterrückwirkungen zu filtern. Das Verfahren weist dann die weiteren Schritte auf: vor dem Schritt a), bei abnehmendem Betrag der Netzwechselspannung, d.h. abnehmender Halbwelle, fortlaufendes Entladen des Zwischenkreiskondensators bis auf einen Spannungswert, der in einem vorgegebenen Spanungsbereich um den Betrag der momentanen Netzwechselspannung liegt, indem der Wechselrichter geeignet angesteuert wird. Der vorgegebene Spannungsbereich kann beispielsweise wenig Volt, beispielsweise zwischen 3 V bis 10 V über dem Betrag der momentanen Netzwechselspannung liegen. Dies wird so lange durchgeführt, bis die Netzwechselspannung einen Nulldurchgang aufweist und/oder die Speisespannung einen Wert unter 10V, insbesondere unter 5V aufweist. Dann, anschließendes Wiederholen der Schritte a) bis c) bei zunehmendem Betrag der Netzwechselspannung. Die Schritte a) bis c) können beispielsweise in einem Spannungsbereich der Netzwechselspannung zwischen ca. 5 V und 80 V, insbesondere zwischen 10 V und 50 V, wiederholt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird der Wechselrichter während der Schritte a) bis e) heizleistungseinstellungsunabhängig angesteuert und vor und/oder nach den Schritten a) bis e) heizleistungseinstellungsabhängig angesteuert, indem beispielsweise ein Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation und/oder eine Periodendauer der Pulsweitenmodulation der Anregungsspannung entsprechend heizleistungsabhängig eingestellt wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird im Schritt a) zusätzlich die erste Harmonische und/oder höhere Harmonische der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung oder einer davon abhängigen Spannung ermittelt, im Schritt b) zusätzlich die erste Harmonische und/oder höhere Harmonische des gemessenen Schwingkreisstromes ermittelt, und im Schritt c) werden die Schwingkreis-Parameter in Abhängigkeit von der ermittelten ersten Harmonischen und/oder den ermittelten höheren Harmonischen der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung oder der davon abhängigen Spannung und der ermittelten ersten Harmonischen und/oder den ermittelten höheren Harmonischen des gemessenen Schwingkreisstromes bestimmt.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden die ersten Harmonischen und/oder die höheren Harmonischen mittels Tiefpassfiltern und/oder durch Fourier-Analyse ermittelt.
  • Wenn erforderlich, können auch die höher harmonischen Spannungen und Ströme durch Fourier-Analyse ermittelt und die entsprechend höher harmonischen Impedanzen berechnet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird eine Periodendauer der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung derart gewählt, dass sie kleiner ist als eine Periodendauer einer eigenresonanten Schwingung des Schwingkreises. Mit anderen Worten ist die Frequenz der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung höher als die Resonanzfrequenz des Schwingkreises für das Gros der marktüblichen Kochgeschirre. Ist die Periodendauer der gewählten Anregungsspannung zu nahe an der Eigenresonanz, kann die Periodendauer verkürzt werden, um den Schwingkreisstrom auf ein relevantes Niveau zu begrenzen.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist das Induktionskochfeld weitere Induktionsheizspulen auf, wobei die weiteren Induktionsheizspulen ebenfalls aus der gleichgerichteten Netzwechselspannung unter Zwischenschaltung zugehöriger Wechselrichter gespeist werden, wobei während der Schritte a) bis e) in einem zeitlichen Bereich um den Nulldurchgang der Netzwechselspannung die weiteren Induktionsheizspulen nicht aus der gleichgerichteten Netzwechselspannung gespeist werden. Der zeitliche Bereich um den Nulldurchgang kann sich beispielsweise 1 ms vor dem Nulldurchgang beginnen und 2 ms nach dem Nulldurchgang enden.
