ITMI20010910A1 - INDUCTION COOKING EQUIPMENT HAVING IMPROVED FEATURES - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Il presente trovato riguarda un'apparecchiatura di cottura ad indu zione avente caratteristiche migliorate. Più particolarmente, il trovato riguarda un'apparecchiatura di cottura ad induzione che consente l'impiego anche di pentole convenzionali in acciaio inossidabile o acciaio. The present invention relates to an induction cooking apparatus having improved characteristics. More particularly, the invention relates to an induction cooking apparatus which also allows the use of conventional pots made of stainless steel or steel.
Come è noto, il principio del riscaldamento ad induzione per metalli conduttori o ferromagnetici risale agli albori dello studio dei fenomeni elettromagnetici e le sue leggi fondamentali sono, allo stato attuale, ben note e definite in ogni particolare. As is known, the principle of induction heating for conductive or ferromagnetic metals dates back to the dawn of the study of electromagnetic phenomena and its fundamental laws are, at present, well known and defined in every detail.
Il riscaldamento ad induzione, che è uno dei modi di riscaldamento a radio frequenza, si basa sulla produzione di calore a causa delle correnti parassite di Focault che si generano nei materiali conduttori quando que sti siano immersi in un campo magnetico a radio frequenza. Se il materiale conduttore ha anche caratteristiche ferromagnetiche, il riscaldamento è prodotto anche dalle perdite per isteresi (percorso chiuso la cui area rappresenta le perdite subite da un materiale ferromagnetico a causa del fenomeno dell'isteresi magnetica, ossia il fatto che un materiale di que sto tipo tenda a smagnetizzarsi più lentamente di quanto non si magnetiz zi) in aggiunta a quelle per correnti parassite. Il riscaldamento per isteresi cresce con l'aumentare della frequenza e con l'ampiezza dell'area del ciclo d'isteresi. Quindi, il riscaldamento ad induzione si usa per i materiali conduttori . Induction heating, which is one of the radio frequency heating modes, is based on the production of heat due to the Focault eddy currents that are generated in conductive materials when they are immersed in a radio frequency magnetic field. If the conductive material also has ferromagnetic characteristics, the heating is also produced by the losses due to hysteresis (closed path whose area represents the losses suffered by a ferromagnetic material due to the phenomenon of magnetic hysteresis, i.e. the fact that a material of this type tends to demagnetize more slowly than it magnetizes) in addition to those due to eddy currents. Heating by hysteresis increases with increasing frequency and with the width of the hysteresis loop area. Hence, induction heating is used for conductive materials.
Le frequenze usate per il riscaldamento ad induzione sono dell'ordine dei kilo hertz e per generarle si possono utilizzare generatori facenti uso di dispositivi di potenza come i transistori (IGBT) che non sono altro che dei convertitori corrente continua - corrente alternata ad alta fre quenza . The frequencies used for induction heating are of the order of kilo hertz and to generate them it is possible to use generators making use of power devices such as transistors (IGBT) which are nothing more than direct current - high frequency alternating current converters. .
Nel riscaldamento ad induzione per il settore della ristorazione si incontra un problema in più e per l'esattezza l'induttore che serve per l'accoppiamento con l'elemento da riscaldare (padella o contenitore di qualsiasi tipo e forma). A questi generatori si richiede anche una note vole schermatura al fine di evitare interferenze durante i servisi nel campo delle telecomunicazioni. Simili schermature si realizzano meccanicamente e mediante filtri sulla rete di alimentazione. L'alimentazione in continua si realizza con raddrizzatori allo stato solido (ponti di diodi). In induction heating for the catering sector there is an additional problem and to be exact, the inductor which is used for coupling with the element to be heated (pan or container of any type and shape). Considerable shielding is also required of these generators in order to avoid interference during telecommunication services. Similar shields are made mechanically and by means of filters on the power supply network. The DC power supply is made with solid state rectifiers (diode bridges).
