DE19714701B4

DE19714701B4 - Regulated inductive heating system

Info

Publication number: DE19714701B4
Application number: DE1997114701
Authority: DE
Inventors: Ingo Irion
Original assignee: INNOVAT GESELLSCHAFT fur SONDERMASCHINENBAU MES- und STEUERUNGSTECHNIK MBH; INNOVAT GES fur SONDERMASCHB MES und STEUERUNGSTECHNIK MBH; Innovat Gesellschaft fur Sondermaschinenbau Mess- und Steuerungstechnik Mbh
Current assignee: INNOVAT GESELLSCHAFT fur SONDERMASCHINENBAU MES- und STEUERUNGSTECHNIK MBH; INNOVAT GES fur SONDERMASCHB MES und STEUERUNGSTECHNIK MBH; Innovat Gesellschaft fur Sondermaschinenbau Mess- und Steuerungstechnik Mbh
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2017-04-10
Also published as: DE19714701A1

Abstract

Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise leitfähigen Gegenständen, insbesondere von Gefäßen (18, 18') für Speisen, mit wenigstens einer von Wechselstrom durchflossenen Induktionsspule (16, 16') zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, an das der zu erwärmende Gegenstand derart ankoppelbar ist, dass in diesem ein Wirbelstrom und/oder – bei ferromagnetischen Gegenständen – Ummagnetisierungswärme erzeugt wird, und mit einer den Wechselstrom in der Induktionsspule regelnden Schaltungsanordnung umfassend eine Gleichrichtereinrichtung (12) zum Gleichrichten der Netzversorgungsspannung (14), Halbleiterschalter (T1, T2) zum Zerhacken der gleichgerichteten Versorgungsspannung mit einer vorgebbaren Taktfrequenz, elektronische Bauelemente (C1, C2), die zusammen mit der Induktionsspule (16, 16') einen Schwingkreis bilden, sowie eine Regeleinrichtung zur Erzeugung der Taktfrequenz, wobei die Regeleinrichtung einen Mikrocontroller (20) aufweist, der in Abhängigkeit von Betriebsparametern frequenzvariable Steuersignale für die Halbleiterschalter liefert, sowie einer Leistungsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der von der Induktionsspule (16, 16') aufgenommenen Leistung, dadurch gekennzeichnet, dass die als Mikrocontroller (20) ausgebildete Regeleinrichtung einen programmierbaren Speicher aufweist, in...Device for inductively heating at least partially conductive objects, in particular vessels (18, 18 ') for food, with at least one induction coil (16, 16') through which alternating current flows to produce an alternating electromagnetic field to which the object to be heated can be coupled in such a way in that an eddy current and / or - in the case of ferromagnetic objects - heat recovery is generated, and with an alternating current in the induction coil regulating circuitry comprising rectifier means (12) for rectifying the mains supply voltage (14), semiconductor switches (T1, T2) for chopping the rectified supply voltage with a predetermined clock frequency, electronic components (C1, C2), which together with the induction coil (16, 16 ') form a resonant circuit, and a control device for generating the clock frequency, wherein the control device has a microcontroller (20), the in A Depending on operating parameters frequency-variable control signals for the semiconductor switches supplies, as well as a power determination device for determining the power absorbed by the induction coil (16, 16 '), characterized in that the microcontroller (20) formed control device has a programmable memory, in ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise leitfähigen Gegenständen, insbesondere von Gefäßen für Speisen, mit wenigstens einer von Wechselstrom durchflossenen Induktionsspule zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, an das der zu erwärmende Gegenstand derart ankoppelbar ist, dass in diesem ein Wirbelstrom und/oder – bei ferromagnetischen Gegenständen – Ummagnetisierungswärme erzeugt wird, und mit einer den Wechselstrom in der Induktionsspule regelnden Schaltungsanordnung umfassend eine Gleichrichtereinrichtung zum Gleichrichten der Netzversorgungsspannung, Halbleiterschalter zum Zerhacken der gleichgerichteten Versorgungsspannung mit einer vorgebbaren Taktfrequenz, elektronische Bauelemente, die zusammen mit der Induktionsspule einen Schwingkreis bilden, sowie eine Regeleinrichtung zur Erzeugung der Taktfrequenz, wobei die Regeleinrichtung einen Mikrocontroller aufweist, der in Abhängigkeit von Betriebsparametern frequenzvariable Steuersignale für die Halbleiterschalter liefert, sowie einer Leistungsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der von der Induktionsspule aufgenommenen Leistung. Die Erfindung betrifft werter ein Verfahren zum induktiven Erwärmen von Speisen.The The invention relates to a device for inductive heating of at least partially conductive objects, in particular of vessels for food, with at least one induction coil through which an alternating current flows for generating an electromagnetic alternating field to which the to be heated Object can be coupled such that in this an eddy current and / or - at ferromagnetic objects - generates Ummagnetisierungswärme is, and with a regulating the alternating current in the induction coil Circuit arrangement comprising a rectifier device for Rectifying the mains supply voltage, semiconductor switches for Chopping the rectified supply voltage with a predetermined Clock frequency, electronic components, together with the induction coil form a resonant circuit, and a control device for generating the clock frequency, wherein the control device is a microcontroller which, depending on of operating parameters frequency-variable control signals for the semiconductor switches supplies, as well as a power determination device for determination the power consumed by the induction coil. The invention relates to a method for inductively heating food.

Bei der Zubereitung und Verteilung von Speisen in Krankenhäusern, Altenheimen und ähnlichen Einrichtungen ist ein Abkühlen der Speisen auf dem Transportweg zu vermeiden. Zu diesem Zweck werden häufig Speisetablett-Transportwagen verwendet, die ein induktives Erwärmungssystem zum Aufwärmen und Warmhalten der Speisen beinhalten. Insbesondere werden hierbei vorbereitete Speiseportionen regeneriert, d. h. von einer Kühltemperatur im Bereich von 2 bis 10°C auf eine Kerntemperatur von etwa 70°C aufgeheizt. Diese Kerntemperatur darf vorschriftsgemäß aus hygienischen Gründen nicht unterschritten werden, andererseits ist aber auch eine übermäßige Erhitzung der Speisen über einen längeren Zeitraum zu vermeiden, da dies die Qualität der Speisen beeinträchtigen würde.at the preparation and distribution of food in hospitals, nursing homes and similar Facilities is a cooling to avoid the food on the way. For this purpose will be commonly used food tray dolly, the an inductive heating system to warm up and keeping the food warm. In particular, this will be prepared food portions regenerated, d. H. from a cooling temperature in the range of 2 to 10 ° C heated to a core temperature of about 70 ° C. This core temperature may be hygienic according to the regulations establish On the other hand, however, is also an excessive heating the food over a longer one Period to avoid, as this affects the quality of the food would.

Ein Induktions-Erwärmungssystem besteht im Wesentlichen aus einer gleichgerichteten Spannungsquelle, einer Halbleiterschalteranordnung zur Erzeugung eines Wechselstroms und einem Reihenschwingkreis mit einer Induktionsspule und mindestens einer Kapazität. Der Reihenschwingkreis weist eine Resonanzkennlinie

die ausgehend von niedrigen Frequenzen von einem abfallenden Zweig (kapazitiver Bereich) über ein Minimum (Resonanz) in einen ansteigenden Zweig (induktiver Bereich) übergeht. Üblicherweise werden induktive Erwärmungsgeräte in einem Arbeitspunkt auf dem induktiven Zweig der Resonanzkennlinie betrieben. Der Verlauf der Kennlinie ist dabei zunächst von den elektrischen Parametern des Schwingkreises, d. h. der Induktivität L der Spule, der Kapazität C des Kondensators sowie dem ohmschen Widerstand R abhängig. Bei gegebener Induktionsspule kommt zusätzlich ein Einfluss durch die Bedeckung der Induktionsspule durch das zu erwärmende Gefäß hinzu. Die Größen, die hierbei eine Rolle spielen, sind die Fläche des durch die Induktionsspule erzeugten Feldes, die tatsächlich von dem zu erwärmenden Gefäß abgedeckt wird, die Schichtdicke des leitenden Teils des zu erwärmenden Gefäßes, der Abstand des leitenden Bereiches des zu erwärmenden Gefäßes von der Induktionsspule, die magnetischen Materialeigenschaften des Gefäßes (diamagnetisch, paramagnetisch oder ferromagnetisch) sowie die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit des Gefäßes. Diese Größen können zu einer Verstimmung des Schwingkreises führen, die auf geeignete Weise kompensiert werden muss.An induction heating system essentially consists of a rectified voltage source, a semiconductor switch arrangement for generating an alternating current and a series resonant circuit having an induction coil and at least one capacitance. The series resonant circuit has a resonance characteristic

which transitions from a falling branch (capacitive area) over a minimum (resonance) to a rising branch (inductive area) starting from low frequencies. Usually inductive heating devices are operated at an operating point on the inductive branch of the resonance characteristic. The course of the characteristic is initially dependent on the electrical parameters of the resonant circuit, ie the inductance L of the coil, the capacitance C of the capacitor and the ohmic resistance R. For a given induction coil, an additional influence is added by the covering of the induction coil by the vessel to be heated. The variables involved here are the area of the field generated by the induction coil, which is actually covered by the vessel to be heated, the layer thickness of the conductive part of the vessel to be heated, the distance of the conductive region of the vessel to be heated from the Induction coil, the magnetic material properties of the vessel (diamagnetic, paramagnetic or ferromagnetic) and the temperature dependence of the conductivity of the vessel. These variables can lead to a detuning of the resonant circuit, which must be compensated in a suitable manner.