  • Das Induktionskochfeld ist zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet und weist auf: mindestens einen Wechselrichter, der aus einer Speisespannung versorgt ist, mindestens einen Kondensator, eine Induktionsheizspule, wobei der mindestens eine Kondensator und die Induktionsheizspule derart verschaltet sind, dass sie einen Schwingkreis bilden, und wobei der Wechselrichter dazu ausgebildet ist, aus der Speisespannung eine pulsweitenmodulierte Anregungsspannung für den Schwingkreis zu erzeugen, und eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter derart anzusteuern, dass ein oben beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.
  • Herkömmlich wird bei einer Topferkennung geprüft, ob ein passender Topf auf einer Kochstelle aufgestellt ist oder nicht. D.h. es wird geprüft, ob sich kein bzw. ein ungeeigneter bzw. ein zu kleiner Topf auf der Induktionsheizspule befindet.
  • Bei Flächenkochfeldern oder zur Topfgrößenerkennung wird als Betriebsgröße zusätzlich die Bedeckung der Kochstelle benötigt, vorzugweise kontinuierlich aufgelöst von 0% bis 100% Bedeckung der aktiven Fläche der Induktionsheizspule. Zur Bestimmung der Bedeckung können beispielsweise die Impedanz bzw. die elektrischen (Ersatz-) Parameter R und L der Induktionsheizspule mit aufgestelltem Topf gemessen werden, da diese sich stark bei Veränderung der Bedeckungen verändern.
  • Diese Ersatzparameter sind aber - neben der Abhängigkeit von der Bedeckung der Kochstelle - auch abhängig von verwendeten Topfmaterialien sowie abhängig von der Topfbodentemperatur. Diese Parameter sind weiter abhängig von der magnetischen Anregung, bzw. dem Strom durch den Induktor und der Anregungsfrequenz, weshalb man die Messung herkömmlich vorzugsweise mit konstanter Anregung durchführt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung der Schwingkreis-Parameter bei unterschiedlich hohen Anregungen, also beispielsweise bei unterschiedlichen Speisespannungen einer Halbrücke eines Serienschwingkreises bzw. bei unterschiedlichen Stromhöhen bei einem Parallelschwingkreis.
  • Vorzugsweise kann die Messung der Schwingkreis-Parameter vor oder nach dem Netznulldurchgang einer speisenden Netzwechselspannung erfolgen, wobei man die ansteigende oder abfallende Netzwechselspannung zur variablen Anregung nutzen kann und man den spannungsverlaufsabhängigen bzw. eingangsspannungsabhängigen Unterschied der Schwingkreis-Parameter als zusätzliche Information für die Topferkennung nutzen kann, wodurch sich Topfmaterialien besser unterscheiden lassen. Im Besonderen bei Anregungen bzw. Speisespannung von kleiner als 80 V sind unterschiedliche Veränderungen der Schwingkreis-Parameter anhängig vom Topfmaterial erkennbar. Oberhalb dieser Spannung kann vom Messbetrieb der Schwingkreis-Parameter auf den Leistungsabgabebetrieb umgestellt werden, so dass die Messung während des Betriebs erfolgen kann und die Leistungsabgabe nicht wesentlich für die Messung unterbrochen werden muss. Die Spannungsgrenze zur Umschaltung auf den Heizbetrieb kann variabel, abhängig vom Strom durch das Induktionsheizelement bestimmt werden.
  • Bei herkömmlichen Verfahren lässt sich nur eingeschränkt unterscheiden, ob die Werte der Impedanz bzw. der Schwingkreis-Parameter durch eine (Minder-)Bedeckung oder durch eine (niederohmigere) Leitfähigkeit des Topfmaterials verursacht wird, d.h. einige Messfälle sind mehrdeutig, insbesondere da sich die Temperatur des aufgestellten Topfes zusätzlich verändert.