Il riscaldamento ad induzione per la cottura dei cibi è attualmente riconosciuto come un procedimento molto efficiente e di estrema sicurezza, sia per gli operatori sia per l'ambiente. Induction heating for cooking food is currently recognized as a very efficient and extremely safe procedure, both for operators and for the environment.
Uno degli inconvenienti dei dispositivi di riscaldamento ad induzione attualmente sul mercato è il fatto che essi, utilizzando generalmente un circuito LCR, non raggiungono una condizione di perfetta risonanza, situa zione in cui si ha una trasmissione di potenza massima utile all'elemento riscaldato, con la minima corrente possibile a parità di tensione disponibile . One of the drawbacks of induction heating devices currently on the market is the fact that, generally using an LCR circuit, they do not reach a condition of perfect resonance, a situation in which there is a transmission of maximum useful power to the heated element, with the minimum possible current with the same voltage available.
Il non raggiungimento della perfetta condizione di risonanza con un generico tipo di pentola quale elemento riscaldato provoca un conseguente aumento delle correnti e delle dissipazioni. Failure to reach the perfect resonance condition with a generic type of pot as a heated element causes a consequent increase in currents and dissipations.
Di conseguenza, i dispositivi attualmente noti richiedono l'impiego di pentole, o elementi riscaldati in genere, appositamente realizzati per tale specifico impiego. Consequently, currently known devices require the use of pots, or heated elements in general, specially made for this specific use.
Inoltre, le apparecchiature di riscaldamento a induzione di tipo noto non consentono di effettuare le cosiddette operazioni di "spadellamento", ossia l'operazione consistente nel muovere la padella sulla piastra di riscaldamento con un movimento alternato, quale potrebbe essere effettuato su una apparecchiatura di cottura a gas. Furthermore, known induction heating equipment does not allow the so-called "frying" operations to be carried out, i.e. the operation consisting in moving the pan on the heating plate with an alternating movement, such as could be performed on a cooking equipment gas.
Compito precipuo del presente trovato è quello di realizzare un'appa recchiatura per la cottura ad induzione che consente di utilizzare comuni pentole in acciaio inossidabile o acciaio senza perdite di potenza e quin di non obbligando 1'utilizzatore all'uso di pentole speciali. The aim of the present invention is to provide an apparatus for induction cooking which allows the use of common stainless steel or steel pans without loss of power and thus not requiring the user to use special pans.
Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato e quel lo di realizzare un'apparecchiatura per la cottura ad induzione che con senta di operare sempre in condizioni di risonanza ottimale, onde ottimiz zare il rendimento globale del processo. Within the scope of this aim, an object of the present invention is to provide an apparatus for induction cooking which allows to always operate in conditions of optimal resonance, in order to optimize the overall efficiency of the process.
Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un'appa recchiatura per la cottura ad induzione che consenta di effettuare opera zioni cosiddette di "spadellamento" sostanzialmente analoghe a quelle pos sibili con una apparecchiatura di cottura a gas tradizionale. Another object of the present invention is to provide an apparatus for induction cooking which allows so-called "frying" operations to be carried out substantially similar to those possible with a traditional gas cooking apparatus.
Un ulteriore scopo del presente trovato e quello di realizzare un'ap parecchiatura per la cottura ad induzione che consenta di ridurre al mini mo le dissipazioni, con conseguente aumento del rendimento globale del l'apparecchiatura stessa. A further object of the present invention is to provide an apparatus for induction cooking which allows dissipation to be reduced to a minimum, with a consequent increase in the overall efficiency of the apparatus itself.
Ancora un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un'apparecchiatura per la cottura ad induzione che abbia la possibilità di essere collegata ad apparecchiature analoghe, tramite la rete locale dedi cata, per ripartire in modo ottimale i carichi sulla rete per il fatto di alimentazione, e quindi prevenire l'intervento delle protezioni che negli ambienti professionali possono provocare interruzioni dei processi di lavoro . Yet another object of the present invention is to provide an apparatus for induction cooking which has the possibility of being connected to similar apparatuses, via the dedicated local network, in order to optimally distribute the loads on the network due to the fact of power supply, and therefore prevent the intervention of the protections which in professional environments can cause interruptions to work processes.
Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un'appa recchiatura per la cottura ad induzione che sia di elevata affidabilità, di relativamente realizzazione ed a costi competitivi.. Not least object of the present invention is to provide an apparatus for induction cooking which is highly reliable, relatively easy to manufacture and at competitive costs.
Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da una apparecchiatura di cottura ad induzione, comprendente un elemento induttore pilotato da un invertitore a sua volta comandato da un circuito di comando, condensatori di risonanza essendo collegati in parallelo a detto elemento induttore, caratterizzata dal fat to di comprendere una unità di controllo in tempo reale, atta a rilevare la corrente di risonanza di un circuito di risonanza costituito da detto elemento induttore e da detti condensatori di risonanza, e la corrente di fase della linea di alimentazione, per inviare ad ogni semiciclo della fondamentale un segnale di pilotaggio per il circuito di comando per ga rantire una perfetta condizione di risonanza. This task, as well as these and other purposes which will appear better later, are achieved by an induction cooking apparatus, comprising an inductor element driven by an inverter in turn controlled by a control circuit, resonance capacitors being connected in parallel to said inductor element, characterized by the fact of comprising a control unit in real time, able to detect the resonance current of a resonance circuit consisting of said inductor element and said resonance capacitors, and the phase current of the power supply, to send at each half-cycle of the fundamental a driving signal for the control circuit to guarantee a perfect resonance condition.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno mag giormente dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, dell'apparecchiatura secondo il trovato, illustrata a tito lo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, in cui l'unica figura illustra uno schema circuitale dell'apparecchiatura secondo il presente trovato Further characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description of a preferred but not exclusive embodiment of the apparatus according to the invention, illustrated by way of example and not of limitation in the accompanying drawings, in which the only figure illustrates a diagram circuit of the apparatus according to the present invention
Con riferimento alla figura sopra citata, l'apparecchiatura di cottu ra ad induzione secondo il presente trovato, globalmente indicata dal nu mero di riferimento 1, comprende un microcontrollore 2 atto a ricevere in ingresso comandi da un'interfaccia di utente 3, a rilevare un'informazione 4 relativa alla corrente di fase della linea di alimentazione e a pilotare conseguentemente una unità di controllo in tempo reale 5 la quale pilota un circuito 6 di comando della commutazione di un invertitore 7 costituito da una o più coppie di transistori IGBT 8, ciascuno avente un relativo condensatore 9 in parallelo. With reference to the aforementioned figure, the induction cooking apparatus according to the present invention, generally indicated by the reference number 1, comprises a microcontroller 2 adapted to receive commands at the input from a user interface 3, to detect a information 4 relating to the phase current of the power supply line and consequently driving a control unit in real time 5 which drives a control circuit 6 for the switching of an inverter 7 consisting of one or more pairs of IGBT transistors 8, each having a relative capacitor 9 in parallel.
Un elemento induttore 10 è collegato al nodo comune tra il terminale di emittore dei transistori IGBT e i condensatori 9, e una coppia di con densatori di risonanza 11, disposti in parallelo all'elemento induttore 10, formano con l'elemento induttore un circuito LCR. An inductor element 10 is connected to the common node between the emitter terminal of the IGBT transistors and the capacitors 9, and a pair of resonance capacitors 11, arranged in parallel with the inductor element 10, form an LCR circuit with the inductor element.
L'unità di controllo 5 rileva il valore istantaneo della corrente di risonanza Ir e il valore della tensione linea in corrente continua Vcc del circuito e invia al circuito di comando 6 gli opportuni impulsi di con trollo in tempo reale. The control unit 5 detects the instantaneous value of the resonance current Ir and the value of the direct current line voltage Vcc of the circuit and sends the appropriate control pulses in real time to the control circuit 6.
Il colloquio con il microprocessore 2 e l'unità di controllo in tem po reale avviene tramite una linea bidirezionale 12. The conversation with the microprocessor 2 and the control unit in real time takes place via a bidirectional line 12.
