WO2004103028A1 - Temperaturregelung für ein induktiv erwärmtes heizelement - Google Patents

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WO2004103028A1 PCT/EP2003/011961 EP0311961W WO2004103028A1 WO 2004103028 A1 WO2004103028 A1 WO 2004103028A1 EP 0311961 W EP0311961 W EP 0311961W WO 2004103028 A1 WO2004103028 A1 WO 2004103028A1
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heating element
temperature
control
value
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PCT/EP2003/011961
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José Miguel Burdio Pinilla
Pablo Jesús HERNANDEZ BLASCO
Sergio Llorente Gil
Fernando Monterde Aznar
José Ramón Garcia Jiménez
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BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
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    • H05B2213/07—Heating plates with temperature control means

Definitions

  • the present invention relates to a method for temperature control of a heating element, which is heated inductively by an inductor, to which electrical power is supplied via a control circuit and a corresponding control circuit, as well as an induction hob and an induction oven with such a control circuit.
  • the heating of a heating element by induction is known.
  • This principle is e.g. used in induction hobs, in which the heat of a cooking vessel is generated in the bottom of it by induction.
  • a method for measuring and regulating the temperature of an inductively heated cooking vessel in an induction cooking device is known.
  • This method measures a parameter of a circuit that supplies the inductor with electrical power.
  • Parameter is influenced by the heating of the cooking vessel, so that its value varies with a change in the temperature of the cooking vessel.
  • the temperature of the cooking vessel can be determined from the measured value of the parameter using a temperature characteristic of the parameter.
  • the invention has for its object to provide a method for temperature control of an inductively heated heating element, which works independently of the state of the heating element and for different heating elements.
  • This object is achieved by a method of the type mentioned at the outset in that the temperature control is activated at a first point in time, that depending on at least one electrical variable of the control circuit, which depends on the temperature of the heating element, a reference value or a at this first point in time Desired value is determined that, depending on the electrical quantity, a comparison value or an actual value and a deviation of this comparison value from the reference value is determined at least at a later point in time, and that power is supplied to the inductor depending on the deviation, so that the temperature of the heating element is regulated to a constant value corresponding to the reference value.
  • control circuit of the type mentioned in the introduction in that the control circuit comprises an operating element for activating the temperature control, in that the control circuit has at least one measuring device for determining at least one electrical variable of the control circuit, which depends on the temperature of the heating element, includes that the control circuit is designed to determine a reference value dependent on the electrical variable at an activation time of the temperature control and to determine a comparison value dependent on the electrical variable at least at a later point in time, that the control circuit is a comparison unit for determining a deviation of the comparison value from the Includes reference value, and that the control circuit comprises a control unit for controlling the power regulator depending on the deviation, for temperature control of the heating element to a reference value t corresponding constant value.
  • the reference value is determined at the time of activation of the temperature control depending on the electrical variable of the control circuit and this is compared with the comparison value which is determined at least at a later point in time depending on the electrical variable of the control circuit is ensured in a simple manner. that the temperature control to a temperature corresponding to the reference value is independent of the choice of the heating element. It is also advantageous that the temperature of the heating element can thus be regulated without knowledge of a specific temperature characteristic of the electrical quantity for the heating element. In this way, the temperature control is functional even if the heating element is positioned inaccurately to the inductor.
  • the temperature control can be activated by a user by actuating an operating element, which is in particular at least one switch or at least one touch sensor.
  • an operating element which is in particular at least one switch or at least one touch sensor.
  • This allows the user to determine the desired temperature of the heating element by activating the temperature control, for example in an induction cooking zone of an induction hob, when water in a cooking vessel starts to boil on this induction cooking zone or a food in the cooking vessel on one that is subjectively determined by the user Temperature should be kept.
  • the temperature of the heating element such as the cooking vessel, is maintained after activation of the temperature control, without having to determine the absolute temperature of the heating element with a sensor.
  • the electrical power is automatically regulated in order to keep the temperature of the heating element at the temperature corresponding to the reference value and manual readjustment of the electrical power by the user is also not necessary if, for example, cold food is still fed into the cooking vessel during a cooking process.
  • the comparison value of the electrical variable can advantageously be determined at predetermined, in particular periodic, time intervals. In this way the accuracy of the temperature control is increased, since changes in the temperature of the heating element by e.g. external influences are recorded at regular intervals and the electrical power supplied to the inductor is adjusted accordingly in order to keep the temperature constant.
  • the reference value and / or the comparison value are determined at a predetermined frequency of the electrical variable. This procedure has the advantage that frequency-dependent influences of the heating element or the determination of the reference value or the comparison value can be avoided, as a result of which the accuracy of the temperature control can be increased.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an induction hob with a control circuit for temperature regulation
  • 3c shows a schematic time course of an output voltage and an output current of the control circuit
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of an induction furnace with temperature control
  • the induction hob 1 shows an induction hob 1 with a control circuit 2 for regulating the temperature of a cooking vessel 3.
  • the induction hob 1 has a glass ceramic plate 4 with four induction cooking zones 5, at the position of which there is one inductor 6 each under the glass ceramic plate.
  • the cooking vessel 3 is heated by one of the inductors 6.
  • To operate the inductors 6 is on a front 7 Glass ceramic plate an operating unit 8 is arranged.
  • This control unit 8 comprises control elements 9 for activating and deactivating the temperature control.