Um diese Einflussgrößen zu eliminieren, ist es bekannt, die Stromstärke in der Induktionsspule mittels einer Regeleinrichtung auf einen konstanten Wert zu regeln. Aus der DE 26 47 348 A1 und der DE 27 59 701 C2 ist dabei bekannt, die in die Induktionsspule eingebrachte Leistung durch eine Steuerung der Frequenz zu regeln. Der Vorteil der Konstanthaltung des Induktionsspulenstroms besteht darin, dass hierdurch Einflüsse einer Schwankung der Netzversorgungsspannung vermieden werden. Es ergeben sich hieraus jedoch auch eine Reihe von Nachteilen. Zum einen wird bei dieser Art der Regelung nicht erkannt, in welchem Maß das Induktionsspulenfeld tatsächlich abgedeckt ist. Dies führt vor allem bei der Verwendung von mehreren Induktionsspulen dazu, dass sich bei einer nur teilweisen Abdeckung ein erhöhter Leistungseintrag pro Fläche ergibt. Weiterhin wird mit dieser Methode nicht erkannt, ob unterschiedliche Abstände der leitenden Bereiche der zu erwärmenden Gefäße zu dem Induktionsspulenfeld oder unterschiedliche thermische Eigenschaften der zu erwärmenden Gefäße bestehen, so dass der Leistungseintrag bei gegebener Spulenstromstärke unterschiedlich sein kann und sich daher in gleicher Zeit unterschiedliche Erwärmungstemperaturen ergeben können. In der Praxis kommt es jedoch häufig vor, dass nacheinander unterschiedliche Speisen in unterschiedlichen Gefäßen erwärmt werden müssen. Wenn dann jeweils ein bestimmter konstanter Spulenstrom eingeregelt wird, ergeben sich unterschiedliche Aufheizcharakteristiken. Dieser Nachteil ist vor allem deshalb von Bedeutung, als beim Regenerieren von Speisen nicht nur eine bestimmte Kerntemperatur erreicht werden muss, sondern auch eine bestimmte Aufheizgeschwindigkeit eingehalten werden muss. Letzteres kann dann mit der bekannten Methode nicht gewährleistet werden.In order to eliminate these influencing variables, it is known to regulate the current intensity in the induction coil by means of a control device to a constant value. From the DE 26 47 348 A1 and the DE 27 59 701 C2 It is known to regulate the power introduced into the induction coil by controlling the frequency. The advantage of keeping the induction coil current constant is that influences of a fluctuation of the mains supply voltage are thereby avoided. However, this results in a number of disadvantages. On the one hand, this type of control does not recognize the extent to which the induction coil field is actually covered. Especially when using several induction coils, this results in an increased power input per area given only partial coverage. Furthermore, it is not recognized with this method whether there are different distances of the conductive regions of the vessels to be heated to the induction coil field or different thermal properties of the vessels to be heated, so that the power input can be different for a given coil current and thus result in different heating temperatures in the same time can. In practice, however, it often happens that successively different foods must be heated in different vessels. If in each case a certain constant coil current is adjusted, different heating characteristics result. This disadvantage is especially important because When regenerating food not only a certain core temperature must be achieved, but also a certain heating rate must be maintained. The latter can not be guaranteed with the known method.

Aus der DE 30 42 525 C2 ist eine Induktionserwärmungs-Kochvorrichtung bekannt, bei der während des Erwärmungsvorgangs zwischen einer zulässigen und einer unzulässigen Inverterlast unterschieden wird, wobei selbst bei sehr kleinen einstellbaren Leistungspegeln eine zuverlässige Ermittlung geringer Induktionsspulenlasten ermöglicht werden soll. Eine Bestimmung der Gefäßtemperatur zu Beginn eines Erwärmungsvorgangs ist bei dieser Vorrichtung nicht möglich. EP 0 619 692 A2 beschreibt eine Induktionsheizanordnung, bei der die Induktionsspule in Resonanz betrieben wird, wobei eine Steuerung der Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der sich mit der Temperatur des zu erhitzenden Gefäßes verändernden Resonanzfrequenz vorgenommen wird. GB 2 191 024 A beschreibt ein Kochgerät mit drei unterschiedlichen Speisemengen-Kapazitätsbereichen, die sich nahtlos aneinander anschließen. Die Erwärmung der Speisen erfolgt über eine Widerstandsheizung und es ist ein Temperatursensor für die Bestimmung der Speisentemperatur vorgesehen. DE 195 00 449 A1 beschreibt eine Kochmulde mit einer Induktionskochstelle sowie mehreren Strahlungskochstellen, wobei die Induktionskochstelle in mehrere Ringzonen unterteilt ist, die jeweils mit einer Topferkennung versehen sind und in Abhängigkeit von der Topfgröße einzeln angesteuert werden können. Die US-PS 5 324 906 beschreibt ein Induktionskochgerät, bei dem eine Steuerung der Heizleistung aufgrund akustischer Emissionen des Kochguts vorgenommen wird.From the DE 30 42 525 C2 For example, an induction heating cooker is known in which a distinction is made between allowable and invalid inverter loads during the heating process, whereby reliable detection of low inductor loads is to be enabled even at very small adjustable power levels. A determination of the vessel temperature at the beginning of a heating process is not possible with this device. EP 0 619 692 A2 describes an induction heating arrangement in which the induction coil is operated in resonance, wherein a control of the power consumption in dependence on the changing with the temperature of the vessel to be heated resonant frequency is made. GB 2 191 024 A describes a cooking appliance with three different food supply capacity areas that seamlessly connect to each other. The food is heated by means of a resistance heater and a temperature sensor is provided for determining the food temperature. DE 195 00 449 A1 describes a cooktop with an induction cooktop and several radiant hotplates, wherein the induction cooktop is divided into a plurality of annular zones, which are each provided with a pot detection and can be controlled individually depending on the pot size. The U.S. Patent 5,324,906 describes an induction cooking appliance, in which a control of the heating power is made due to acoustic emissions of the cooking product.

