ITVR20120179A1

ITVR20120179A1 - Procedimento di riscaldamento ad induzione per cucine ad uso industriale e domestico con ottimizzazione della potenza erogata

Info

Publication number: ITVR20120179A1
Application number: IT000179A
Authority: IT
Inventors: Andrea Zuccatti
Original assignee: Inoxpiu S R L
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2014-03-06
Also published as: WO2014037898A1

Description

Titolo: â€œPROCEDIMENTO DI RISCALDAMENTO AD INDUZIONE PER CUCINE AD USO INDUSTRIALE E DOMESTICO CON OTTIMIZZAZIONE DELLA POTENZA EROGATAâ€

CAMPO DI APPLICAZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un procedimento e ad un sistema di riscaldamento ad induzione per cucine ad uso industriale e domestico.

PiÃ¹ particolarmente, la presente invenzione si riferisce ad un procedimento e ad un sistema di riscaldamento ad induzione che consenta di riconoscere la tipologia e dimensioni di contenitore o pentola disposta al di sopra della piastra di riscaldamento ad induzione, creando un modello matematico equivalente del suddetto contenitore/pentola, e che provvede quindi ad erogare la potenza di riscaldamento ottimale adattando la stessa alla tipologia e dimensioni di contenitore/pentola utilizzato.

L'invenzione trova particolare applicazione nel campo dell'elettronica industriale, con riferimento ai sistemi di riscaldamento ad induzione per cucine industriali e domestiche.

STATO DELLA TECNICA

I sistemi di riscaldamento ad induzione sono spesso utilizzati per sistemi a bassa e media potenza in applicazioni nel campo della cucina industriale e ad uso domestico; essi sfruttano generalmente dei convertitori risonanti o semi-risonanti per l'alimentazione dell'elemento induttore.

In particolare, la configurazione a mezzo ponte risonante Ã ̈ tra le piÃ¹ utilizzate, tale configurazione essendo essenzialmente basata sul fatto di lavorare su un circuito equivalente del sistema convertitore/induttore/pentola, che viene assimilato, ai fini di realizzare un modello elettrico equivalente, ad un sistema del tipo RLC (resistenza-induttanza-capacitÃ ) serie.

Per la realizzazione di tale modello elettrico equivalente vengono normalmente assunti i seguenti parametri di riferimento:

a) l'elemento capacitivo Ã ̈ contenuto nel convertitore di potenza;

b) l'elemento induttivo Ã ̈ contenuto nel sistema induttore e nell'accoppiamento che questo produce sulla peentola; e

c) l'elemento resistivo, al netto del circuito ohmico intrinseco del circuito, Ã ̈ prevalentemente quello che si ottiene dal trasferimento di potenza nel materiale.

Questo modello equivalente di tipo RLC serie viene eccitato da un ponte che Ã ̈ in grado di variare l'ampiezza della sorgente di tensione applicata operando sulla modulazione di larghezza di impulso (PWM), e contemporaneamente variando la frequenza di eccitazione del sistema.

Il documento EP-A1-2334142 descrive un dispositivo di riscaldamento ad induzione dotato di mezzi di controllo differenziati, che forniscono correnti diverse, nel caso in cui il contenitore o la pentola da riscaldare sia realizzata in alluminio oppure in ferro. Tale dispositivo, tuttavia, non Ã ̈ dotato di mezzi in grado di riconoscere se il contenitore o la pentola da riscaldare sia realizzata nell'uno o nell'altro materiale, tanto meno in un materiale diverso da alluminio e ferro.

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

La presente invenzione si propone di ovviare agli inconvenienti e svantaggi tipici della tecnica nota, ed a fornire pertanto un nuovo procedimento e sistema di riscaldamento ad induzione che sia in grado di riconoscere la tipologia di pentola da riscaldare, in termini di materiale in cui essa Ã ̈ realizzata, e di adattare automaticamente la prestazione di riscaldamento ottimale del sistema al materiale identificato, consentendo in questo modo di utilizzare il sistema in modo ottimale riducendo quindi fortemente i costi di gestione dello stesso.