  • control circuit 2 includes the inductor 6 for inductive
  • Control circuit 2 an operating element 9 for activating and deactivating the temperature control and a control unit 12, such as a microprocessor, for controlling the power regulator 10.
  • the control circuit 2 is supplied with an input voltage v t by a voltage source 13, which is an AC voltage.
  • the power regulator 10 usually comprises a converter (not shown) which converts the input voltage v into an input frequency of, for example, 50 Hz
  • a rotary selector of the control unit 8 e.g. a periodic arrival and departure
  • the temperature control is activated by the control element 9 by a control signal S ⁇ to the control unit 12.
  • the electrical variables v 0 , i 0 , P, I of the control circuit 2 detected by the measuring device 11 are fed to the control unit 12 and processed there to form a control signal for the power control S. Because of the control signal for the
  • Power control S P which is supplied to the power controller 10, regulates the electrical power P supplied to the inductor 6 and thus a thermal power W generated in the heating element 3.
  • FIG. 3a A detailed sketch of the control circuit 2 is shown in FIG. 3a.
  • the control circuit 2 is supplied with the input voltage v i via the voltage source 13. The height of this
  • Input voltage v t is generated using a voltage divider 14, which has two resistors Kl,
  • R2 comprises, reduced and by means of a rectifier 15 to a rectified. Input voltage v, converted.
  • the positions of voltage maxima V m in a time profile of the rectified input voltage v r are detected with a peak detector 16 and downstream of a high-voltage insulation 17, a value of the voltage maxima V m is recorded.
  • FIG. 3b shows the course of the input voltage v t and the course of the rectified input voltage v r over a time axis t.
  • the value of the voltage maxima V m is marked in the course of the rectified input voltage v r .
  • the electrical power P fed to the inductor 6 is regulated by the power regulator 10 with the aid of two high-frequency switches S1, S2, which can be power semiconductor components, for example.
  • An output voltage v 0 is present at the inductor and an output current i 0 flows .
  • These two electrical variables v 0 , i 0 are influenced by a change in resistance of the heating element 3, which depends on the heating element 3 and its temperature T.
  • the output current i 0 is detected with the aid of a current-voltage converter 18, at the resistor R3 of which a voltage vi is applied which is proportional to the output current i 0 . is.
  • FIG. 3c schematically shows the detected time profile of the output voltage v 0 and the output current i 0 .
  • a further, alternative measured variable, which depends on the temperature T of the heating element 3, is, for example, a phase shift ⁇ t between the output voltage v 0 and
  • Output current i 0 which can be determined, for example, on the basis of a zero crossing Nl of the output voltage v 0 and a zero crossing N2 of the output current i 0 .
  • Other electrical variables of the control circuit 2 can also be measured, which depend on the temperature T of the heating element 3, such as, for example, an average electrical power P, an average rectified current /, a maximum current I max or a frequency of the output voltage v 0 or Output current i 0 .
  • the average electrical power P can be determined from the product of output voltage v 0 and output current i 0 ? X ⁇ . i mein ⁇ dt ⁇ o where ⁇ indicates an averaging period.
  • the averaged rectified current / is according to
  • V ms denotes the root of the root mean square of the input voltage v ( .
  • Other functions F are also possible, for example the function F can also be an impedance of the heating element 3 and the inductor 6, which is based on a ratio of the mean power P to a square of the averaged current / is determined.
  • FIG. 4 shows a flow chart of the temperature control of the heating element 3.
  • the temperature control is carried out by a control signal
  • a reference value F R is determined almost simultaneously with the activation of the temperature control from the current value of the function F, which is dependent on at least one of the electrical variables, v 0 , i, P, / of the control circuit 2, which of the temperature T of the heating element 3 depends.
  • a comparison value F v from the function F and a deviation of this comparison value F v from the reference value F R are determined depending on the electrical variable v 0 , i 0 , P, I.
  • Method step TR supplies the inductor 6 with electrical power P as a function of the deviation, so that the temperature T of the heating element 3 is regulated to a constant value corresponding to the reference value F R.
  • a next method step DA it is checked whether there is a signal S ⁇ for deactivating the temperature control. If this is not the case N, the method step VW is continued. If there is a signal S ⁇ for deactivating the temperature control before Y, the temperature control is ended in the next method step TE and power control L of the electrical power P is carried out without temperature control with the power controller 10 in accordance with the power P selected by the control unit 8.
  • a time course of the temperature control is shown schematically in FIG.
  • the inductor 6 is activated with the heating element 3 and the inductor 6 is thus supplied with an electrical power Pl selected by the control unit 8, which is controlled by the power controller 10 and heats the heating element 3 to a temperature 71.
  • the user activates the temperature control by actuating the control element 9, which is, for example, a switch or a touch sensor.
  • the reference value F R and at later times t2 to t7, which are advantageously at periodic time intervals, the comparison value F v is determined.
  • the frequency of the output voltage v 0 or the output current i 0 is regulated to a predetermined value and the power control L of the power regulator 10 is interrupted. Since the averaging period t is typically of the order of 10 to 800 milliseconds, this period of time is negligibly small compared to the typical duration d of the power control L of 5 to 15 seconds. As soon as the temperature control is activated, the electrical power supplied to the inductor 6 is reduced from the power value Pl to a lower power value P2 in order to keep the temperature value T1 of the heating element 3 constant.