Il circuito LCR formato da elementi induttori 10 e dalla coppia di condensatori di risonanza 11 viene mantenuto sempre in perfetta condizione di risonanza dalla unità di controllo in tempo reale 5, la quale è costi tuita da logiche digitali ad alta velocità che in base alla tensione del bus in corrente continua Vcc ed al valore istantaneo della corrente di risonanza Ir invia al circuito di comando 6 gli opportuni impulsi di con trollo in tempo reale. The LCR circuit formed by inductor elements 10 and by the pair of resonance capacitors 11 is always kept in perfect resonance condition by the real-time control unit 5, which is constituted by high-speed digital logics which, based on the voltage of the direct current bus Vcc and at the instantaneous value of the resonance current Ir it sends the appropriate control pulses in real time to the control circuit 6.
Tra la rete di alimentazione e il circuito sopra descritto è interpo sto un filtro di rete 13 il quale ha il compito di ridurre il contenuto armonico della corrente di fase a valori che rientrano nelle maschere at tualmente specificate nelle normative vigenti. In cascata al filtro di re te 13 è collegato un ponte raddrizzatore 14 il quale ha il compito di convertire la tensione alternata della linea di alimentazione di tensione di bus in corrente continua (Vcc). Between the power supply network and the circuit described above there is a network filter 13 which has the task of reducing the harmonic content of the phase current to values which fall within the masks currently specified in the regulations in force. A rectifier bridge 14 is connected in cascade to the network filter 13 which has the task of converting the alternating voltage of the bus voltage supply line into direct current (Vcc).
In cascata al ponte raddrizzatore 14 è disposto un filtro HS 15 il quale riduce drasticamente le componenti ad alta frequenza generata dalla corrente dell'invertitore 7 alla frequenza di risonanza e relative armo niche superiori. An HS filter 15 is arranged in cascade to the rectifier bridge 14 which drastically reduces the high frequency components generated by the current of the inverter 7 to the resonant frequency and related higher harmonics.
Il microcontrollore 2 riceve da un trasformatore 16 di misura della corrente di fase un'informazione relativa alla corrente di fase della li nea di alimentazione (segnale 4) e riceve inoltre segnali di temperatura 17 nonché segnali 18 provenienti da comunicazioni seriali. The microcontroller 2 receives from a phase current measurement transformer 16 information relating to the phase current of the supply line (signal 4) and also receives temperature signals 17 as well as signals 18 from serial communications.
La particolarità del trovato risiede quindi nel fatto di aggiornare la frequenza di commutazione degli invertitori 8 che compongono 1'inverti tore 7 in tempo reale ad ogni semiciclo dell'onda fondamentale. The particularity of the invention therefore lies in the fact that it updates the switching frequency of the inverters 8 which make up the inverter 7 in real time at each half-cycle of the fundamental wave.
Il circuito è mantenuto in costante condizione di risonanza dalla unità di controllo in tempo reale 5, e quindi si otterranno le commutazio ni di tipo "zero voltage switching" poiché le fondamentali di tensione e corrente saranno perfettamente in fase. Le dissipazioni di commutazione degli invertitori 8 sono ridottissime grazie all'adozione di una strategia di commutazione cosiddetta soft-switching che garantisce almeno una com mutazione a corrente nulla ZCS (zero current switching). The circuit is maintained in a constant resonance condition by the real-time control unit 5, and therefore "zero voltage switching" will be obtained since the voltage and current fundamentals will be perfectly in phase. The switching dissipations of the inverters 8 are very low thanks to the adoption of a so-called soft-switching strategy which guarantees at least one zero current switching (ZCS).
In sostanza, quindi, il controllo deve monitorare continuamente ten sione e corrente di risonanza ed ha un identificatore parametrico per com prendere il tipo di pentola presente onde ottimizzare le risorse di poten za trasmessa. Tale identificatore provvedere inoltre a diminuire drastica mente la potenza qualora la pentola fosse rimossa, sia per ragioni di si curezza per l'operatore, sia per minimizzare i consumi e le eventuali ar moniche a radiofrequenza immesse nell'ambiente circostante. In essence, therefore, the control must continuously monitor voltage and resonance current and has a parametric identifier to understand the type of pot present in order to optimize the transmitted power resources. This identifier also drastically reduces the power if the pan is removed, both for reasons of safety for the operator and to minimize consumption and any radio frequency harmonics emitted into the surrounding environment.