CiÃ² Ã ̈ ottenuto mediante un procedimento di riscaldamento ad induzione per cucine industriali e per uso domestico avente le caratteristiche descritte alla rivendicazione principale.

Le rivendicazioni dipendenti delineano forme di realizzazione particolarmente vantaggiose del sistema secondo l'invenzione.

Inoltre, le rivendicazioni 7 e 8 descrivono un sistema di riscaldamento per applicazioni su cucine industriali e/o domestiche che consente di riconoscere la tipologia di pentola da riscaldare e ad ottimizzare l'erogazione di potenza di riscaldamento nei confronti di tale pentola.

Esperimenti condotti dal richiedente hanno potuto dimostrare che le prestazioni di una macchina di riscaldamento ad induzione sono fortemente dipendenti dalla individuazione di un ottimale campo di frequenze di lavoro.

Infatti, normalmente un buon trasferimento di potenza si ottiene solamente a condizione che la frequenza in cui si lavora sia nell'intorno della frequenza di risonanza del circuito LC, in cui perÃ² l'elemento induttivo L dipende non solamente dalla geometria della bobina di riscaldamento, ma anche dalla forma, dalle dimensioni e dal materiale di cui Ã ̈ composto il contenitore o "pentola" da riscaldare.

E' questo un elemento assai critico dei sistemi di riscaldamento ad induzione, in quanto utilizzando sempre le medesime frequenze oppure alcune frequenze fisse si rischia di non ottenere un buon risultato energetico, provocando un consumo di energia che porta a dei costi di gestione del sistema relativamente elevati.

La presente invenzione Ã ̈ stata sviluppata a partire innanzitutto dalla osservazione secondo cui la frequenza di risonanza del sistema, alla quale la corrente (e quindi la potenza) erogata ha il punto di massimo, dipende da forma, dimensioni e materiale del contenitore o pentola da riscaldare.

Secondo l'invenzione, una volta disposto un contenitore o pentola sulla piastra riscaldante, l'elettronica di comando del sistema effettua una scansione per passi successivi di frequenze di lavoro sulla macchina tra due valori limite predeterminati, andando a ricercare il punto di massimo, quindi la frequenza di risonanza del sistema.

In questa fase qualsiasi tipologia di contenitore che viene posto sulla piastra viene visto ed identificato dall'elettronica di comando del sistema come una resistenza equivalente.

L'elettronica di comando Ã ̈ quindi in grado di individuare, per ciascuna tipologia di contenitore disposto sulla piastra, la frequenza di risonanza del sistema, che corrisponde al punto di erogazione della massima potenza dalla piastra verso il contenitore.

Test effettuati dal richiedente hanno potuto inoltre dimostrare che il punto di lavoro ottimale del sistema di riscaldamento non Ã ̈ situato esattamente in corrispondenza del valore della frequenza di risonanza, bensÃ¬ ad un valore leggermente superiore a tale frequenza di risonanza.

In tale contesto, i migliori risultati sono stati registrati per valori di frequenza superiori di circa 5% rispetto ai corrispondenti valori di frequenza di risonanza; tali valori corrispondono alla condizione di "Zero-Voltage-Switching" (ZVS) che consentono di ottenere un aumento del rendimento energetico dell'elettronica ed un conseguente minor consumo.

Pertanto, secondo una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa dell'invenzione, l'elettronica di comando Ã ̈ programmata per fissare la frequenza di lavoro ottimale ad un valore superiore, in un intorno del 5%, rispetto alla frequenza di risonanza rilevata essere il punto di erogazione di massima potenza per il determinato contenitore da riscaldare.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Altre caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno evidenti alla lettura della seguente descrizione di una forma di realizzazione dell'invenzione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con l'ausilio del disegno illustrato nella tavola allegata in cui:

- la fig. 1 mostra uno schema di principio di un sistema di riscaldamento ad induzione secondo la presente invenzione;

- la fig. 2 mostra uno schema di principio del circuito elettrico equivalente utilizzato nella presente invenzione; e

- la figura 3 illustra in via schematica la modalitÃ di ottimizzazione prestazioni ottenuta secondo la presente invenzione.