  • the heating element 3 is cooled by an external influence, for example by supplying cold liquid to a cooking vessel 3.
  • This cooling of the heating element 3 to a temperature value Tl is detected by the deviation of the comparison value F v from the reference value F R.
  • the temperature control then causes the electrical power supplied to the inductor 6 to be increased to a value P3 in order to heat the heating element 3 again to the temperature T1.
  • the electrical power P supplied to the inductor 6 can be gradually reduced to a value P4.
  • This power value P4 is now fed to the inductor 6 in order to keep the heating element 3 at the constant temperature value T1.
  • the temperature control remains active until it is deactivated, for example by the user actuating the control element 9.
  • Another possibility of deactivating the temperature control is, for example, removing the heating element 3 from the inductor 6, deactivating the inductor 6 by the user or another power specification for the inductor 6 via the control unit 8.
  • An induction furnace 19 is shown schematically in FIG. 6 as a further application example for the temperature control of the inductively heated heating element 3.
  • Induction furnace is located, the control element 9 for activating and deactivating the temperature control.
  • a loading opening 21 of the induction furnace 19 is through
  • the inductors 6 are located, for example, on the top wall 23 and on the bottom wall 24 of the induction furnace 19 and are covered by the heating elements 3.
  • the inductors 6 and the heating elements 3 can also be attached to the side walls 22. Alternatively, it can
  • Heating element 3 also a food support, such as being a baking sheet, or one of the side walls 22, the top wall 23 or the bottom wall 24. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • Control unit 9 Control element for activating / deactivating the temperature control
  • control unit microprocessor

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Induction Heating (AREA)
  • Control Of Temperature (AREA)
  • Control Of Resistance Heating (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Heizelementes (3), welches induktiv durch einen Induktor (6) beheizt wird, dem über eine Steuerschaltung (2) elektrische Leistung (P) zugeführt wird und eine dementsprechende Steuerschaltung (2), sowie ein Induktionskochfeld (1) und einen Induktionsofen (19) mit einer solchen Steuerschaltung (2). Die Temperaturregelung wird zu einem ersten Zeitpunkt (t1) aktiviert. Abhängig von mindestens einer elektrischen Größe (vo, io, P, I) der Steuerschaltung (2), die von der Temperatur (T) des Heizelementes (3) abhängt, wird zu diesem ersten Zeitpunkt (t1) ein Referenzwert (FR ) bestimmt. Abhängig von der elektrischen Größe ( vo, io, P, I) wird zu, zumindest einem späteren Zeitpunkt (t2_t7 ) ein Vergleichswert (FV ) und eine Abweichung dieses Vergleichswertes (FV) von dem Referenzwert (FR) bestimmt. Dem Induktor (6) wird abhängig von der Abweichung Leistung (P ) zugeführt, so dass die Temperatur (T ) des Heizelementes (3) auf einen dem Referenzwert (FR) entsprechenden konstanten Wert geregelt wird.

Description

Temperaturregelung für ein induktiv erwärmtes Heizelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Heizelementes, welches induktiv durch einen Induktor beheizt wird, dem über eine Steuerschaltung elektrische Leistung zugeführt wird und eine dementsprechende Steuerschaltung, sowie ein Induktionskochfeld und einen Induktionsofen mit einer solchen Steuerschaltung.
Das Erwärmen eines Heizelementes durch Induktion ist bekannt. Dabei führt eine Verlustleistung eines hochfrequenten Wechselfeldes, welches von einer Induktionsspule, dem sogenannten Induktor, durch magnetische Kopplung in einem Teil des Heizelementes erzeugt wird, zu der Erwärmung des Heizelementes. Dieses Prinzip wird z.B. bei Induktionskochfeldern verwendet, bei denen die Wärme eines Kochgefäßes in dessen Boden durch Induktion erzeugt wird.
Aus US 3 781 506 ist ein Verfahren zur Messung und Regelung der Temperatur eines induktiv erwärmten Kochgefäßes bei einem Induktionskochgerät bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Parameter eines Schaltkreises gemessen, der den Induktor mit elektrischer Leistung versorgt. Dieser. Parameter wird von der Erwärmung des Kochgefäßes beeinflusst, so dass sein Wert mit einer Temperaturänderung des Kochgefäßes variiert. Die Temperatur des Kochgefäßes kann aus dem gemessenen Wert des Parameters anhand einer Temperatur-Kennlinie des Parameters bestimmt werden.
Der Nachteil des in US 3 781 506 vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin, dass es nur für ein Kochgefäß funktioniert, für welches die Temperatur-Kennlinie des Parameters bekannt und für welches das Verfahren geeicht worden ist. D.h. für Kochgefäße, die in ihrem Erwärrnungsverhalten von der dem Verfahren zugrunde liegenden Kennlinie abweichen, ist das Verfahren sehr ungenau. Dies gilt auch für Kochgefäße, deren Erwärmungsverhalten sich im Laufe der Zeit durch Abnutzung ändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Temperaturregelung eines induktiv erwärmten Heizelementes zur Verfügung zu stellen, welches unabhängig von dem Zustand des Heizelementes und für unterschiedliche Heizelemente funktioniert. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Temperaturregelung zu einem ersten Zeitpunkt aktiviert wird, dass abhängig von mindestens einer elektrischen Größe der Steuerschaltung, die von der Temperatur des Heizelementes abhängt, zu diesem ersten Zeitpunkt ein Referenzwert bzw. ein Sollwert bestimmt wird, dass abhängig von der elektrischen Größe zu zumindest einem späteren Zeitpunkt ein Vergleichswert bzw. ein Istwert und eine Abweichung dieses Vergleichswertes von dem Referenzwert bestimmt wird, und dass dem Induktor abhängig von der Abweichung Leistung zugeführt wird, so dass die Temperatur des Heizelementes auf einen dem Referenzwert entsprechenden konstanten Wert geregelt wird.