Dato che la frequenza di risonanza del sistema induttore/pentola va ria in funzione di moltissimi fattori si sono separati quelli costanti o lentamente variabili nel tempo da quelli velocemente variabili nel tempo. Since the resonant frequency of the inductor / pot system varies as a function of many factors, those that are constant or slowly variable over time have been separated from those that vary quickly over time.
I principali fattori costanti o lentamente variabili nel tempo sono: circuito magnetico dell'induttore, circuito elettrico dell'induttore, temperature dei due circuiti, tipo e dimensioni della pentole, temperatura del fondo della pentola, resistività del fondo della pentola, eventuali caratteristiche ferromagnetiche del materiale della pentola, tensioni di rette di conduzione degli IGBT 8 e relativi diodi di ricircolo. The main factors that are constant or slowly varying over time are: magnetic circuit of the inductor, electrical circuit of the inductor, temperatures of the two circuits, type and size of the pots, temperature of the bottom of the pot, resistivity of the bottom of the pot, any ferromagnetic characteristics of the material of the pot, conduction line voltages of the IGBT 8 and related recirculation diodes.
I fattori velocemente variabili nel tempo sono invece: The factors that vary quickly over time are:
tensione di rete, tensione raddrizzata di alimentazione del modulato re, corrente circolante nei transistori IGBT 8, posizioni relative tra pentola ed induttore. mains voltage, rectified supply voltage of the modulator, current circulating in the IGBT transistors 8, relative positions between the pot and the inductor.
Con un'autosintonizzazione ad ogni semiciclo della fondamentale di risonanza si è ottenuto anche lo scopo di poter automaticamente compensare tutte le variazioni dei fattori velocemente variabili nel tempo e quindi anche la posizione relativa tra pentola ed induttore e questo consente di poter realizzare il cosiddetto "spadellamento", operazione usuale ed indi spensabile per un cuoco professionista. By self-tuning at each half-cycle of the resonance fundamental, the aim was also achieved of being able to automatically compensate for all the variations in the factors that vary rapidly over time and therefore also the relative position between the pot and the inductor and this allows the so-called "stir-frying" ", a usual and indispensable operation for a professional cook.
L 'autosintonizzazione o accordamento della unità di controllo in tem po reale 5 garantisce ad ogni semiciclo della fondamentale un opportuno segnale di pilotaggio per il circuito di comando 6 che deve garantire la perfetta condizione di risonanza per sfruttare tutti i benefici del softswitching nella modalità risonante, dato che le commutazioni dei transi stori devono avvenire in un intorno del passaggio per lo zero della cor rente di risonanza e dato che è necessario adottare un certo tempo morto per evitare fenomeni di conduzione incrociata, il comando di cambio di stato da dare al circuito di comando 6 deve essere dato con un certo anti cipo e questo tempo di anticipo ottimale è funzione sia del valore massimo della corrente di risonanza Ir sia della frequenza di risonanza sia anco ra del valore di capacità dei condensatori 9 collegati in parallelo ai re lativi transitori. The autotuning or tuning of the control unit in real time 5 guarantees at each half-cycle of the fundamental a suitable driving signal for the control circuit 6 which must guarantee the perfect resonance condition to exploit all the benefits of softswitching in the resonant mode. since the switching of the transistors must take place in a neighborhood of the zero crossing of the resonance current and since it is necessary to adopt a certain dead time to avoid cross-conduction phenomena, the change of state command to be given to the command 6 must be given with a certain advance and this optimum advance time is a function of both the maximum value of the resonance current Ir and the resonance frequency and also the capacitance value of the capacitors 9 connected in parallel to the relative transients.