DESCRIZIONE DI UNA FORMA DI REALIZZAZIONE DELL'INVENZIONE Nella figura 1, il numero di riferimento 10 indica, generalmente, un inverter di classe D utilizzato in un sistema di riscaldamento ad induzione per applicazioni in campo della cucina industriale e ad uso domestico.

Tale inverter 10, alimentato da una opportuna sorgente di tensione 11, viene utilizzato per l'alimentazione di un elemento induttore o bobina 12 in corrispondenza della quale viene disposto un contenitore o pentola 13 da riscaldare.

L'inverter 10 comprende inoltre una coppia di interruttori elettronici 14, 14' in grado di interrompere e/o stabilire il passaggio di corrente verso la bobina 12 a seconda di istruzioni di comando ottenute da un microprocessore 17.

Classicamente, tale configurazione di inverter a ponte risonante lavora su un circuito equivalente del sistema convertitore - induttore - contenitore (pentola) che, ai fini della elaborazione di un modello elettrico equivalente, puÃ² essere asssimilato ad un sistema di tipo RLC serie, come chiaramente illustrato nella fig. 2, dove l'elemento capacitivo C Ã ̈ contenuto nel convertitore di potenza, l'elemento induttivo L Ã ̈ contenuto nel sistema induttore e nell'accoppiamento che questo produce sulla pentola, e l'elemento resistivo R, al netto del circuito ohmico intrinseco del sistema, Ã ̈ prevalentemente quello che si ottiene dal trasferimento di potenza sul materiale costitutivo della pentola.

Il trasferimento di potenza in un simile sistema avviene solamente allorchÃ ̈ la frequenza di lavoro si trovi in un intorno della frequenza di risonanza del circuito LC, dove perÃ² l'elemento induttivo L dipende non solo dalla geometria della bobina, ma anche dalla forma e dalle dimensioni della pentola, nonchÃ ̈ dal materiale costitutivo della stessa.

E' evidente che, al variare del materiale costitutivo e della geometria della pentola, ed al variare dei parametri dell'induttore, la frequenza di risonanza del sistema puÃ² variare a seconda del fattore Q (che Ã ̈ un fattore indicativo delle perdite della rete) espresso dal sistema. CiÃ² puÃ² condurre ad un decadimento, anche consistente, delle prestazioni del sistema, e conseguentemente, a consumi elevati.

Inoltre, non Ã ̈ normalmente possibile prevedere quali saranno forma, dimensioni e materiale costitutivo della pentola 13 che sarÃ posta a contatto con la bobina 12.

Sulla base di quest'ultima osservazione, la presente invenzione prevede di disporre una pentola 13 su di una bobina 12 e di effettuare quindi una scansione di frequenza di lavoro della macchina allo scopo di individuare il punto di massimo trasferimento di potenza, corrispondente alla frequenza di risonanza del sistema, nonchÃ ̈ il fattore Q indicativo delle perdite.

Tale operativitÃ viene effettuata mediante un circuito 15, collegato al microprocessore 17, di misurazione della corrente che percorre la bobina 12, ed un ulteriore circuito 16, pure collegato al microprocessore 17, di misurazione della tensione ai capi della bobina 12, e di un circuito di tipo VCO (Voltage Controlled Oscillator), che produce in uscita una frequenza variabile a partire da una tensione di ingresso variabile. Tale circuito VCO puÃ² essere di tipo esterno, ma preferibilmente esso Ã ̈ direttamente integrato nel microprocessore 17.

Pertanto, in modo assolutamente innovativo rispetto alle soluzioni note nella tecnica, il sistema secondo la presente invenzione prevede di effettuare una serie di misure di frequenza successive, ad intervalli di frequenza predeterminati, tramite il suddetto circuito VCO, che Ã ̈ un oscillatore a controllo di tensione, allo scopo di individuare la frequenza di risonanza del sistema comprendente quella particolare pentola 13.