Des weiteren wird die Aufgabe durch eine Steuerschältung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Steuerschaltung ein Bedienelement zur Aktivierung der Temperaturregelung umfasst, dass die Steuerschaltung zumindest eine Messeinrichtung zur Bestimmung von mindestens einer elektrischen Größe der Steuerschaltung, die von der Temperatur des Heizelementes abhängt, umfasst, dass die Steuerschaltung zur Bestimmung eines von der elektrischen Größe abhängigen Referenzwertes zu einem Aktivierungszeitpunkt der Temperaturregelung und zur Bestimmung eines von der elektrischen Größe abhängigen Vergleichswertes zu zumindest einem späteren Zeitpunkt ausgebildet ist, dass die Steuerschaltung eine Vergleichseinheit zur Bestimmung einer Abweichung des Vergleichswertes von dem Referenzwert umfasst, und dass die Steuerschaltung eine Steuereinheit zur Steuerung des Leistungsreglers abhängig von der Abweichung umfasst, zur Temperaturregelung des Heizelementes auf einen dem Referenzwert entsprechenden konstanten Wert.
Dadurch dass zum Aktivierungszeitpunkt der Temperaturregelung abhängig von der elektrischen Größe der Steuerschaltung der Referenzwert bestimmt und dieser mit dem Vergleichswert verglichen wird, der zu, zumindest einem späteren Zeitpunkt abhängig von der elektrischen Größe der Steuerschaltung bestimmt wird, ist auf einfache Art und Weise sicher gestellt, dass die Temperaturregelung auf eine dem Referenzwert entsprechende Temperatur von der Wahl des Heizelementes unabhängig ist. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass die Temperatur des Heizelementes somit ohne Kenntnis einer spezifischen Temperatur-Kennlinie der elektrischen Größe für das Heizelement geregelt werden kann. Auf diese Weise ist die Temperaturregelung selbst dann funktionsfähig, wenn das Heizelement ungenau zu dem Induktor positioniert ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Temperaturregelung von einem Benutzer durch Betätigung eines Bedienelementes aktiviert werden kann, welches insbesondere zumindest ein Schalter oder zumindest ein Berührungssensor ist. Dadurch kann der Benutzer die gewünschte Temperatur des Heizelementes bestimmen, in dem er z.B. bei einer Induktionskochzone eines Induktionskochfeldes die Temperaturregelung dann aktiviert, wenn Wasser in einem Kochgefäß auf dieser Induktionskochzone zu kochen beginnt oder ein Gargut in dem Kochgefäß auf einer, von dem Benutzer subjektiv bestimmten Temperatur gehalten werden soll. Die Temperatur des Heizelementes, wie z.B. des Kochgefäßes, wird nach Aktivierung der Temperaturregelung beibehalten, ohne mit einem Sensor die absolute Temperatur des Heizelementes bestimmen zu müssen. Die elektrischen Leistung wird automatisch geregelt, um die Temperatur des Heizelementes auf der dem Referenzwert entsprechenden Temperatur zu halten und ein manuelles Nachregeln der elektrischen Leistung durch den Benutzer, ist auch dann nicht notwendig, wenn z.B. während eines Kochprozesses noch kaltes Gargut dem Kochgefäß zugeführt wird.
Vorteilhafterweise kann der Vergleichswert der elektrischen Größe in vorgegebenen, insbesondere periodischen Zeitabständen bestimmt werden. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Temperaturregelung erhöht, da Änderungen der Temperatur des Heizelementes durch z.B. äußere Einflüsse in regelmäßigen Zeitabständen erfasst werden und die dem Induktor zugeführte elektrische Leistung entsprechend nachgeregelt wird, um die Temperatur konstant zu halten.
Um den Aufwand für die Temperaturregelung gering zu halten, ist in einer bevorzugten Ausführungsform die elektrische Größe aus welcher der Referenzwert und/oder der Vergleichswert bestimmt, insbesondere berechnet wird, die elektrische Leistung und/oder eine gemittelte Spannung und/oder ein gemittelter Strom, da diese elektrischen Größen der Steuerschaltung besonders einfach erfasst werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden der Referenzwert und/oder der Vergleichswert bei einer vorgegebenen Frequenz der elektrischen Größe bestimmt. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass frequenzabhängige Einflüsse des Heizelementes oder der Bestimmung des Referenzwertes bzw. des Vergleichswertes vermieden werden, wodurch die Genauigkeit der Temperaturregelung erhöht werden kann.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen
Fig.1 eine schematische Darstellung eines Induktionskochfeldes mit einer Steuerschaltung zur Temperaturregelung,
Fig.2 eine Systemskizze der Steuerschaltung,
Fig.3a eine Detailskizze der Steuerschaltung,
Fig.3b ein schematischer zeitlicher Verlauf einer Eingangsspannung der Steuerschaltung,
Fig.3c ein schematischer zeitlicher Verlauf einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstromes der Steuerschaltung,
Fig.4 ein Ablaufdiagramm der Temperaturregelung des Heizelementes,
Fig.5 schematisch einen zeitlichen Verlauf der Temperaturregelung,
Fig.6 eine schematische Darstellung eines Induktionsofens mit Temperaturregelung,
In Figur 1 ist ein Induktionskochfeld 1 mit einer Steuerschaltung 2 zur Temperaturregelung eines Kochgefäßes 3 gezeigt. Das Induktionskochfeld 1 weist eine Glaskeramikplatte 4 mit vier Induktionskochzonen 5 auf, an deren Position sich unter der Glaskeramikplatte je ein Induktor 6 befindet. Das Kochgefäß 3 wird durch einen der Induktoren 6 beheizt. Zur Bedienung der Induktoren 6 ist an einer Front 7 der Glaskeramikplatte eine Bedieneinheit 8 angeordnet. Diese Bedieneinheit 8 umfasst Bedienelemente 9 zur Aktivierung und Deaktivierung der Temperaturregelung.