Ausgehend davon besteht die Aufgabe der Erfindung dann, ein induktives Erwärmungssystem bereitzustellen, bei dem allein über die gemessenen elektrischen Betriebsparameter eine Bestimmung der Anfangstemperatur und des Füllgrades des Gefäßes ermöglicht wird und in Abhängigkeit davon eine geregelte Erwärmung des Gefäßes durchgeführt wird.outgoing One of these is the object of the invention, an inductive heating system to provide in alone over the measured electrical operating parameters are a determination of Initial temperature and the degree of filling of the vessel is made possible and depending of which a controlled warming of the vessel is performed.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmalskombinationen der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These Tasks are characterized by the feature combinations of claims 1 and 12 solved. Advantageous embodiments and further developments of the invention result from the dependent ones Claims.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass die Berücksichtigung der momentanen elektrischen Betriebsgrößen wie Netzstrom und -spannung sowie Induktionsspulenstrom und -spannung bei dem Regelungsprozess unter Zuhilfenahme fest vorgegebener Grenzwerte für den maximal zulässigen Spulenstrom und die maximal zulässige Spulenspannung sowie eines vorgegebenen Leistungssollwertes eine Regelung ermöglicht, mittels derer eine jeweils optimale Leistungsabgabe an die zu erwärmenden Gefäße ermöglicht wird. Gemäß der Erfindung weist daher die als Mikrocontroller ausgebildete Regeleinrichtung einen programmierbaren Speicher auf, in dem Kennfelder und/oder Tabellen für die von der Induktionsspule aufgenommene Leistung als Maß für die Leistungsaufnahme unterschiedlicher zu erwärmender Gefäße speicherbar sind, wobei die Leistungsaufnahmewerte die Betriebsparameter sind und sich die Leistungsaufnahmewerte der Daten der Kennfelder und/oder Tabellen für unterschiedliche Gefäße so weit unterscheiden, dass ein Abstand zwischen den gefäßspezifischen Wertebereichen besteht, der größer ist als die Auflösung, mit der die Leistungsaufnahme durch die Leistungsbestimmungseinrichtung bestimmbar ist. Vorzugsweise werden als Halbleiterschalter IGBT- oder MOSFET-Transistoren mit einer Schaltleistung im Bereich von 30 W bis 10 kW verwendet. Derartige Transistoren lassen sich leistungsarm ansteuern und können daher direkt von dem Mikrocontroller mit geeigneten Steuersignalen beaufschlagt werden. Für die Bildung des Reihenschwingkreises werden neben der Induktionsspule bevorzugt Kondensatoren als elektronische Bauelemente eingesetzt. Eine möglichst hohe Güte der Induktionsspule ermöglicht eine hohe Empfindlichkeit bei der Bestimmung des Bedeckungsgrades.The Invention is based on the idea that consideration the current electrical operating variables such as grid current and voltage and induction coil current and voltage in the control process with the aid of fixed limit values for the maximum permissible Coil current and the maximum allowable Coil voltage and a predetermined power setpoint one Regulation allows by means of which each optimal power output to be heated Vessels is enabled. According to the invention therefore has the designed as a microcontroller control device a programmable memory in the maps and / or Tables for the power consumed by the induction coil as a measure of power consumption different to be heated Storable vessels where the power consumption values are the operating parameters and the power consumption values of the data of the maps and / or Tables for different vessels so far differ that a distance between the vascular specific value ranges which is bigger as the resolution, with the power consumption by the power determination device is determinable. Preferably, as semiconductor switches IGBT or MOSFET transistors having a switching power in the range of 30 W to 10 kW used. Such transistors can be low-power drive and can therefore directly from the microcontroller with appropriate control signals be charged. For the formation of the series resonant circuit are next to the induction coil preferably used capacitors as electronic components. One possible high quality allows the induction coil a high sensitivity in determining the degree of coverage.

Die Regeleinrichtung ist vorteilhafterweise über eine Schnittstelle mit einem externen, übergeordneten System, beispielsweise einem Computer oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) verbindbar. Die vorgebbaren Sollwerte können dann zur Anpassung der Regeleinrichtung an unterschiedliche Betriebsabläufe oder Gefäßarten auf einfache Weise verändert werden. Die Regeleinrichtung selbst kann dabei als P-Regler, PID-Regler, Regler mit endlicher Einstellzeit, adaptiver Regler oder Fuzzy-Logic-Regler ausgebildet sein.The Control device is advantageously via an interface with an external, higher-level system, for example, a computer or a programmable logic controller Control (PLC) connectable. The predefinable setpoints can then to adapt the control device to different operations or Types of vessels changed in a simple way become. The control device itself can be used as P controller, PID controller, Controller with finite response time, adaptive controller or fuzzy logic controller be educated.

Der Mikrocontroller der Regeleinrichtung weist zweckmäßig einen Frequenzgenerator auf, der eine veränderbar konstante Taktfrequenz zur Beaufschlagung der Halbleiterschalter erzeugt. Dabei werden die Taktfrequenzen dadurch geändert, dass kurzzeitig zwei Register des Mikrocontrollers beschrieben werden, die den Frequenzgenerator auf eine neue Frequenz einstellen. Mit dieser eingestellten Frequenz läuft der Frequenzgenerator dann bis zu einer erneuten Änderung der Frequenz weiter, ohne die Rechenkapazität des Mikrocontrollers ständig in Anspruch zu nehmen. Es bleibt dann genügend Rechenkapazität verfügbar, um zusätzliche Regelungsaufgaben zu übernehmen, insbesondere die fortlaufende Bewertung des Induktionsspulenstroms sowie die fortlaufende Bewertung der vom Netz aufgenommenen Leistung.The microcontroller of the control device expediently has a frequency generator which generates a changeable constant clock frequency for acting on the semiconductor switches. The clock frequencies are changed by briefly describing two registers of the microcontroller which set the frequency generator to a new frequency. With this set frequency of the frequency generator then continues until a new change in the frequency, without constantly taking the computing capacity of the microcontroller. There then remains sufficient computing capacity available to take on additional control tasks, in particular the continuous evaluation of the induction coil current performance and the ongoing evaluation of the power consumed by the grid.

Um eine hohe Leistung aus dem Schwingkreis herausziehen zu können, liegt der Arbeitspunkt des Schwingkreises zweckmäßig im induktiven Bereich der Schwingkreiskennlinie in der Nähe des Resonanzpunktes, da in diesem Bereich die Impedanz niedrig ist. Allerdings besteht bei der Wahl des Arbeitspunktes in der Nähe des Resonanzpunktes die Gefahr, dass es aufgrund von Überströmen oder Überspannungen zu einer ungewünscht hohen Belastung oder gar Beschädigung von Bauteilen kommt. Die Regelung muss daher umso exakter erfolgen, je näher man den Arbeitspunkt an den Resonanzpunkt annähert. Die Taktfrequenz der digitalen Regelung muss daher relativ hoch sein; sie sollte in der Größenordnung von 10 kHz bis 100 kHz, vorzugsweise 20 kHz bis 50 kHz, betragen. Zusätzlich weist der Mikrocontroller der Regeleinrichtung zweckmäßig ein speicherresidentes Programm auf, das ein Unterschreiten einer vorgegebenen unteren Grenzfrequenz in der Nähe des Resonanzpunktes verhindert.Around to be able to pull out a high power from the resonant circuit lies the operating point of the resonant circuit expedient in the inductive range of Oscillating circuit characteristic in the vicinity of the resonance point, since in this area the impedance is low. However, the choice of the operating point is close to the resonance point the danger that it due to overcurrents or surges to an undesirably high Load or even damage comes from components. The regulation must therefore be more precise, the nearer one approaches the working point to the resonance point. The clock frequency of the digital Regulation must therefore be relatively high; she should be of the order of magnitude from 10 kHz to 100 kHz, preferably 20 kHz to 50 kHz. additionally the microcontroller of the control device expediently memory resident program, which falls below a predetermined lower limit frequency in the vicinity of the resonance point prevented.

Wenn zur gleichzeitigen Erhitzung mehrerer Gefäße mehrere Induktionsspulen, die in Reihe oder parallel geschaltet sein können, vorgesehen sind, sollten im Bereich der Induktionsspulen Näherungssensoren vorgesehen sein, mit deren Ausgangssignalen die Regeleinrichtung zur Bestimmung des Bedeckungsgrades der Induktionsspulen beaufschlagbar ist. Anderenfalls kann es im Falle einer nicht vollständigen Bedeckung aller Induktionsspulen zu einer Überschneidung unterschiedlicher Kennfelder für verschiedene Gefäße kommen und damit eine Mehrdeutigkeit entstehen, die zu einer Fehlsteuerung des Induktionsspulenstromes führen könnte. Durch die Näherungssensoren wird dieser Freiheitsgrad eliminiert, so dass der jeweilige Bedeckungsgrad sicher festgestellt werden kann und die erforderlichen Sollwertvorgaben anhand der gespeicherten Kennlinien oder Tabellen richtig ermittelt werden können.If for simultaneous heating of several vessels several induction coils, which may be connected in series or in parallel, are intended provided in the field of induction coils proximity sensors be, with their output signals, the control device for determining the degree of coverage of the induction coils can be acted upon. Otherwise, It may be in the case of incomplete coverage of all induction coils to an overlap different maps for different vessels come and thus create an ambiguity that leads to a mismanagement could lead to the induction coil current. By the proximity sensors this degree of freedom is eliminated, so that the respective degree of coverage can be safely determined and the required setpoint specifications determined correctly based on the stored characteristic curves or tables can be.