Inoltre, l'unità di controllo in tempo reale 5 deduce, appunto in tempo reale, la resistenza equivalente induttore/pentola onde rilevare nel più breve tempo possibile la condizione di assenza della pentola. Furthermore, the control unit in real time 5 deduces, precisely in real time, the equivalent inductor / pan resistance in order to detect in the shortest possible time the condition of absence of the pan.
Questa condizione è molto importante perché permette di ridurre il campo magnetico alternato ad alta frequenza, a valori molto bassi (inqui namento elettromagnetico minimale) al solo scopo di rilevare la condizione di reinserzione della pentola. This condition is very important because it allows the high frequency alternating magnetic field to be reduced to very low values (minimal electromagnetic pollution) for the sole purpose of detecting the re-insertion condition of the pot.
Il microcontrollo 2 monitore, mediante il trasformatore 16, l'assor bimento di corrente per comunicare alla unità di controllo 5 il giusto set-point per ottenere la potenza trasmessa desiderata e svolgere altre funzioni ausiliarie. The microcontrol 2 monitors, by means of the transformer 16, the current absorption to communicate to the control unit 5 the right set-point to obtain the desired transmitted power and perform other auxiliary functions.
Il microcontrollore, tramite la linea di comunicazione 18, riceve lo stato di utilizzazione della potenza massima della linea trifase utilizza ta: qualora lo stato di utilizzazione dovesse essere superiore ad una cer ta soglia prefissata, il microcontrollore 2 provvede a diminuire in modo adeguato la trasmissione di potenza sino a quando lo stato di utilizza zione totale non rientrerà nella soglia. The microcontroller, through the communication line 18, receives the state of use of the maximum power of the three-phase line used: if the state of use should be higher than a certain predetermined threshold, the microcontroller 2 adequately decreases the transmission of power until the total utilization state falls within the threshold.
Un microcontrollore generale può monitorare quindi la corrente delle tre linee del sistema trifase di alimentazione e trasmetterla ai singoli dispositivi di riscaldamento secondo il trovato, in modo da distribuire uniformemente tutta la potenza utile a tutti i dispositivi e soprattutto evitare che un eccessivo carico possa fare intervenire le protezioni di linea con il conseguente arresto del ciclo di cottura, con le conseguenze e i disagi ben noti. A general microcontroller can therefore monitor the current of the three lines of the three-phase power supply system and transmit it to the individual heating devices according to the invention, so as to uniformly distribute all the useful power to all the devices and above all prevent an excessive load from causing the intervention. the line protections with the consequent stop of the cooking cycle, with the consequences and the well-known inconveniences.
Si è in praticato constatato come 1'apparecchiatura di cottura ad in duzione secondo il trovato assolva pienamente il compito nonché gli scopi prefissati, in quanto permette di operare sempre in condizione di risonan za onde ottimizzare il rendimento globale del processo, potendo inoltre utilizzare qualsiasi tipo di pentole disponibili, in virtù della capacità di rilevare costantemente e in tempo reale la corrente di risonanza e adattare quindi il pilotaggio dei transistori costituenti l'invertitore. In practice it has been found that the induction cooking apparatus according to the invention fully achieves the intended aim and objects, since it allows to always operate in resonance conditions in order to optimize the overall efficiency of the process, being also able to use any type of pots available, by virtue of the ability to constantly detect the resonance current in real time and thus adapt the driving of the transistors making up the inverter.
Inoltre, l'apparecchiatura secondo il trovato consente di effettuare le cosiddette operazioni di "spadellamento". Furthermore, the apparatus according to the invention allows to carry out the so-called "frying" operations.
L'apparecchiatura così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti . The apparatus thus conceived is susceptible of numerous modifications and variations, all of which are within the scope of the inventive concept; furthermore, all the details can be replaced by other technically equivalent elements.
In pratica , i materiali impiegati, nonché le dimensioni e le forme contingenti, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato del la tecnica. In practice, the materials used, as well as the contingent shapes and dimensions, may be any according to the requirements and the state of the art.
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