Wie in Figur 2 gezeigt, umfasst die Steuerschaltung 2 den Induktor 6 zur induktiven
Erwärmung eines Heizelementes 3, wie beispielsweise des Kochgefäßes 3 in Figur 1 , einen Leistungsregler 10 zur Regelung einer dem Induktor 6 zugeführten elektrischen
Leistung P , eine Messeinrichtung 11 zur Messung elektrischer Größen v0 , i0 , P , I der
Steuerschaltung 2, ein Bedienelement 9 zur Aktivierung und Deaktivierung der Temperaturregelung und eine Steuereinheit 12, wie z.B. einen Mikroprozessor, zur Steuerung des Leistungsreglers 10. Die Steuerschaltung 2 wird von einer Spannungsquelle 13 mit einer Eingangsspannung vt versorgt, die eine Wechselspannung ist. Der Leistungsregler 10 umfasst üblicherweise einen Umrichter (nicht gezeigt), der die Eingangsspannung v, mit einer Eingangsfrequenz von beispielsweise 50 Hz in eine
Ausgangsspannung v0 umwandelt, die in einem höheren Frequenzbereich liegt, z.B. über
25 kHz. Zur Steuerung der Leistung, die z.B. über einen Drehwähler der Bedieneinheit 8 voreingestellt ist, sind verschiedene Prinzipien bekannt, z.B. ein periodisches An- und
Ausschalten der Ausgangsspannung v0 , eine Frequenzanpassung der
Ausgangsspannung v0 oder eine Steuerstromänderung. Die Temperaturregelung wird von dem Bedienelement 9 durch ein Steuersignal Sτ an die Steuereinheit 12 aktiviert. Die von der Messeinrichtung 11 erfassten elektrischen Größen v0 , i0 , P , I der Steuerschaltung 2 werden der Steuereinheit 12 zugeführt und dort zu einem Steuersignal für die Leistungssteuerung S verarbeitet. Aufgrund des Steuersignals für die
Leistungssteuerung SP , das dem Leistungsregler 10 zugeführt wird, wird die dem Induktor 6 zugeführte elektrische Leistung P geregelt und somit eine in dem Heizelement 3 erzeugte Wärmeleistung W .
In Figur 3a ist eine Detailskizze der Steuerschaltung 2 gezeigt. Die Steuerschaltung 2 wird über die Spannungsquelle 13 mit der Eingangsspannung vi versorgt. Die Höhe diese
Eingangsspannung vt wird mit Hilfe eines Spannungsteilers 14, der zwei Widerstände Kl ,
R2 umfasst, reduziert und mittels eines Gleichrichters 15 zu einer gleichgerichteten. Eingangspannung v, umgeformt. Die Positionen von Spannungsmaxima Vm in einem zeitlichen Verlauf der gleichgerichteten Eingangspannung vr werden mit einem Peakdetektor 16 detektiert und einer Hochspannungsisolation 17 nachgeordnet, wird ein Wert der Spannungsmaxima Vm erfasst. In Figur 3b ist der Verlauf der Eingangsspannung vt und der Verlauf der gleichgerichteten Eingangspannung vr über einer Zeitachse t gezeigt. Im Verlauf der gleichgerichteten Eingangspannung vr ist der Wert der Spannungsmaxima Vm gekennzeichnet.
Die dem Induktor 6 zugeführte elektrische Leistung P wird von dem Leistungsregler 10 mit Hilfe zweier Hochfrequenzschalter Sl , S2 geregelt, die beispielsweise Leistungs- Halbleiterbauelemente sein können. Am Induktor liegt eine Ausgangsspannung v0 an und es fließt ein Ausgangsstrom i0 . Diese beiden elektrischen Größen v0 , i0 werden durch eine Widerstandsänderung des Heizelementes 3 beeinflusst, die von dem Heizelemente 3 und seiner Temperatur T abhängt. Der Ausgangsstrom i0 wird mit Hilfe eines Strom- Spannungswandlers 18 erfasst, an dessen Widerstand R3 eine Spannung vi anliegt, die proportional dem Ausgangsstrom i0. ist. In Figur 3c ist schematisch der detektierte zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung v0 und des Ausgangsstromes i0 gezeigt. Eine weitere, alternative Messgröße, die von der Temperatur T des Heizelementes 3 abhängt, ist beispielsweise eine Phasenverschiebung Δt zwischen Ausgangsspannung v0 und
Ausgangsstrom i0 , die z.B. anhand eines Nulldurchganges Nl der Ausgangsspannung v0 und eines Νulldurchganges N2 des Ausgangsstromes i0 bestimmt werden kann. Es können auch andere elektrische Größen der Steuerschaltung 2 gemessen werden, die von der Temperatur T des Heizelementes 3 abhängen, wie beispielsweise eine gemittelte elektrische Leistung P , ein gemittelter gleichgerichteter Strom / , ein maximaler Strom I max oder eine Frequenz der Ausgangsspannung v0 oder des Ausgangsstromes i0 .