Ein Verfahren zum induktiven Erwärmen von Speisen umfasst gemäß der Erfindung die folgenden Schritte:

a) in einer Anlaufphase: – Erfassen der von der Induktionsspule aufgenommenen Leistung als Maß für die Leistungsaufnahme des zu erwärmenden Gefäßes bei einer Taktfrequenz nahe der oberen Grenze (f_max) des Regelungsbereiches der Regeleinrichtung; – Vergleich der erfassten Leistungsaufnahme mit vorgegebenen, in den Kennfeldern oder Tabellen der Regeleinrichtung enthaltenen Werten zur Unterscheidung zwischen mehreren Gefäßarten, deren Leistungsaufnahmewerte die Daten der Kennfelder oder Tabellen darstellen, wobei sich die Leistungsaufnahmewerte der Daten der Kennfelder oder Tabellen für unterschiedliche Gefäße so weit unterscheiden, dass ein Abstand zwischen den gefäßspezifischen Wertebereichen besteht, der größer ist als die Auflösung, mit der die Leistungsaufnahme in dem Erfassungsschritt bestimmbar ist; – Bestimmung, ob mit der erfassten Leistungsaufnahme eine den Werten der Kennfelder oder Tabellen entsprechende, zulässige Belastung der Induktionsspule innerhalb der gefäßspezifischen Wertebereiche gegeben ist, anderenfalls Abbruch des Erwärmungsvorgangs; und bei zulässiger Belastung der Induktionsspule hieran anschließend
b) in einer Volllastphase: – Erwärmung des Gefäßes mit einer vorgegebenen, gefäßspezifischen Leistung.

A method of inductively heating food according to the invention comprises the following steps:

a) in a start-up phase: - Detecting the power absorbed by the induction coil as a measure of the power consumption of the vessel to be heated at a clock frequency near the upper limit (f _max ) of the control range of the control device; Comparison of the recorded power consumption with predetermined values contained in the control diagrams or tables for distinguishing between several types of vessels whose power consumption values represent the data of the maps or tables, the power consumption values of the data of the maps or tables differing for different vessels, that there is a distance between the vessel-specific value ranges which is greater than the resolution with which the power consumption can be determined in the detection step; - Determining whether the rated power consumption is within the permissible load of the induction coil within the vessel-specific value ranges that corresponds to the values of the maps or tables, otherwise the heating process is stopped; and at a permissible load of the induction coil thereafter
b) in a full load phase: - warming of the vessel with a given, vessel specific performance.

Nach dem Einschalten der Vorrichtung läuft in der Anlaufphase eine Programm-Routine mit Sicherheitsabfragen ab. Dabei wird festgestellt, ob und ggf. wie viele zu erwärmende Gefäße vorhanden sind. Weiterhin wird ermittelt, um was für eine Art Gefäße es sich handelt, ob beispielsweise Teller oder Schüsseln zu erwärmen sind. Schließlich wird ermittelt, ob die Gefäße noch kalt sind, d. h. noch zu erwärmen sind, oder ob sie sich bereits auf einer hohen Temperatur befinden, d. h. zuvor bereits erhitzt worden sind, wobei dann eine erneute, die Gefäße oder Speisen schädigende Erwärmung durch einen Programmabbruch verhindert werden kann. Ist die Aufnahmeleistung der Induktionsspule ermittelt worden und liegt sie im zulässigen Bereich, so werden in einem nächsten Schritt den in dem Mikrocontroller gespeicherten Wertetabellen oder Kennfeldern die für das entsprechende Gefäß zu verwendenden Leistungswerte als Sollwertvorgaben entnommen und dem weiteren Regelungsprozess zugrunde gelegt. Die Belastung der Induktionsspule wird in regelmäßigen, kurzen Zeitabständen bestimmt und der Erwärmungsvorgang abgebrochen, wenn der zulässige Wertebereich verlassen wird. Das zu erwärmende Gefäß kann nun mit einer vorgegebenen, gefäßspezifischen Leistung beaufschlagt werden, bis die gewünschte Endtemperatur erreicht ist (Volllastphase).To switching on the device runs in the start-up phase Program routine starting with security queries. It is determined if and if so how many to be heated Vessels available are. Furthermore, it is determined what kind of vessels it is is whether, for example, plates or bowls are to be heated. After all it is determined whether the vessels are still are cold, d. H. still to warm are or are they already at a high temperature, d. H. have already been heated, and then another, the vessels or Food injurious warming can be prevented by a program abort. Is the recording power the induction coil has been detected and is within the permissible range, so be in a next Step the value tables stored in the microcontroller or Maps for to use the appropriate vessel Performance values taken as setpoint specifications and the further control process based on. The load of the induction coil is in regular, short intervals determined and the heating process aborted if the allowed Value range is left. The vessel to be heated can now be filled with a predetermined, vascular specific Power are applied until the desired final temperature is reached is (full load phase).

An die Volllastphase kann sich eine weitere Erwärmungsphase mit reduzierter Leistung (Teillastphase 1) zum schonenden Fertiggaren von Speisen anschließen. Um ein Übergaren der Speisen zu verhindern, sollte nach dem Erreichen der gewünschten Kerntemperatur nicht mehr mit voller Leistung weiter erwärmt werden, da bereits eine geringere Leistung zum schonenden Fertiggaren der Speisen ausreicht. Die Leistung kann in dieser Phase beispielsweise auf 50% des Wertes der Volllastphase reduziert werden. Dies geschieht jeweils gefäßspezifisch, d. h. bei einer Erwärmungsleistung von 150 W während der Volllastphase erfolgt eine Reduzierung auf 75 W, während bei einer Leistung von 100 W während der Volllastphase eine Reduzierung auf 50 W erfolgt.The full load phase can be followed by another heating phase with reduced power (partial load phase 1) for the gentle finish cooking of food. To prevent overcooking of the food should not be heated after reaching the desired core temperature at full power on, as even a lower power for gentle finished cooking food is sufficient. The performance can be in For example, this phase can be reduced to 50% of the value of the full load phase. This is done in each vessel specific, ie at a heating power of 150 W during the full load phase is reduced to 75 W, while at a power of 100 W during the full load phase, a reduction to 50 W.

Um die Speisen nach ihrem Fertiggaren bis zu ihrer Verwendung warm zu halten, kann die eingebrachte Leistung nochmals reduziert werden. An die Teillastphase 1 kann sich daher eine weitere Phase mit gegenüber der Teillastphase 1 weiter reduzierter Leistung anschließen (Teillastphase 2). Der Wert der eingebrachten Leistung kann dabei nochmals um die Hälfte reduziert werden, so dass er nur noch 25% des Wertes der Volllastphase entspricht. Die Dauer der Volllastphase und der Teillastphasen kann dabei entsprechend vorgegebener Werte einer in dem Mikrocontroller der Regeleinrichtung gespeicherten Tabelle gewählt werden. Die Regelung der Leistung erfolgt vorzugsweise dadurch, dass durch die Regeleinrichtung die auf die Induktionsspule zu beaufschlagende Leistung durch Auswahl einer die Halbleiterschalter steuernden Taktfrequenz innerhalb des vorgegebenen zulässigen Frequenzbereichs bestimmt wird.Around warm the food after it has been cooked until it is used to keep the introduced power can be further reduced. To the partial load phase 1, therefore, a further phase with respect to the Part load phase 1 continue to connect reduced power (partial load phase 2). The value of the introduced power can be increased by the half be reduced so that it only 25% of the value of the full load phase equivalent. The duration of the full load phase and the partial load phases can in accordance with predetermined values one in the microcontroller the control device stored table are selected. The regulation of Performance preferably takes place in that by the control device the power to be applied to the induction coil by selection a clock frequency controlling the semiconductor switches within the predetermined permissible Frequency range is determined.

Die Bestimmung der Anfangstemperatur des zu erwärmenden Gefäßes erfolgt vorzugsweise durch eine Messung der von dem Gefäß aufgenommenen Leistung, wobei die aufgenommene Leistung mit in den Kennfeldern oder Tabellen gespeicherten gefäßspezifischen Werten verglichen wird. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich der ohm'sche Widerstand des zu erwärmenden Gefäßes infolge der Erwärmung erhöht. Die Differenz der Leistungsaufnahme eines kalten und eines warmen Gefäßes beträgt etwa 20%, wobei sich die Leistungsaufnahmewerte unterschiedlicher Gefäße so weit unterscheiden, daß eine Überschneidung der gefäßspezifischen Wertebereiche nicht erfolgt.The Determination of the initial temperature of the vessel to be heated is preferably carried out by a Measurement of the recorded by the vessel Performance, with the recorded power in the maps or tables stored vessel-specific Values is compared. The fact is exploited that the ohmic Resistance of the to be heated Vessel as a result the warming elevated. The Difference in power consumption of a cold and a warm vessel is about 20%, whereby the power consumption values of different vessels so far differ that an overlap the vascular-specific Value ranges did not occur.