  • Erfindungsgemäß werden für eine erweiterte Topferkennung die Impedanz bzw. die Schwingkreis-Parameter mit dem (zumindest partiell) aufgestellten Topf bestimmt, indem der elektrische Schwingkreis bestehend aus Induktionsheizspule und zumindest einem Schwingkreiskondensators definiert angeregt wird und man elektrische Schwingkreis-Parameter wie Scheinwiderstand Z, Wirkwiderstand R, Blindwiderstand X, die Schwingkreisinduktivität L oder der Phasenwinkel zwischen R und X aus der Messung von Strom durch die Induktionsheizspule und der Anregungsspannung bestimmt wird. Exemplarisch seien im Folgenden die grundlegenden Berechnungsformeln angegeben:
    • fop
    bezeichne die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters
    u(t)
    bezeichne den zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung
    i(t)
    bezeichne den zeitlichen Verlauf des Stroms durch die Induktionsheizspule
  • Es gilt ω op = 2 ⋅ π ⋅ f op
    Figure imgb0001
     u 1 = u 1 ^ ⋅ sin ω op ⋅ t
    Figure imgb0002
     ist die erste Harmonische der Spannung I 1 = I 1 ^ ⋅ sin ω op ⋅ t + φ
    Figure imgb0003
     ist die erste Harmonische des Stroms mit φ = ∢ u 1 I 1
    Figure imgb0004
  • Es gilt: R 1 = u 1 ^ I 1 ^ ⋅ cos φ
    Figure imgb0005
     X 1 = u 1 ^ I 1 ^ ⋅ sin φ = X L 1 + X C 1
    Figure imgb0006
     mit X C = − 1 ω op ⋅ C
    Figure imgb0007
     L 1 = X 1 − X C 1 ω op
    Figure imgb0008
  • Vorzugweise wird die anregende Ausgangsspannung des Wechselrichters gemessen, alternativ kann aber auch direkt die Spannung über der Induktionsheizspule gemessen werden. Auch können auch Schwingkreis-Parameter wie Güte Q, Dämpfung δ, Eigenfrequenz fr bzw. Periodendauer Tr bestimmt werden, um daraus die Bedeckung des Topfes auf dem Induktor bestimmen zu können.
  • Erfindungsgemäß wird die Eingangsgröße Spannung (oder im allgemeinen Strom durch die Induktionsheizspule) verändert, um so mindestens eine zusätzliche Größe zur Bestimmung der aufgestellten Last (Topferkennung) zu erhalten, beispielsweise das Delta von einer oder mehreren Schwingkreis-Parametern bezogen auf ein Delta der Anregungsspannung oder dem Strom. Auch kann die Lage eines Maximums eines Schwingkreis-Parameters bezogen auf die variable Anregungsspannung als Kriterium verwendet werden. Alternativ können die Schwingkreis-Parameter anstatt über der variablen Anregungsspannung auch als veränderlich über dem Strom durch die Induktionsheizspule ausgewertet werden.
  • Die durch die Spannungsänderung verursachten Änderungen der Schwingkreis-Parameter liefern zusätzliche Größen, die eine verbesserte Unterscheidung von Topfmaterialienklassen trotz variabler Topfbedeckung auf der Induktionsheizspule erlauben.
  • Das Bereitstellen einer variablen Speisespannung bzw. Anregungsspannung kann aufwendig sein, weshalb erfindungsgemäß die Netzwechselspannung als variable Spannung verwendet werden kann, d.h. die Messung der Schwingkreis-Parameter kann in einem Zeitintervall nach oder vor einem Nulldurchgang der Netzwechselspannung erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Messung nach dem Netznulldurchgang, wobei dann darauf geachtet werden sollte, dass zuvor der Zwischenkreis sicher entladen wird, indem die Impedanz auf einen Mindestwert reduziert wird, indem die Steuerparameter für den Wechselrichter entsprechend gewählt werden (=> Ansteuerfrequenz wenige kHz oberhalb der Resonanzfrequenz des Schwingkreises und/oder der Tastgrad nahe des Maximalwertes von 50%).