"Aus dem Produkt von Ausgangsspannung v0 und Ausgangsstfom i0 kann die gemittelte elektrische Leistung P bestimmt werden ?xχ. i„ ■ dt τ o wobei τ einen Mittelungszeitraum angibt. Der gemittelter gleichgerichteter Strom / wird gemäß
1 τ I - — \abs(i0) - dt τ o bestimmt, wobei abs(i0) einen Absolutbetrag des Ausgangsstromes i0 bezeichnet. Eine Alternative ist die Bestimmung der Wurzel des quadratischen Mittelwertes 7 rms des Ausgangsstroms i0 . Die gemittelte elektrische Leistung P und der gemittelte gleichgerichtete Strom / werden durch die Messeinrichtung 11 erfasst und der Steuereinheit 12 zugeführt. In der Steuereinheit 12 wird aus der gemittelten elektrischen Leistung P und dem gemittelten gleichgerichteten Strom / ein Wert einer Funktion F wie folgt berechnet
B v r2ms 1 γ rms wobei kp und kx Konstanten sind, die experimentell bestimmt werden, um eine maximale Variation des Funktionswertes F mit der Temperatur T des Heizelementes 3 zu erzielen. Vms bezeichnet die Wurzel des quadratischen Mittelwertes der Eingangsspannung v( . Es sind auch andere Funktionen F möglich, beispielsweise kann die Funktion F auch eine Impedanz von dem Heizelement 3 und dem Induktor 6 sein, die aus einem Verhältnis von gemittelter Leistung P zu einem Quadrat des gemittelten Stromes / bestimmt wird.
In Figur 4 ist ein Ablaufdiagramm der Temperaturregelung des Heizelementes 3 gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt TA wird die Temperaturregelung durch ein Steuersignal
ST aktiviert. Damit wird eine normale Leistungssteuerung, der über die Bedieneinheit 8 gewählten Leistung P verlassen und zur Leistungssteuerung mittels Temperaturregelung übergegangen. Dazu wird in einem zweiten Verfahrensschritt RW nahezu gleichzeitig zur Aktivierung der Temperaturregelung ein Referenzwert FR aus dem aktuellen Wert der Funktion F bestimmt, der abhängig von mindestens einer der elektrischen Größen , v0 , i , P , / der Steuerschaltung 2 ist, die von der Temperatur T des Heizelementes 3 abhängt. In einem nächsten Verfahrensschritt VW wird abhängig von der elektrischen Größe v0 , i0 , P , I ein Vergleichswert Fv aus der Funktion F und eine Abweichung dieses Vergleichswertes Fv von dem Referenzwert FR bestimmt. In dem nächsten
Verfahrensschritt TR wird dem Induktor 6 abhängig von der Abweichung elektrische Leistung P zugeführt, so dass die Temperatur T des Heizelementes 3 auf einen dem Referenzwert FR entsprechenden konstanten Wert geregelt wird. In einem nächsten Verfahrensschritt DA wird geprüft, ob ein Signal Sτ für eine Deaktivierung der Temperaturregelung vorliegt. Ist dies nicht der Fall N so wird mit dem Verfahrensschritt VW fortgefahren. Liegt ein Signal Sτ zur Deaktivierung der Temperaturregelung vor Y, so wird die Temperaturregelung in dem nächsten Verfahrensschritt TE beendet und eine Leistungssteuerung L der elektrischen Leistung P wird ohne Temperaturregelung mit dem Leistungsregler 10 entsprechend der mittels der Bedieneinheit 8 gewählten Leistung P durchgeführt.