Der Füllgrad eines zu erwärmenden Gefäßes kann durch den Abfall der von dem Gefäß aufgenommenen Leistung über ein vorbestimmtes Zeitintervall bestimmt werden. Dazu wird die Tatsache ausgenutzt, daß sich ein gefülltes Gefäß aufgrund der größeren zu erwärmenden Masse langsamer erwärmt als ein leeres Gefäß. Es wird jeweils die Zeitdauer bestimmt, in der die aufgenommene Leistung bei der Erwärmung um einen bestimmten Betrag, beispielsweise 20%, abfällt. Wird eine bestimmte Zeit unterschritten, in der dieser Leistungsabfall auftritt, so ist dies ein Indiz dafür, daß das Gefäß nicht befällt ist und daher zur Vermeidung von Schäden an dem Gefäß nicht erhitzt werden sollte.Of the filling level one to be heated Vessel can by the waste of the picked up by the vessel Performance over a predetermined time interval are determined. This is the fact exploited that a filled one Vessel due the bigger one too heated Mass heated slowly as an empty vessel. It will each determines the period of time in which the recorded power during warming by a certain amount, for example 20%. Becomes fell below a certain time, in which this drop in performance occurs, this is an indication that the vessel is not affected and therefore to avoid of damage not on the vessel should be heated.

Um die vorgenannten Bestimmungen durchführen zu können, müssen die thermischen Materialkenngrößen unterschiedlicher zu erwärmender Gefäßarten empirisch bestimmt werden und in der Form von Kennfeldern und/oder Wertetabellen in den Speichereinheiten der Regeleinrichtung abgespeichert werden. Nach der Bestimmung der Art, der Temperatur und des Füllgrades des zu erwärmenden Gefäßes anhand der in einer Tabelle gespeicherten Werte kann dann ein in einer weiteren Tabelle gespeicherter Wert als Sollwert für die Regelung der der Induktionsspule zuzuführenden Leistung ausgewählt werden.Around To be able to carry out the aforementioned provisions, the thermal material parameters must be different to be heated Types of vessels empirical be determined and in the form of maps and / or tables of values be stored in the storage units of the control device. After determination of type, temperature and degree of filling to be heated Vessel based The values stored in a table can then be one in one another value stored as setpoint for the control the induction coil to be supplied Performance selected become.

Allein aus der Messung der von der Induktionsspule aufgenommenen Leistung, die zugleich ein Maß für die von dem zu erwärmenden Gefäß aufgenommenen Leistung ist, kann die Art, die Temperatur und der Füllgrad eines einzelnen Gefäßes eindeutig bestimmt werden. Sollen mehrere Gefäße, ggf. unter Verwendung mehrerer Induktionsspulen, erwärmt werden, so muß zusätzlich die tatsächliche Anzahl der zu erwärmenden Gefäße bestimmt werden. Dies geschieht zweckmäßig durch Auswertung der Ausgangssignale von im Bereich der Induktionsspulen angeordneten Näherungssensoren. Nach der Bestimmung der tatsächlichen Anzahl der bedeckten Induktionsspulen, d. h. der Anzahl der zu erwärmenden Gefäße, wird die auf die Induktionsspulen zu beaufschlagende Leistung proportional zu dem Bedeckungsgrad reduziert. Sind beispielsweise nur sechs von zehn vorhandenen Induktionsspulen tatsächlich bedeckt, so wird die aufzubringende Leistung auf 60% reduziert. Da lediglich die tatsächlich bedeckten Induktionsspulen reale Leistung aufnehmen, während die nicht bedeckten Induktionsspulen lediglich Blindleistung aufnehmen, wird auf diese Weise wieder jedes Gefäß mit der gefäßspezifischen, der Wertetabelle entsprechenden Leistung beaufschlagt.Alone from the measurement of the power consumed by the induction coil, which at the same time is a measure of the to be heated Taken up vessel Power is, the type, the temperature and the degree of filling one can single vessel unique be determined. Should several vessels, possibly using several Induction coils, heated must, in addition, the actual Number of vessels to be heated determined become. This is done appropriately Evaluation of the output signals from in the field of induction coils arranged proximity sensors. After determining the actual Number of covered induction coils, d. H. the number of heated Vessels, will the power to be applied to the induction coils proportional reduced to the degree of coverage. For example, only six of 10 existing induction coils actually covered, so will the reduced output to 60%. Because only the actually covered Induction coils absorb real power while the uncovered induction coils only record reactive power, in this way, each again Vessel with the vascular specific, the value table corresponding power applied.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele und Diagramme näher erläutert. Es zeigtThe Invention will be described below with reference to the drawing embodiments and diagrams closer explained. It shows

1 einen schematischen Aufbau eines Reihenschwingkreises mit einer Induktionsspule; 1 a schematic structure of a series resonant circuit with an induction coil;

2 einen schematischen Aufbau eines Reihenschwingkreises mit mehreren Induktionsspulen; 2 a schematic structure of a series resonant circuit with a plurality of induction coils;

3 die Kennlinie eines Schwingkreises gemäß 1; 3 the characteristic of a resonant circuit according to 1 ;

4a die funktionale Abhängigkeit der Leistungsaufnahme eines Gefäßes von seiner Temperatur zur Bestimmung der Anfangstemperatur des Gefäßes; 4a the functional dependence of the power consumption of a vessel on its temperature for determining the initial temperature of the vessel;

4b die funktionale Abhängigkeit der Leistungsaufnahme eines Gefäßes von der Zeit zur Bestimmung des Füllgrades des Gefäßes; 4b the functional dependence of the power consumption of a vessel on the time to determine the degree of filling of the vessel;

5 ein Flußdiagramm des Gesamtablaufes des Erwärmungsprozesses; 5 a flow chart of the overall process of the heating process;

6 ein Flußdiagramm der Anlaufphase des Erwärmungsprozesses und 6 a flow chart of the start-up phase of the heating process and

7 ein Flußdiagramm der Vollastphase des Erwärmungsprozesses. 7 a flow chart of the full load phase of the heating process.

Die in den 1 und 2 schematisch dargestellten Schaltungsanordnungen 10 bestehen im wesentlichen aus einer Gleichrichtereinrichtung 12, mit der die Spannung einer Netzspannungsquelle 14 gleichgerichtet wird, und zwei Halbleiterschaltern T1, T2 zum frequenzgesteuerten Zerhacken der gleichgerichteten Netzspannung, einem Reihenschwingkreis bestehend aus einer (1) oder mehreren (2) Induktionsspulen 16, 16' und zwei Kondensatoren C1, C2, der mit der durch die Halbleiterschalter T1, T2 zerhackten Spannung beaufschlagt wird, sowie einem oder mehreren Gefäßen 18, 18' als Last für die Induktionsspule. Die Frequenzsteuerung der Halbleiterschalter T1, T2 erfolgt durch einen Mikrocontroller 20, der mit den Betriebsgrößen Netzspannung und -strom sowie Induktionsspulenspannung und -strom als Regelgrößen beaufschlagt wird. Der Mikrocontroller 20 weist einen Speicherbereich auf, in dem in der Form von Tabellen und/oder Kennlinien Leistungssollwerte für unterschiedliche Gefäßarten 18 und zur Verhinderung von Beschädigungen der Induktionsspule oder der Gefäße Maximalwerte für den zulässigen Spulenstrom und die Spulenspannung gespeichert sind. Aus den ermittelten Betriebsgrößen, die mittels nicht dargestellter Sensoren gemessen werden, und dem sich daraus ergebenden Leistungssollwert berechnet der Mikrocontroller eine Taktfrequenz, mit der die Halbleiterschalter T1, T2 als Stellgröße beaufschlagt werden. Die Halbleiterschalter T1, T2 sind, wie in den 1 und 2 dargestellt, MOSFET-Transistoren oder aber auch IGBT-Transistoren, die in der Lage sind, Leistungen im Bereich von 50 W bis 5 kW zu schalten, wobei sie zur Ansteuerung nur eine geringe Leistung erfordern, so daß sie direkt von dem Mikrocontroller 20 angesteuert werden können.The in the 1 and 2 schematically illustrated circuit arrangements 10 consist essentially of a rectifier device 12 , with which the voltage of a mains voltage source 14 and two semiconductor switches T1, T2 for frequency-controlled chopping of the rectified mains voltage, a series resonant circuit consisting of a ( 1 ) or several ( 2 ) Induction coils 16 . 16 ' and two capacitors C1, C2 which are supplied with the voltage chopped by the semiconductor switches T1, T2 and one or more vessels 18 . 18 ' as a load for the induction coil. The frequency control of the semiconductor switches T1, T2 is performed by a microcontroller 20 , which is acted upon by the operating variables mains voltage and current as well as induction coil voltage and current as controlled variables. The microcontroller 20 has a memory area in which, in the form of tables and / or curves, power setpoints for different types of vessels 18 and maximum values for the permissible coil current and the coil voltage are stored to prevent damage to the induction coil or the vessels. From the determined operating variables, which are measured by means not shown sensors, and the resulting power setpoint, the microcontroller calculates a clock frequency, with which the semiconductor switches T1, T2 are acted upon as a manipulated variable. The semiconductor switches T1, T2 are, as in the 1 and 2 represented, MOSFET transistors or even IGBT transistors, which are capable of switching powers in the range of 50 W to 5 kW, they require for driving only a small power, so that they directly from the microcontroller 20 can be controlled.