  • Vorzugsweise wird zur Berechnung der Schwingkreis-Parameter die erste Harmonische von Anregungsspannung und Strom verwendet. Hierzu kann ein Tiefpass vorgesehen werden, alternativ kann eine entsprechende Fourier-Analyse der Messdaten durch einen Algorithmus durchgeführt werden.
  • Die Messung wird beispielsweise kurz nach dem Netznulldurchgang gestartet, beispielsweise bei 8 V Netzwechselspannung und bei 40-50 V wieder beendet und der Wechselrichter auf den herkömmlichen Heizleistungsbetrieb umgestellt. Dieser Spannungsbereich für die Topferkennung erlaubt es, Unterschiede resultierend aus verschiedenen Permeabilitätskurven von Topfmaterialien zu unterscheiden, aber anderseits auch das rechtzeitige Umschalten auf den Heizbetrieb, so dass auch große Leistungen übertragen werden können und die Vorgabe der Begrenzung der Harmonischen des Netzstromes eingehalten werden können.
  • Ist einmal eine Topfklassifizierung erfolgt, dann kann auf die spannungsverlaufsabhängige Bestimmung bzw. die Deltabestimmung der Betriebsgrößen verzichtet werden und bereits bei kleineren Spannungen auf den Heizbetrieb umgeschaltet werden. In diesem Betriebsfall muss nur noch eine Änderung der Bedeckung festgestellt werden.
  • Der erfindungsgemäße Ansatz der Implementierung einer Topferkennung mit veränderlicher Anregungsspannung erlaubt es, zusätzliche Schwingkreis-Parameter bzw. Messgrößen für eine Topferkennung (mit Bedeckungsmessung) zu generieren, die im Besonderen durch unterschiedliche Permeabilitätskennlinien von verschiedenen Topfmaterialien verursacht werden, wodurch Mehrdeutigkeiten unterscheidbar gemacht werden können. Die spannungsverlaufsabhängige Analyse bzw. die Deltaanalyse erlaubt eine bessere Unterscheidung der Topfmaterialien, wodurch anschließend in einem zweiten Schritt eine topfmaterialspezifische Bestimmung der Bedeckung der Induktionsheizspule ermöglicht wird.
  • Das Ausnutzen der steigenden Netzwechselspannung nach einem Nulldurchgang erlaubt eine kostengünstige Implementierung einer veränderlichen Speisespannung des Wechselrichters und vermeidet die Notwendigkeit von Netzteilen mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen zur unterschiedlichen Anregung der Topferkennung.
  • Das Umschalten des Wechselrichters für die Messung der relevanten Betriebsgrößen bei nur kleinen, steigenden Spannungen bis maximal 80 V erlaubt die Durchführung einer regelmäßigen Topferkennung im laufenden Heizbetrieb, wobei dadurch auch die Anforderung an die EMV-Begrenzung der Oberschwingungen des Netzstromes eingehalten werden können.
  • In einem ersten Schritt kann beispielsweise eine Topfklasse bestimmt werden und in einem folgenden Schritt kann dann spezifisch für das Topfmaterial dieser Topfklasse ein Grad der Überdeckung bestimmt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
    • Fig. 1
    ein Induktionskochfeld, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist,
    Fig. 2
    Spannungsverläufe und Stromverläufe des in Fig. 1 gezeigten Induktionskochfelds über der Zeit,
    Fig. 3
    eine Schwingkreisinduktivität mit verschiedenen, marktüblichen Topfmaterialien abhängig von der Bedeckung einer Induktionsheizspule gemessen mit dem in Fig. 1 gezeigten Induktionskochfeld, und
    Fig. 4
    eine Schwingkreisinduktivität mit verschiedenen, marktüblichen Topfmaterialien abhängig vom Strom durch die Induktionsheizspule gemessen mit dem in Fig. 1 gezeigten Induktionskochfeld.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines Induktionskochfelds 100, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
  • Das Induktionskochfeld 100 weist einen herkömmlichen Wechselrichter 1 auf, der aus einer Speisespannung US versorgt ist. Der Wechselrichter 1 weist zwei herkömmliche Halbleiterschaltmittel 10 und 11 auf, die in Reihe zwischen die Speisespannung US eingeschleift sind. An einem Verbindungsknoten der beiden Halbleiterschaltmittel 10 und 11 wird eine Anregungsspannung UA ausgegeben.