In Figur 5 ist schematisch ein zeitlicher Verlauf der Temperaturregelung gezeigt. Zu einem Zeitpunkt t0 wird der Induktor 6 mit dem Heizelement 3 aktiviert und dem Induktor 6 somit eine mittels der Bedieneinheit 8 gewählte elektrische Leistung Pl zugeführt, die über den Leistungsregler 10 gesteuert wird und das Heizelement 3 auf eine Temperatur 71 aufheizt. Zu einem Zeitpunkt tl wird von einem Benutzer durch Betätigung des Bedienelements 9, welches beispielsweise ein Schalter oder ein Berührungssensor ist, die Temperaturregelung aktiviert. Zu diesem ersten Zeitpunkt tl wird der Referenzwert FR und zu späteren Zeitpunkten t2 bis t7 , die vorteilhaft in periodischen Zeitabständen liegen, jeweils der Vergleichswert Fv bestimmt. Während des Mittelungszeitraumes r , den die Messeinrichtung 11 zur Messung M der elektrischen Größen v0 , i0 , P , I benötigt, wird die Frequenz der Ausgangsspannung v0 bzw. des Ausgangsstromes i0 auf einen vorgegebenen Wert geregelt und die Leistungssteuerung L des Leistungsreglers 10 wird solange unterbrochen. Da der Mittelungszeitraum t typischerweise in der Größenordnung von 10 bis 800 Millisekunden liegt, ist dieser Zeitraum im Vergleich zur typischen Dauer d der Leistungssteuerung L von 5 bis 15 Sekunden vernachlässigbar gering. Sobald die Temperaturregelung aktiviert ist, wird die dem Induktor 6 zugeführte elektrische Leistung von dem Leistungswert Pl auf einen geringeren Leistungswert P2 reduziert, um den Temperaturwert Tl des Heizelementes 3 konstant zu halten. Zu einem Zeitpunkt t4 wird das Heizelement 3 durch einen äußeren Einfluss abgekühlt, beispielsweise indem einem Kochgefäß 3 kalte Flüssigkeit zugeführt wird. Diese Abkühlung des Heizelementes 3 auf einen Temperaturwert Tl wird durch die Abweichung des Vergleichswertes Fv von dem Referenzwert FR erfasst. Daraufhin bewirkt die Temperaturregelung eine Erhöhung der dem Induktor 6 zugeführten elektrischen Leistung auf einen Wert P3 , um das Heizelement 3 wieder auf die Temperatur Tl aufzuheizen. Bis die Temperatur 71 wieder erreicht ist, kann die dem Induktor 6 zugeführte elektrische Leistung P schrittweise bis zu einem Wert P4 reduziert werden. Dieser Leistungswert P4 wird nun dem Induktor 6 zugeführt, um das Heizelement 3 auf dem konstanten Temperaturwert Tl zu halten. Die Temperaturregelung bleibt solange aktiv, bis sie beispielsweise durch Betätigen des Bedienelementes 9 durch den Benutzer deaktiviert wird. Eine andere Möglichkeit der Deaktivierung der Temperaturregelung ist beispielsweise das Entfernen des Heizelementes 3 von dem Induktor 6, eine Deaktivierung des Induktors 6 durch den Benutzer oder eine andere Leistungsvorgabe für den Induktor 6 über die Bedieneinheit 8.
Als ein weiteres Anwendungsbeispiel für die Temperaturregelung des induktiv beheizten Heizelementes 3 ist in Figur 6 schematisch ein Induktionsofen 19 dargestellt. Die
Bedieneinheit 8 des Induktionsofens 19, die sich an einer Frontseite 20 des
Induktionsofens befindet, umfasst das Bedienelement 9 zur Aktivierung und Deaktivierung der Temperaturregelung. Eine Beschickungsöffnung 21 des Induktionsofens 19 ist durch
Seitenwände 22, eine Deckenwand 23 und eine Bodenwand 24, sowie eine Rückwand 26 und eine Tür (in der Figur 6 nicht gezeigt) begrenzt. Die Induktoren 6 befinden sich beispielsweise an der Deckenwand 23 und an der Bodenwand 24 des Induktionsofens 19 und sind durch die Heizelemente 3 abgedeckt. Die Induktoren 6 und die Heizelemente 3 können ebenso an den Seitenwänden 22 angebracht sein. Alternativ kann das
Heizelement 3 auch ein Gargutträgerrwie -beispielsweise ein-Backblech-sein,-oder-eine der Seitenwände 22, die Deckenwand 23 oder die Bodenwand 24. Bezugszeichenliste
1 Induktionskochfeld
2 Steuerschaltung
3 Heizelement, Kochgefäß, Gargutträger 4 Glaskeramikplatte
5 Induktionskochzonen
6 Induktor
7 Front der Glaskeramikplatte
8 Bedieneinheit 9 Bedienelement zur Aktivierung/Deaktivierung der Temperaturregelung
10 Leistungsregler
11 Messeinrichtung
12 Steuereinheit, Mikroprozessor
13 Spannungsversorgung 14 Spannungsteiler
15 Gleichrichter
16 Peakdetektor
17 Hochspannungsisolation
18 Strom-Spannungswandler 19 Induktionsofen
20 Frontseite des Induktionsofens
21 Beschickungsöffnung des Induktionsofens
22 Seitenwand des Induktionsofens
23 Deckenwand des Induktionsofens 24 Bodenwand des Induktionsofens
25 Rückwand des Induktionsofens
d Dauer der Leistungskontrolle
FR Referenzwert Fv Vergleichswert i0 Ausgangsstrom der Steuerschaltung I gemittelter Strom I max Maximalwert des Stroms
L Leistungskontrolle mit dem Leistungsregler
M Messμng der elektrischen Größen
NX Nulldurchgang der Ausgangsspannung
N2 Νulldurchgang des Ausgangsstromes P elektrische Leistung
Rl Widerstand des Spannungsteilers
R2 Widerstand des Spannungsteilers
R2> Widerstand des Strom-Spannungswandlers
Sτ Steuersignal zur Aktivierung/Deaktivierung der Temperaturregelung Sp Steuersignal zur Leistungsregelung
51 Hochfrequenzschalter
52 Hochfrequenzschalter t Zeitachse
Δt Phasenverschiebung zwischen Ausgangsspannung und Ausgangsstrom T Mittelungszeitraum für die Temperaturregelung
T Temperatur des Heizelementes vt Eingangsspannung der Steuerschaltung vr gleichgerichtete Eingangsspannung v0 Ausgangsspannung der Steuerschaltung vi Spannung proportional dem Ausgangsstrom