Una volta individuato il valore di frequenza in corrispondenza del quale viene registrato il valore massimo di corrente che percorre la bobina 13, conformemente all'invenzione la frequenza di lavoro ottimale viene impostata per quella particolare pentola 13 ad un valore leggermente superiore, dell'ordine del 5%, rispetto alla frequenza di risonanza registrata. Tale valore Ã ̈ stato empiricamente individuato come quello che consente di ottenere i migliori risultati in termini di prestazioni riscaldanti del sistema.

Tale modalitÃ operativa viene chiaramente illustrata nella figura 3, dove si puÃ² notare come l'elettronica di sistema modifichi la frequenza andando alla ricerca dell'impulso di tensione Vpulse, la presenza del quale Ã ̈ indice del raggiungimento della frequenza di risonanza, ed a questo punto il sistema viene tarato in modo tale da mantenere la condizione di interruzione a tensione nulla (ZVS - Zero-Voltage-Switching) che consente di ottimizzare il rendimento energetico dell'elettronica che risulta in ridotti consumi.

A titolo esemplificativo, la scansione di frequenza puÃ² essere impostata partendo da un valore di 25 kHz e procedendo per passi successivi di 100 Hz fino a raggiungere il valore di 17 kHz. All'interno di questo campo viene individuato e registrato il punto di massimo del valore di corrente (o, in modo equivalente, di potenza trasferita alla pentola 13) corrispondente alla frequenza di risonanza del sistema.

Si puÃ² notare che in questo modo il sistema secondo la presente invenzione consente di misurare la potenza attiva erogata al carico (in altre parole i kW ceduti alla pentola), eseguendo in tempo reale il prodotto tra la tensione istantanea applicata al circuito RLC e la corrente istantanea circolante, ed estraendo tramite un filtro passa-basso il contenuto medio rappresentativo della potenza efficace in Watt ceduta alla pentola 13.

La misura di tale grandezza permette di calcolare tramite un opportuno software gestito dal microprocessore 17, le prestazioni della pentola 13 in termini di efficienza e consumo; in tale modo Ã ̈ possibile individuare un indice che consente di valutare l'efficienza di forma, dimensioni e materiali costitutivi di una pentola 13 rispetto ad un'altra, e di conoscere quindi se una pentola 13 sia maggiormente o meno adatta ad operare con un procedimento di riscaldamento per induzione a paritÃ di altri fattori, riuscendo quindi a confrontare il rapporto tra la potenza apparente impegnata dal converitore e la potenza attiva trasferita.

L'invenzione Ã ̈ stata descritta con riferimento ad una forma di realizzazione preferenziale della stessa.

E' chiaro che l'invenzione Ã ̈ suscettibile di numerose varianti che rientrano nei suoi scopi, nei limiti della protezione conferita dalle rivendicazioni allegate.

A titolo di esempio, come piÃ¹ sopra riportato, il circuito oscillatore VCO tramite il quale si effettua la scansione di frequenza puÃ² essere sia esterno al sistema che integrato nel microprocessore di governo del sistema stesso; altri tipi di inverter o convertitori di potenza rispetto a quelli sopra descritti possono essere utilizzati; le tensioni, correnti, frequenze e le conseguenti potenze elettriche utilizzate possono variare ampiamenti a seconda del tipo di applicazione prevista per il sistema, nel quale normalmente applicazioni di tipo industriale prevedono l'uso di tensione a 380-400V, mentre applicazioni di tipo domestico sono realizzate utilizzando una tensione di 220-230V.

Queste ed altre varianti sono possibili all'interno delle equivalenze elettriche.