  • Das Induktionskochfeld 100 weist weiter zwei Kondensatoren 2 und 3 auf, die in Reihe zwischen die Speisespannung US eingeschleift sind.
  • Das Induktionskochfeld 100 weist weiter eine Induktionsheizspule 4 (auch als Induktor bezeichnet) auf. Die Induktionsheizspule 4 ist zwischen einen Verbindungsknoten der beiden Kondensatoren 2 und 3 und den Verbindungsknoten der beiden Halbleiterschaltmittel 10 und 11 eingeschleift. Die beiden Kondensatoren 2, 3 und die Induktionsheizspule 4 bilden einen SerienSchwingkreis 5.
  • Der Wechselrichter 1 ist dazu ausgebildet, aus der Speisespannung US die pulsweitenmodulierte Anregungsspannung UA für den Schwingkreis 5 zu erzeugen. Der Wechselrichter 1 wird durch eine mikroprozessorbasierte Steuereinheit 9 mit einer nachgeschalteten Treibereinheit 12 angesteuert, was unter Bezugnahme auf Fig. 2 nachfolgende detailliert beschrieben werden wird.
  • Das Induktionskochfeld 100 weist weiter einen Gleichrichter 7 auf, der dazu ausgebildet ist, aus einer Netzwechselspannung UN, beispielsweise mit 230 V/AC und 50 Hz, die Speisespannung US zu erzeugen.
  • Das Induktionskochfeld 100 weist weiter einen Zwischenkreiskondensator 8 auf, der dazu ausgebildet ist, die Speisespannung US zu puffern.
  • Fig. 2 zeigt Spannungsverläufe und Stromverläufe des in Fig. 1 gezeigten Induktionskochfelds 100 über der Zeit. Hierbei bezeichnet US die Speisespannung, UA bezeichnet die Anregungsspannung, UN bezeichnet die Netzwechselspannung und iS bezeichnet den Schwingkreisstrom.
  • Dargestellt sind 4 zeitlich aufeinanderfolgende Phasen P1, P2, P3 und P4 des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Während der Phase P1 wird die Anregungsspannung UA pulsweitenmoduliert derart erzeugt, dass sich eine vorgegebene, vorliegend geringe, Heizleistung einstellt. Die Netzwechselspannung UN nimmt sinusförmig ab. Die aus der Netzwechselspannung UN mittels Gleichrichten erzeugte Speisespannung US bleibt aufgrund der Pufferung mittels des Zwischenkreiskondensators 8 und der geringen Leistungsabgabe oberhalb der Netzwechselspannung UN.
  • An die Phase P1 schließt sich die Phase P2 an, während der der Zwischenkreiskondensator 8 durch geeignetes Ansteuern des Wechselrichters 1 bis auf den Betrag der momentanen Netzspannung UN entladen wird.
  • Im Zeitbereich um den Nulldurchgang der Netzwechselspannung UN endet die Phase P2 und es beginnt die Phase P3, d.h. der eigentliche Messbetrieb, während dem die zu bestimmenden Betriebsgrößen des Induktionskochfelds 100 bestimmt bzw. gemessen werden.
  • Die Betriebsgrößen sind ein Grad der Überdeckung der Induktionsheizspule 4 durch ein zu erhitzendes Kochgefäß 6, ein Material bzw. eine Materialklasse eines Topfbodens des die Induktionsheizspule 4 überdeckenden Kochgefäßes 6 und eine Temperatur des Bodens des die Induktionsheizspule 4 überdeckenden Kochgefäßes 6.