In 3 ist die Impedanz Z des Schwingkreises als Funktion der Taktfrequenz f

dargestellt. Auf der linken, niederfrequenten Seite des Resonanzpunktes bei f_R befindet sich der abfallende kapazitive Zweig der Kennlinie, auf der rechten, ansteigenden Seite des Resonanzpunktes f_R der induktive Zweig der Kennlinie. Die Frequenzregelung findet ausschließlich auf dem induktiven Zweig der Kennlinie statt, und zwar in einem Bereich zwischen einer minimal zulässigen Frequenz f_min der Nähe des Resonanzpunktes f_R und einer maximal zulässigen Frequenz f_max. Der Arbeitspunkt des Schwingkreises wird möglichst nah an die untere Grenzfrequenz angenähert, da hier die Impedanz niedrig ist und somit eine hohe Leistungsausbeute erzielt wird. Der Regelungsbereich deckt etwa einen Frequenzbereich von f_min = 20 kHz bis f_max = 50 kHz ab. Um im Betrieb möglichst nah an der unteren Grenzfrequenz arbeiten zu können, diese aber nicht zu unterschreiten, wird mikrocontrollerintern mit einer möglichst hohen Prozessorfrequenz gearbeitet. Eine einmal eingeregelte Taktfrequenz wird so lange beibehalten, bis die gemessenen Betriebsparameter eine Änderung der Taktfrequenz indizieren, woraufhin kurzzeitig entsprechende Register des Mirkocontrollers beschrieben werden, die eine neue Taktfrequenz für die Haltleiterschalter T1, T2 einstellen. Diese neue Taktfrequenz wird dann wiederum so lange beibehalten, bis eine erneute Taktfrequenzänderung indiziert ist. Auf diese Weise wird für die eigentliche Frequenzsteuerung nur ein geringer Teil der Mikrocontrollerkapazität gebraucht, so daß der Mikrocontroller hauptsächlich mit der Überwachung und Bestimmung der Betriebsparameter ausgelastet wird.In 3 is the impedance Z of the resonant circuit as a function of the clock frequency f

shown. On the left, low-frequency side of the resonance point at f _R is the falling capacitive branch of the characteristic, on the right, rising side of the resonance point f _{R of} the inductive branch of the characteristic. The frequency control takes place exclusively on the inductive branch of the characteristic curve, specifically in a range between a minimum permissible frequency f _min near the resonance point f _R and a maximum permissible frequency f _max . The operating point of the resonant circuit is approximated as close as possible to the lower limit frequency, since here the impedance is low and thus a high power output is achieved. The control range covers approximately a frequency range from f _min = 20 kHz to f _max = 50 kHz. In order to be able to work as close as possible to the lower limit frequency during operation, but not to fall short of this, microprocessor-internally operates with the highest possible processor frequency. A once-adjusted clock frequency is maintained until the measured operating parameters indicate a change in the clock frequency, after which corresponding registers of the microcontroller are briefly described, which set a new clock frequency for the semiconductor switches T1, T2. This new clock frequency is then maintained again until a new clock frequency change is indicated. In this way, only a small portion of the microcontroller capacity is needed for the actual frequency control, so that the microcontroller is mainly busy with the monitoring and determination of the operating parameters.

Anhand der 4a und b läßt sich erläutern, wie die Regeleinrichtung allein aus der gemessenen Induktionsspulenleistung die Temperatur und den Füllgrad der zu erwärmenden Gefäße bestimmt. In 4a ist die aufzubringende Induktionsspulenleistung als Funktion der Gefäßtemperatur dargestellt. Dabei ist die Leistungsaufnahme eines kalten Gefäßes mit 100% angesetzt. Ist das Gefäß aber bereits heiß, so nimmt es aufgrund der in dem heißen Zustand verminderten Leitfähigkeit nur noch eine geringere Leistung auf, die wie dargestellt 80% der ”Kaltleistung” betragen mag. Entsprechende Leistungswerte sind für jede zu erwärmende Gefäßart in dem Mikrocontroller 20 in Tabellenform abgespeichert (vgl. 6), so daß ein Vergleich der gemessenen Leistungsaufnahme mit den Tabellenwerten eine Temperaturbestimmung des Gefäßes ermöglicht, woraufhin dann ein entsprechender Regelungsprozeß ausgelöst werden kann.Based on 4a and b it can be explained how the control device alone determines the temperature and the degree of filling of the vessels to be heated from the measured induction coil power. In 4a the induction coil power to be applied is shown as a function of the vessel temperature. The power consumption of a cold vessel is set at 100%. However, if the vessel is already hot, it only absorbs less power due to the reduced conductivity in the hot state, which, as illustrated, may be 80% of the "cold power". Corresponding performance values are for each type of vessel to be heated in the microcontroller 20 stored in tabular form (cf. 6 ), so that a comparison of the measured power consumption with the table values allows a temperature determination of the vessel, whereupon then a corresponding control process can be triggered.

Auf ähnliche Weise kann der Füllgrad eines Gefäßes bestimmt werden. 4b zeigt schematisch den Verlauf der Leistungsaufnahme P als Funktion der Zeit t. Es wird das Absinken der aufgenommenen Leistung, d. h. die Erwärmung, wiederum von einem mit 100% angesetzten, gefäßspezifischen Wert auf beispielsweise 80% dieses Wertes über einen bestimmten Zeitraum gemessen. Aufgrund der höheren von einem gefüllten Gefäß aufzunehmenden Wärmemenge ist die Aufwärmzeit t₂ eines gefüllten Gefäßes länger als die Aufwärmzeit t₁ eines leeren Gefäßes. Die gemessene Aufwärmzeit ist damit ein Maß für den Füllgrad des Gefäßes. Wird daher beim Aufwärmen eine bestimmte Aufwärmzeit unterschritten, so bedeutet dies, daß das Gefäß nicht gefüllt ist und der Aufwärmprozeß wird zur Vermeidung einer Beschädigung des Gefäßes abgebrochen. Die Gefäße bestehen nämlich typischerweise aus einer Keramik, die mit einer leitenden Schicht, beispielsweise Silber, beschichtet ist. Die übermäßige Erwärmung eines leeren Gefäßes kann zu starken mechanischen Spannungen in dem Gefäß führen, wodurch dieses beschädigt werden kann.In a similar way, the degree of filling of a vessel can be determined. 4b shows schematically the course of the power consumption P as a function of time t. It is the decrease in power absorbed, ie the heating, again measured from a set at 100%, vascular-specific value to, for example, 80% of this value over a period of time. Due to the higher amount of heat to be absorbed by a filled vessel, the warm-up time t _{2 of} a filled vessel is longer than the warm-up time t _{1 of} an empty vessel. The measured warm-up time is thus a measure of the degree of filling of the vessel. Therefore, if a certain warm-up time is exceeded during the warm-up, this means that the vessel is not filled and the warm-up process is stopped to avoid damaging the vessel. Namely, the vessels are typically made of a ceramic coated with a conductive layer, for example silver. Excessive heating of an empty vessel can cause excessive mechanical stresses in the vessel, which can damage it.

Sollen gleichzeitig mehrere Gefäße 18, 18' mittels mehrerer Induktionsspulen 16, 16' erwärmt werden (vgl. 2), so kommt die tatsächliche Abdeckung der Induktionsspulen 16, 16' als weiterer Freiheitsgrad für die Bestimmung der Art, der Temperatur und des Füllgrads der Gefäße hinzu.Should simultaneously several vessels 18 . 18 ' by means of several induction coils 16 . 16 ' are heated (see. 2 ), so comes the actual coverage of the induction coils 16 . 16 ' added as a further degree of freedom for the determination of the type, temperature and degree of filling of the vessels.