Claims

Titolo: â€œPROCEDIMENTO DI RISCALDAMENTO AD INDUZIONE PER CUCINE AD USO INDUSTRIALE E DOMESTICO CON OTTIMIZZAZIONE DELLA POTENZA EROGATAâ€ RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di riscaldamento ad induzione per cucine ad uso industriale e/o domestico, in cui una bobina riscaldante (12) viene alimentata attraverso un elemento convertitore di potenza (10) collegato ad una presa di rete (11), il detto convertitore di potenza (10) essendo dotato di un'opportuna elettronica di comando (17) tramite la quale una corrente (Icoil) di un'intensitÃ predeterminata viene fatta scorrere nella detta bobina riscaldante (12) ad una tensione predeterminata (V) allorchÃ ̈ un contenitore (13) da riscaldare viene disposto in corrispondenza della detta bobina riscaldante (12), procedimento caratterizzato dal fatto che la detta elettronica di comando (17) governa un primo circuito (16) di misurazione della tensione applicata ai capi della detta bobina (12), ed un secondo circuito (15) di misurazione della corrente istantanea che percorre la detta bobina (12), dal fatto che la detta elettronica di comando (17) governa inoltre un circuito oscillante (VCO) tramite il quale, una volta posto un contenitore (13) da riscaldare avente forma, dimensioni e materiale costitutivo predeterminati, in corrispondenza della detta bobina (12), effettua una scansione successiva di frequenze tra due valori limite predeterminati allo scopo di individuare la frequenza di risonanza del sistema e di conseguenza il valore di frequenza al quale corrisponde un'erogazione di potenza ottimale per il suddetto contenitore (13), e dal fatto che una volta individuato il detto valore di frequenza, l'elettronica di comando (17) fissa definitivamente il valore effettivo di frequenza di lavoro per il riscaldamento del suddetto contenitore (13) in corrispondenza di un intorno del valore di frequenza di risonanza ottenuto dalla precedente scansione.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui il detto convertitore di potenza Ã ̈ costituito da un inverter di classe D comprendente una coppia di interruttori elettronici (14, 14'), caratterizzato dal fatto che l'elettronica di comando (17) fissa il valore effettivo di frequenza di lavoro in corrispondenza di una condizione di interruzione a tensione nulla (Zero-Voltage-Switching) in prossimitÃ della frequenza di risonanza del sistema relativa al suddetto contenitore (13).
3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il detto valore effettivo di frequenza di lavoro Ã ̈ fissato ad un valore attorno a 5% superiore rispetto alla frequenza di risonanza del sistema relativa al suddetto contenitore (13).
4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la detta elettronica di comando comprende un microprocessore (17).
5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il detto circuito oscillante (VCO) Ã ̈ esterno rispetto al detto microprocessore.
6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la scansione di frequenze per individuare la frequenza di risonanza viene effettuata tra circa 25 kHz e circa 17 kHz, ad un passo di circa 100 Hz.
7. Sistema di riscaldamento ad induzione per cucina industriale e/o ad uso domestico a media/bassa potenza, comprendente una bobina (12) riscaldante alimentata da un opportuno convertitore di potenza (10) dotato di una elettronica di comando (17) ed atto a riscaldare un contenitore (13) posto in corrispondenza della detta bobina (12), sistema caratterizzato dal fatto che comprende inoltre un circuito (16) di misurazione della tensione istantanea applicata ai capi della detta bobina (12), un circuito (15) di misurazione della corrente istantanea circolante nella detta bobina (12), mezzi (17) per calcolare la potenza istantanea erogata dalla bobina (12) al carico costituito dal detto contenitore (13), nonchÃ ̈ un circuito oscillante (VCO) tramite il quale, una volta posto un contenitore (13) da riscaldare avente forma, dimensioni e materiale costitutivo predeterminati, in corrispondenza della detta bobina (12), Ã ̈ possibile effettuare una scansione successiva di frequenze tra due valori limite predeterminati allo scopo di individuare la frequenza di risonanza del sistema e di conseguenza il valore di frequenza al quale corrisponde un'erogazione di potenza ottimale per il suddetto contenitore (13).
8. Sistema secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il detto convertitore di potenza Ã ̈ un inverter di classe D, comprendente una coppia di interruttori elettronici (14, 14') governati da un microprocessore (17) di comando del sistema.