  • Hierzu wird die pulsweitenmodulierte Anregungsspannung UA mit einem vorgegebenen Spannungsverlauf erzeugt, beispielsweise indem eine oder zwei Perioden der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung UA mit einer vorgegebenen Periodendauer, einem vorgegebenen Tastverhältnis und einer Spannungsdifferenz zwischen Low-Pegel und High-Pegel der Pulsweitenmodulation erzeugt werden, die in etwa der momentanen Speisespannung US entspricht. Die momentane Speisespannung US wiederum entspricht in etwa dem momentanen Betrag der Netzwechselspannung UN.
  • Es wird dann ein sich ergebender Schwingkreisstrom iS durch die Induktionsheizspule 4 gemessen, wobei die elektrischen Schwingkreis-Parameter in Abhängigkeit von dem Momentanwert der Speisespannung US, d.h. dem momentanen Spannungsverlauf der Anregungsspannung US, und dem gemessenen Schwingkreisstrom iS berechnet werden.
  • Bei steigendem Betrag der Netzwechselspannung UN nimmt die Speisespannung US entsprechend zu, so dass für entsprechende Perioden der Pulsweitenmodulation die Spannungsdifferenz zwischen Low-Pegel und High-Pegel entsprechend zunimmt, d.h. der Spannungsverlauf der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung UA ändert sich entsprechend. Ein Tastgrad der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung UA und eine Periodendauer der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung UA bleiben konstant.
  • Für eine Anzahl n von zeitlich aufeinanderfolgenden Spannungsverläufen der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung UA werden die sich ergebenden Schwingkreisströme iS gemessen und für jeden Spannungsverlauf der n verschiedenen Spanungsverläufe wird der zugehörige elektrische spannungsverlaufsabhängige Schwingkreis-Parameter bestimmt bzw. berechnet, so dass n spannungsverlaufsabhängige Schwingkreis-Parameter ermittelt werden. Mit anderen Worten werden n verschiedene Schwingkreis-Parameter bei n verschiedenen Spannungsverläufen ermittelt.
  • Schließlich werden die Betriebsgrößen des Induktionskochfelds 100 aus mindestens zwei Schwingkreis-Parametern der n verschiedenen spannungsverlaufsabhängigen elektrischen Schwingkreis-Parameter ermittelt.
  • Zum Berechnen eines jeweiligen spannungsverlaufsabhängigen elektrischen Schwingkreis-Parameters kann die erste Harmonische der jeweiligen pulsweitenmodulierten Anregungsspannung UA oder einer davon abhängigen Spannung ermittelt werden, die erste Harmonische des jeweils gemessenen Schwingkreisstromes iS ermittelt werden, und der jeweilige elektrische Schwingkreis-Parameter dann in Abhängigkeit von der ermittelten ersten Harmonischen der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung oder der davon abhängigen Spannung und der ersten Harmonischen des gemessenen Schwingkreisstromes bestimmt werden. Die ersten Harmonischen können beispielsweise mittels Tiefpassfiltern und/oder durch Fourier-Analyse ermittelt werden.
  • Während der Phase P3 wird der Wechselrichter 1 heizleistungseinstellungsunabhängig angesteuert, wobei bevorzugt eine Frequenz der Pulsweitenmodulation höher ist als eine Eigenresonanzfrequenz des Schwingkreises 5.
  • Die Phase P3 erstreckt sich über einen Spannungsbetragsbereich der Netzwechselspannung UN zwischen ca. 10 V bis 50 V.
  • An die Phase P3 schließt sich die Phase P4 an, während der der Wechselrichter 1 wieder heizleistungseinstellungsabhängig angesteuert wird.
  • Das Induktionskochfeld 100 kann weitere Induktionsheizspulen aufweisen, wobei die weiteren Induktionsheizspulen ebenfalls aus der gleichgerichteten Netzwechselspannung UN gespeist werden, wobei die weiteren Induktionsheizspulen während der Phase P3 nicht aus der gleichgerichteten Netzwechselspannung UN gespeist werden, um ein Übersprechen zu vermeiden.