Bei der Verwendung mehrerer Induktionsspulen 16, 16' kann dies dazu führen, daß bei einer nur teilweisen Belegung der Induktionsspulen Leistungswerte gemessen werden, die sich in mehrdeutiger Weise unterschiedlichen Gefäßarten, Gefäßtemperaturen und Gefäßfüllgraden zuordnen ließen. Es sind daher im Bereich der Induktionsspulen 16, 16' bei einer Anordnung gemäß 2 im Bereich der Induktionsspulen nicht dargestellte Näherungssensoren vorgesehen, die eine eindeutige Bestimmung des Bedeckungsgrades der Induktionsspulen ermöglichen. Dann läßt sich wieder, eine Bedeckung untereinander gleicher Gefäße mit gleichen Anfangstemperaturen und gleichen Füllgraden vorausgesetzt, die Art der Gefäße, ihre Temperatur und ihr Füllgrad bestimmen, so daß die Induktionsspulen mit der für die entsprechenden Gefäße vorgesehenen Leistung beaufschlagt werden können.When using multiple induction coils 16 . 16 ' This can lead to performance values being measured in the event of only partial occupancy of the induction coils, which values could be assigned in an ambiguous manner to different types of vessel, vessel temperatures and vessel fill levels. It is therefore in the field of induction coils 16 . 16 ' in an arrangement according to 2 Proximity sensors, not shown, are provided in the region of the induction coils, which allow an unambiguous determination of the degree of coverage of the induction coils. Then, assuming a covering of the same vessels with the same initial temperatures and the same fill levels, the type of vessels, their temperature and their degree of filling can be determined, so that the induction coils can be charged with the power intended for the corresponding vessels.

Im folgenden wird beispielhaft das Verfahren zur geregelten Erwärmung eines Gefäßes anhand der in den 5 bis 7 dargestellten Flußdiagramme erläutert.The following is an example of the method for the controlled heating of a vessel based on in the 5 to 7 illustrated flow charts explained.

5 zeigt schematisch den Gesamtablauf der Erwärmung. Nach dem Start, d. h. dem Einschalten der Vorrichtung, beginnt zunächst die Anlaufphase (6). Die Anlaufphase beinhaltet Sicherheitsabfragen, um festzustellen, ob die Regelvorrichtung in dem vorgeschriebenen Frequenzbereich arbeitet, die Bestimmung, ob überhaupt ein Gefäß vorhanden ist, und falls dies der Fall sein sollte, welcher Art das Gefäß ist und welche Temperatur es aufweist. An die Anlaufphase schließt sich die Vollastphase an, in der die eigentliche Erwärmung der sich in dem Gefäß befindlichen Speisen stattfindet. Die Erwärmung erfolgt in dieser Vollastphase mit der maximalen für das entsprechende Gefäß vorgesehenen Leistung, bis ein gewünschter Erwärmungsgrad erreicht ist, beispielsweise die Kerntemperatur von etwa 70°C bei der Regeneration von Speisen. Dann wird die Leistung auf z. B. 50% der Anfangsleistung heruntergeregelt, um ein schonendes Fertiggaren der Speisen zu erreichen (Teillastphase 1). In der sich daran anschließenden Teillastphase 2 wird die Leistung nochmals vermindert, z. B. auf 25% des Anfangswertes, um die Speisen einerseits warmzuhalten, aber andererseits ein Übergaren zu verhindern. Nach dem Ablauf dieser Phasen ist der Erwärmungsvorgang abgeschlossen und die Vorrichtung schaltet sich automatisch ab. 5 shows schematically the overall process of heating. After starting, ie switching on the device, the start-up phase ( 6 ). The startup phase includes safety checks to determine if the controller is operating within the prescribed frequency range, determining if any vessel is present, and if so, what type the vessel is and what temperature it has. The start-up phase is followed by the full-load phase in which the actual heating of the food in the vessel takes place. The heating takes place in this Vollastphase with the maximum intended for the corresponding vessel performance until a desired degree of heating is achieved, for example, the core temperature of about 70 ° C in the regeneration of food. Then the power on z. B. 50% of the initial power down to achieve a gentle finished cooking food (partial load phase 1). In the subsequent partial load phase 2, the power is reduced again, z. B. to 25% of the initial value, on the one hand to keep the food warm, but on the other hand to prevent overcooking. After the expiration of these phases, the heating process is completed and the device shuts off automatically.

In 6 ist die Anlaufphase noch einmal detaillierter dargestellt. Es sind auch zwei Tabellen abgebildet, die beispielhaft Sollwerte für unterschiedliche Gefäße (Teller oder Schüssel) und Sollwerte für die einzelnen Erwärmungsphasen angeben. Zunächst wird nach dem Start die Aufnahmeleistung bei einer festen hohen Frequenz, d. h. einer Frequenz in der Nähe der oberen Grenzfrequenz f_max (vgl. 3), gemessen. Um eventuell auftretende Schwankungen der Versorgungsnetzspannung zu kompensieren, wird diese Aufnahmeleistung auf einen Spannungswert von 230 V normiert. Der so erhaltene Leistungswert wird dann mit den empirisch ermittelten, in der Gefäß-Leistungstabelle abgespeicherten Leistungswerte verglichen. Die Tabelle zeigt die zulässigen Leistungswerte für einen Teller im kalten und im heißen Zustand sowie für eine Schüssel, ebenfalls im kalten und heißen Zustand. Die zulässigen Leistungswerte für einen Teller liegen beispielsweise im Bereich von 124 W bis 140 W, während die entsprechenden Werte für eine Schüssel 83 W bis 100 W betragen. Zwischen diesen zulässigen Bereichen sowie oberhalb und unterhalb dieser Bereiche liegen die Leistungswerte, bei deren Auftreten ein ungültiger Belastungsfall durch die Regeleinrichtung festgestellt wird. Die Auflösung, mit der die Leistung bestimmt werden kann, liegt bei etwa 3 W, so daß die Lücke zwischen den beiden Gefäßarten hinreichend groß ist, um eine eindeutige Zuordnung zu ermöglichen. Sollte ein ungültiger Belastungsfall festgestellt werden, so ist dies ein Indiz für eine Störung und der Erwärmungsvorgang wird abgebrochen. Liegt der Leistungswert in einem der gültigen Bereiche, so wird anhand der Gefäß-Leistungstabelle festgestellt, um welche Art Gefäß es sich handelt, d. h. ob ein Teller oder eine Schüssel zu erwärmen ist. Der entsprechende Leistungssollwert wird aus der Tabelle ausgelesen und die Vollastphase beginnt.In 6 the start-up phase is shown again in more detail. Two tables are also shown, specifying nominal values for different vessels (plate or bowl) and nominal values for the individual heating phases. First, after the start, the recording power at a fixed high frequency, ie a frequency near the upper limit frequency f _max (see. 3 ), measured. To compensate for any fluctuations in the supply voltage, this recording power is normalized to a voltage value of 230 V. The power value thus obtained is then compared with the empirically determined power values stored in the vessel power table. The table shows the permissible power values for a plate in the cold and in the hot state and for a bowl, also in the cold and hot state. The permissible power values for a plate are, for example, in the range of 124 W to 140 W, while the corresponding values for a bowl are 83 W to 100 W. Between these permissible ranges as well as above and below these ranges are the performance values at whose occurrence an invalid load case is determined by the control device. The resolution at which the power can be determined is about 3 W, so that the gap between the two types of vessels is sufficiently large to allow a clear assignment. If an invalid load case is detected, this is an indication of a fault and the heating process is aborted. If the power value is within one of the valid ranges, the Vessel Performance Table will determine what type of vessel it is, ie whether a plate or bowl is to be heated. The corresponding Power setpoint is read from the table and the full load phase begins.

In der Vollastphase (7) werden zunächst die Betriebsparameter der Spule, d. h. Spulenstrom und -spannung, sowie die von dem Gefäß aufgenommene Leistung bestimmt. Liegen diese Werte außerhalb der zulässigen Bereiche, so wird dies als Störung behandelt und der Erwärmungsprozeß abgebrochen. Anderenfalls wird die Ist-Leistung mit der vorgegebenen Solleistung verglichen und je nach Ergebnis durch den Mikrocontroller eine entsprechende Frequenzansteuerung der Halbleiterschalter vorgenommen, um Ist-Leistung und Soll-Leistung zur Deckung zu bringen. Dieser Regelvorgang wird fortlaufend durchgeführt, bis das Abbruchkriterium für die Vollastphase, d. h. entweder der vorbestimmte Zeitablauf oder die gewünschte Temperatur, erreicht ist. Es schließen sich dann ggf. die Teillastphasen 1 und 2 an, in denen ein entsprechender Regelungsvorgang mit den reduzierten Leistungswerten durchgeführt wird.In the full load phase ( 7 ), the operating parameters of the coil, ie coil current and voltage, and the power consumed by the vessel are first determined. If these values are outside the permissible ranges, this is treated as a fault and the heating process is stopped. Otherwise, the actual power is compared with the predetermined target power and made depending on the result by the microcontroller a corresponding frequency control of the semiconductor switch to bring actual power and target power to coincide. This control process is carried out continuously until the termination criterion for the full load phase, ie either the predetermined time or the desired temperature is reached. The partial load phases 1 and 2 then possibly follow, in which a corresponding control process with the reduced power values is carried out.

Zusammfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise leitfähigen Gegenständen, insbesondere von Gefäßen für Speisen, mit wenigstens einer von Wechselstrom durchflossenen Induktionsspule zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, an das der zu erwärmende Gegenstand derart ankoppelbar ist, daß in diesem ein Wirbelstrom und/oder – bei ferromagnetischen Gegenständen – Ummagnetisierungswärme erzeugt wird. Eine den Wechselstrom in der Induktionsspule regelnde Schaltungsanordnung umfaßt eine Gleichrichteranordnung zum Gleichrichten der Netzversorgungsspannung, mindestens einen Halbleiterschalter zum Zerhacken der gleichgerichteten Versorgungsspannung mit einer vorgebbaren Taktfrequenz, elektronische Bauelemente, die zusammen mit der Induktionsspule einen Schwingkreis bilden, sowie eine Regeleinrichtung zur Erzeugung der Taktfrequenz. Um eine automatische Regelung des Erwärmungsvorgangs zu ermöglichen, weist die Regeleinrichtung gemäß der Erfindung einen Mikrocontroller auf, der unter Berücksichtigung der Betriebsparameter frequenzvariable Steuersignale für die Halbleiterschalter liefert. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum geregelten induktiven Erwärmen von Speisen.Zusammfassend the following is to be stated: The invention relates to a device for inductive heating of at least partially conductive objects in particular of food containers, with at least one induction coil through which an alternating current flows for generating an electromagnetic alternating field to which the to be heated Object can be coupled such that in this an eddy current and / or - in ferromagnetic Objects - generates heat of magnetization becomes. A the alternating current in the induction coil regulating circuitry comprises a rectifier arrangement for rectifying the mains supply voltage, at least one semiconductor switch for chopping the rectified Supply voltage with a predeterminable clock frequency, electronic Components that together with the induction coil a resonant circuit form, and a control device for generating the clock frequency. To allow automatic control of the heating process, has the control device according to the invention a microcontroller, taking into account the operating parameters frequency-variable control signals for supplies the semiconductor switches. The invention further relates a method for controlled inductive heating of food.

Claims

Device for inductive heating of at least partially conductive objects, in particular of vessels ( 18 . 18 ' ) for food, with at least one induction coil through which an alternating current flows ( 16 . 16 ' ) for generating an alternating electromagnetic field to which the object to be heated can be coupled such that in this an eddy current and / or - in ferromagnetic objects - is generated Ummagnetisierungswärme, and with a the alternating current in the induction coil regulating circuit comprising a rectifier device ( 12 ) for rectifying the mains supply voltage ( 14 ), Semiconductor switches (T1, T2) for chopping the rectified supply voltage with a predetermined clock frequency, electronic components (C1, C2), which together with the induction coil ( 16 . 16 ' ) form a resonant circuit, and a control device for generating the clock frequency, wherein the control device is a microcontroller ( 20 ), which supplies frequency-variable control signals for the semiconductor switches as a function of operating parameters, as well as a power determining device for determining which of the induction coil ( 16 . 16 ' ) recorded power, characterized in that as a microcontroller ( 20 ) has a programmable memory in which maps and / or tables for the of the induction coil ( 16 . 16 ' ) absorbed power as a measure of the power consumption of different vessels to be heated ( 18 . 18 ' ) are storable, wherein the power consumption values are the operating parameters and the power consumption values of the data of the maps and / or tables for different vessels differ so far that there is a distance between the vascular specific value ranges, which is greater than the resolution with which the power consumption by the power determination device is determinable.

Device according to claim 1, characterized in that that the control device sensors for mains power consumption and the induction coil current as well as for the mains and induction coil voltage having.

Device according to Claim 1 or 2, characterized in that the semiconductor switches (T1, T2) comprise IGBT, MOSFET or BIMOSFET transistors a switching power in the range of 30 W to 10 kW.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electronic components, together with the induction coil ( 16 . 16 ' ) form the resonant circuit, capacitors (C1, C2) are.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the resonant circuit is a Rei is henschwingkreis.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized that the control device according to the principle of a P-controller, a PID controller, a regulator with finite response time, an adaptive controller or a fuzzy logic controller is working.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized the control device has a frequency generator which one changeable constant clock frequency for loading the semiconductor switches (T1, T2) generated.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the operating point of the resonant circuit in the inductive region of the resonant circuit characteristic is in the vicinity of the resonance point (f _R ).

Apparatus according to claim 8, characterized in that the control device contains a memory resident program that prevents the falling below a predetermined lower limit frequency in the vicinity of the resonance point (f _R ).

Device according to one of claims 1 to 9, characterized that the clock frequency of the control device 10 kHz to 100 kHz, preferably 20 kHz to 50 kHz.

Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that a plurality of induction coils ( 16 . 16 ' ) are provided in a series or parallel circuit, and that in the field of induction coils ( 16 . 16 ' ) Proximity sensors are provided, with their output signals, the control device for determining the degree of coverage of the induction coils ( 16 . 16 ' ) can be acted upon.

Method for inductive heating of food using the device according to one of claims 1 to 11, comprising the following steps: a) in a start-up phase: - detecting the of the induction coil ( 16 . 16 ' ) absorbed power as a measure of the power consumption of the vessel to be heated at a clock frequency near the upper limit (f _max ) of the control range of the control device; Comparison of the recorded power consumption with predetermined values contained in the control diagrams or tables for distinguishing between several types of vessels whose power consumption values represent the data of the maps or tables, the power consumption values of the data of the maps or tables differing for different vessels, that there is a distance between the vessel-specific value ranges which is greater than the resolution with which the power consumption can be determined in the detection step; - Determining whether the permissible load of the induction coil corresponds to the values of the characteristic maps or tables ( 16 . 16 ' ) within the vessel-specific value ranges, otherwise termination of the heating process; and at a permissible loading of the induction coil thereafter b) in a full load phase: - warming of the vessel ( 18 . 18 ' ) with a given vascular-specific performance.

Method according to claim 12, characterized in that that at the full load phase a partial load phase with reduced Power to finish cooking dishes adjoins.

Method according to claim 13, characterized in that that continues to the part-load phase, a further part-load phase with reduced power to keep the food warm.

Method according to claim 14, characterized in that that the duration of the full load phase and the partial load phases accordingly predetermined values of a table stored in the control device is selected.

Method according to one of claims 12 to 15, characterized in that by the control device on the induction coil ( 16 . 16 ' ) to be acted upon power by selecting a semiconductor switch (T1, T2) controlling clock frequency within a predetermined allowable frequency range is determined.

Method according to one of claims 12 to 16, characterized in that the initial temperature of the vessel to be heated ( 18 . 18 ' ) is determined by the power consumed by the vessel, the power consumed being compared with vessel specific values stored in the maps or tables.

Method according to one of claims 12 to 17, characterized in that the degree of filling of the vessel to be heated ( 18 . 18 ' ) is determined by the decrease in the power consumed by the vessel over a predetermined time interval.

Method according to one of claims 12 to 18, characterized in that the thermal material characteristics of different types of vessels to be heated ( 18 . 18 ' ) are determined empirically and stored in the form of maps and / or tables of values in the memory unit of the control device.

Method according to one of claims 12 to 19 i. V. m. Claims 17 and 18, characterized in that after the determination of the type, the temperature and the degree of filling of the vessel to be heated ( 18 . 18 ' ) based on the values stored in a table, a value stored in a further table as a set value for that of the induction coil ( 16 . 16 ' ) is selected.

Method according to one of claims 12 to 20, characterized in that when using a plurality of induction coils ( 16 . 16 ' ) the output signals of proximity sensors connected to the control device for determining the actual number of covered induction coils ( 16 . 16 ' ) be used.

A method according to claim 21, characterized in that on the induction coils ( 16 . 16 ' ) is reduced in proportion to the power to be applied in accordance with the actual degree of coverage.