Vm Maximalwert der gleichgerichteten Eingangsspannung
W Wärmeleistung
AT Aktivierung der Temperaturregelung RW Bestimmung des Referenzwertes
VW Bestimmung des Vergleichswertes und seine Abweichung von dem Referenzwert
TR Leistungsregelung entsprechend der Temperaturregelung
DA Abfrage, ob Temperaturregelung deaktiviert ist
TE Ende der Temperaturregelung Ν Signal zur Deaktivierung der Temperaturregelung liegt nicht vor Y Signal zur Deaktivierung der Temperaturregelung liegt vor

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Temperaturregelung eines Heizelementes (3), welches induktiv durch einen Induktor (6) beheizt wird, dem über eine Steuerschaltung (2) elektrische Leistung (P ) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregelung zu einem ersten Zeitpunkt (tl) aktiviert wird (AT), dass abhängig von mindestens einer elektrischen Größe (v0 , i0 , P , / ) der Steuerschaltung (2), die von der Temperatur ( T) des Heizelementes (3) abhängt, zu diesem ersten Zeitpunkt (tl) ein Referenzwert (FR ) bestimmt wird (RW), dass abhängig von der elektrischen Größe (v0 , i0 , , I ) zu zumindest einem späteren Zeitpunkt (t2 -tl) ein Vergleichswert (Fv) und eine Abweichung dieses
Vergleichswertes (Fv) von dem Referenzwert (FR) bestimmt wird (VW), und dass dem Induktor (6) abhängig von der Abweichung Leistung (P ) zugeführt wird, so dass die Temperatur (T) des Heizelementes (3) auf einen dem Referenzwert (FR ) entsprechenden konstanten Wert geregelt wird (TR).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregelung von einem Benutzer durch Betätigung eines Bedienelementes (9) aktiviert wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichswert (Fv ) der elektrischen Größe (v0 , i0 , P , / ) in vorgegebenen
Zeitabständen (t2 -tl ) bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Zeitabstände (t2 - t7 ) periodisch sind.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Größe die elektrische Leistung (P ) und/oder eine gemittelte Spannung und/oder ein gemittelter Strom (/ ) ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (FR ) und/oder der Vergleichswert (Fv ) eine Impedanz von dem Heizelement (3) und dem Induktor (6) ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (FR ) und/oder der Vergleichswert (Fv) aus der elektrischen Größe
(v0 , i0 , P , I ) berechnet werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregelung von dem Benutzer durch Betätigung des Bedienelementes (9) deaktiviert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregelung von dem Benutzer durch Entfernen des Heizelementes (3) deaktiviert wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (FR ) und/oder der Vergleichswert (Fr ) bei einer vorgegebenen
Frequenz der elektrischen Größe (v0 , i0 ) bestimmt werden.
11. Steuerschaltung zur induktiven Erwärmung eines Heizelementes (3) durch einen Induktor (6), mit einem Leistungsregler (10) zur Regelung einer dem Induktor (6) zugeführten elektrischen Leistung (P ) und mit einer Temperaturregelung für das Heizelement (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (2) ein Bedienelement (9) zur Aktivierung der Temperaturregelung umfasst, dass die Steuerschaltung (2) zumindest eine Messeinrichtung (11) zur Bestimmung von mindestens einer elektrischen Größe (v0 , i0 , P , / ) der Steuerschaltung (2), die von der Temperatur (T) des Heizelementes (3) abhängt, umfasst, dass die Steuerschaltung (2) zur Bestimmung eines von der elektrischen Größe ( v0 , i0 , P , I ) abhängigen Referenzwertes ( FR ) zu einem Aktivierungszeitpunkt ( tl ) der Temperaturregelung und zur Bestimmung eines von der elektrischen Größe (v0 , i0 , P , / ) abhängigen Vergleichswertes (Fv ) zu zumindest einem späteren
Zeitpunkt (t2 -tl ) ausgebildet ist, dass die Steuerschaltung (2) eine Vergleichseinheit (12) zur Bestimmung einer Abweichung des Vergleichswertes (Fv ) von dem Referenzwert (FR ) umfasst, und dass die Steuerschaltung (2) eine Steuereinheit (12) zur Steuerung des Leistungsreglers (10) abhängig von der Abweichung umfasst, zur Temperaturregelung des Heizelementes (3) auf einen dem Referenzwert (FR ) entsprechenden konstanten
Wert.
12. Steuerschaltung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Bedienelement zur Aktivierung der Temperaturregelung zumindest ein Schalter (9) oder zumindest ein Berührungssensor (9) ist.
13. Steuerschaltung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Messeinrichtung (11) zur Bestimmung von der mindestens einen elektrischen Größe (v0 , i0 , P , / ) der Steuerschaltung (2) eine Spannungsmesseinrichtung und/oder eine Strommesseinrichtung (18) umfasst.
14. Steuerschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Messeinrichtung (11) zumindest einen Strom-Spannungswandler (18) umfasst.
15. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (2) einen Mikroprozessor (12) umfasst.
16. Induktionskochfeld mit einer Steuerschaltung (2) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15.
17. Induktionsofen mit einer Steuerschaltung (2) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15.
18. Induktionsofen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) eine Wand (23, 24) des Induktionsofens ist.
19. Induktionsofen nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) ein Gargutträger ist.
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