  • Fig. 3 zeigt beispielhaft eine sich ändernde Schwingkreisinduktivität bzw. eine sich ändernde Induktivität einer Induktionsheizspule abhängig von der Bedeckung durch ein Kochgeschirr. Die Induktivität aber auch die Änderung der Induktivität über der Bedeckung sind bei unterschiedlichen Materialien des Bodens des Kochgeschirrs verschieden.
  • Marktübliche Materialien für die Bodenplatte eines induktionsgeeigneten Kochgeschirrs sind beispielsweise ferritischer Edelstahl oder Stahl. Eine Besonderheit stellen Kochgeschirre bestehend aus einem Aluminiumkörper dar, bei denen ein ferritischer Edelstahl im Boden zur Beheizung auf einer Induktion eingepresst wird. Vom einlagigen, ferritischen Edelstahl können erfindungsgemäß auch mehrlagige Edelstahlkaschierungen unter-schieden werden.
  • Fig. 4 zeigt den nichtlinearen Induktivitätsverlauf von marktüblichen Kochgeschirren abhängig vom Strom durch die Induktionsheizspule. Die magnetische Feldstärke der Induktionsheizspule ist proportional zum Strom durch die Induktionsheizspule und bildet die magnetische Aussteuerung des Topfmaterials.
  • Die Induktivität steigt bei kleinen Strömen aufgrund der zunehmenden Permeabilität von ferritischen Materialien an, bis zunehmende Bereiche des Topfbodens in ferritische Sättigung gelangen und die Induktivität mehr oder weniger stark mit zunehmender Aussteuerung abnimmt.
  • Erfindungsgemäß werden mindestens zwei Arbeitspunkte der Aussteuerung gemessen und zueinander in Relation gesetzt, um so eine zusätzliche Messgröße zur Bestimmung der Betriebsgrößen nutzen zu können.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Induktionskochfelds (100),
    - wobei das Induktionskochfeld (100) aufweist:
    - einen Wechselrichter (1), der aus einer Speisespannung (US) versorgt ist,
    - mindestens einen Kondensator (2, 3), und
    - eine Induktionsheizspule (4),
    - wobei der mindestens eine Kondensator (2, 3) und die Induktionsheizspule (4) derart verschaltet sind, dass sie einen Schwingkreis (5) bilden, und
    - wobei der Wechselrichter (1) dazu ausgebildet ist, aus der Speisespannung (US) eine pulsweitenmodulierte Anregungsspannung (UA) für den Schwingkreis (5) zu erzeugen,
    - wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
    a) Erzeugen der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung (UA) mit einem vorgegebenen Spannungsverlauf,
    b) Messen eines sich ergebenden Schwingkreisstromes (iS), insbesondere durch die Induktionsheizspule (4),
    c) Bestimmen von elektrischen Schwingkreis-Parametern in Abhängigkeit von dem Spannungsverlauf der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung (UA) und dem gemessenen Schwingkreisstrom (iS),
    d) n-maliges Wiederholen der Schritte a) bis c) bei einem geänderten Spannungsverlauf der Anregungsspannung (UA) zum Bestimmen von elektrischen spannungsverlaufsabhängigen Schwingkreis-Parametern, und
    e) Ermitteln von Betriebsgrößen des Induktionskochfelds (100) aus den elektrischen spannungsverlaufsabhängigen Schwingkreis-Parametern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    - zum Verändern des Spannungsverlaufs der Anregungsspannung (UA) die Speisespannung (US) des Wechselrichters (1) verändert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    - ein Tastgrad der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung (UA) und/oder eine Periodendauer der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung (UA) während der Schritte a) bis e) konstant bleibt/bleiben.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Betriebsgrößen ausgewählt sind aus:
    - Grad der Überdeckung der Induktionsheizspule (4) durch ein zu erhitzendes Kochgefäß (6),
    - Material des die Induktionsheizspule (4) überdeckenden Kochgefäßes (6),
    - Temperatur eines Bodens des die Induktionsheizspule (4) überdeckenden Kochgefäßes (6).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Induktionskochfeld (100) weiter aufweist:
    - einen Gleichrichter (7), der dazu ausgebildet ist, aus einer Netzwechselspannung (UN) die Speisespannung (US) zu erzeugen, und
    - einen Zwischenkreiskondensator (8), der dazu ausgebildet ist, die Speisespannung (US) zu puffern,
    - wobei das Verfahren die weiteren Schritte aufweist:
    - vor dem Schritt a), bei abnehmendem Betrag der Netzwechselspannung (UN) fortlaufendes Entladen des Zwischenkreiskondensators (8) bis auf einen Spannungswert, der in einem vorgegebenen Spanungsbereich um den Betrag der momentanen Netzwechselspannung (UN) liegt, indem der Wechselrichter (1) geeignet angesteuert wird, so lange, bis die Netzwechselspannung (UN) einen Nulldurchgang aufweist und/oder die Speisespannung (US) einen Wert unter 10V, insbesondere unter 5V aufweist, und
    - anschließendes Wiederholen der Schritte a) bis c) bei zunehmendem Betrag der Netzwechselspannung (UN).
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - während der Schritte a) bis e) der Wechselrichter (1) heizleistungseinstellungsunabhängig angesteuert wird und vor und/oder nach den Schritten a) bis e) der Wechselrichter (1) heizleistungseinstellungsabhängig angesteuert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - im Schritt a) zusätzlich die erste Harmonische und/oder höhere Harmonische der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung (UA) oder einer davon abhängigen Spannung ermittelt wird/werden,
    - im Schritt b) zusätzlich die erste Harmonische und/oder höhere Harmonische des gemessenen Schwingkreisstromes (iS) ermittelt wird/werden, und
    - im Schritt c) die Schwingkreis-Parameter in Abhängigkeit von der ermittelten ersten Harmonischen und/oder den ermittelten höheren Harmonischen der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung (UA) oder der davon abhängigen Spannung und der ermittelten ersten Harmonischen und/oder den ermittelten höheren Harmonischen des gemessenen Schwingkreisstromes (iS) bestimmt wird/werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die ersten Harmonischen und/oder die höheren Harmonischen mittels Tiefpassfiltern und/oder durch Fourier-Analyse ermittelt werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - eine Periodendauer der pulsweitenmodulierten Anregungsspannung (UA) derart gewählt wird, dass sie kleiner ist als eine Periodendauer einer eigenresonanten Schwingung des Schwingkreises (5).
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Induktionskochfeld (100) weitere Induktionsheizspulen aufweist, wobei die weiteren Induktionsheizspulen ebenfalls aus der gleichgerichteten Netzwechselspannung (UN) gespeist werden, wobei während der Schritte a) bis e) in einem zeitlichen Bereich um den Nulldurchgang der Netzwechselspannung (UN) die weiteren Induktionsheizspulen nicht aus der gleichgerichteten Netzwechselspannung (UN) gespeist werden.
  11. Induktionskochfeld (100), das zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, aufweisend:
    - einen Wechselrichter (1), der aus einer Speisespannung (US) versorgt ist,
    - mindestens einen Kondensator (2, 3),
    - eine Induktionsheizspule (4),
    - wobei der mindestens eine Kondensator (2, 3) und die Induktionsheizspule (4) derart verschaltet sind, dass sie einen Schwingkreis (5) bilden, und
    - wobei der Wechselrichter (1) dazu ausgebildet ist, aus der Speisespannung (US) eine pulsweitenmodulierte Anregungsspannung (UA) für den Schwingkreis (5) zu erzeugen, und
    - eine Steuereinheit (9), die dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter (1) derart anzusteuern, dass ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird.
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