ИНДУКЦИОННАЯ ВАРОЧНАЯ ПАНЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК H05B6/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение относится к индукционной нагревательной системе, более конкретно к индукционному устройству для тепловой обработки продуктов, предназначенному для использования в качестве бытового прибора.

Уровень техники

Индукционные устройства для тепловой обработки продуктов или варочные панели являются более надежными и эффективными, беспламенными и поэтому более безопасными по сравнению с другими устройствами для тепловой обработки продуктов. В индукционных варочных панелях высокочастотный ток создается в нагревательной катушке, которая обычно соединена с резонансным конденсатором. Ток в нагревательной катушке создает высокочастотный магнитный поток, обуславливающий эффект электромагнитной индукции, вследствие которого возбуждаются вихревые токи в съемной или несъемной кухонной посуде (в кастрюле, сковороде и т.д.), изготовленной из магнитного материала, такого как сталь, железо и т.д. В результате действия этих вихревых токов кухонная посуда и продукты, содержащиеся в ней, нагреваются.

Поскольку изобретение относится к бытовому устройству, то это устройство не должно вносить помех в питающую линию переменного тока, должно работать при единичном коэффициенте мощности и должно иметь защиту от опасных состояний, например защиту от отрицательного действия при сбросе нагрузки, от перегрузки по току, перенапряжения, перегрева. Другой важной проблемой, связанной с такими устройствами, является снижение стоимости всей системы.

В индукционных варочных панелях в основном имеются два схемных узла: во-первых, силовой каскад, вырабатывающий энергию для осуществления тепловой обработки, и, во-вторых, схема управления мощностью, синхронизации и контроля, приводящая в действие систему и обеспечивающая удобное управление для пользователя.

Существуют основные силовые каскады двух типов, используемые в индукционных варочных панелях: инвертор на одном транзисторе и полумостовой инвертор. Инвертор на одном транзисторе представляет собой недорогой силовой каскад с одним транзистором, что облегчает управление. С другой стороны, варочные панели, имеющие полумостовой инвертор, являются двухтранзисторными и стоят дороже, чем в случае, когда они имеют инверторы на одном транзисторе. Но они могут работать в более широких диапазонах мощностей и на более высоких частотах, что может обеспечить возможность нагревания устройством магнитных материалов даже с низким сопротивлением, например алюминия.

Существуют различные подходы к реализации схем управления индукционной системой для тепловой обработки продуктов. Некоторые из них основаны исключительно на аналоговых схемах, предназначенных для выполнения операций управления мощностью, контроля и синхронизации, например, как те, которые раскрыты в патенте США № 4429205. Основные недостатки аналоговых систем заключаются в том, что они не могут быть легко модифицированы с целью изменения рабочих характеристик; диагностика неисправностей в таких системах может быть трудной, а они являются менее стабильными и устойчивыми по сравнению с цифровыми системами. Другие системы основаны как на аналоговых, так и на цифровых схемах, как, например, раскрытая в патенте США № 5648008. В этой системе аналоговые схемы использованы только для контроля и возбуждения силового инвертора, но она не является более предпочтительной, чем полностью цифровые системы, поскольку становится весьма затруднительным управление мощностью или приспособление системы возбуждения в случае большого числа катушек. Кроме того, такая система приостанавливает работу варочной панели на выбранных периодах питающей линии, что создает проблему, называемую "миганием света".

Из предшествующего уровня техники также известны индукционные системы, которые основаны исключительно на цифровых схемах. В патенте США № 4511781 представлена система, в которой микропроцессор использован для выполнения всех управляющих действий, но в ней сделана попытка выполнять посредством микропроцессора все критические и быстрые операции по синхронизации. Поэтому необходим очень быстродействующий и дорогой микропроцессор. Следовательно, стоимость системы возрастает, а система становится менее осуществимой.

Кроме того, в предшествующем уровне техники утверждается, что микропроцессоры чувствительны к флуктуациям питающей линии, что может вызывать появление случайных программных ошибок и выходных сигналов. Поэтому при возбуждении стробирующих сигналов для силового каскада не рекомендуется полагаться только на микропроцессор. Однако в этом изобретении силовой каскад может быть предохранен от повреждения с помощью дополнительных схем. В предшествующем уровне техники нет изобретения, в котором все управляющие действия осуществляются посредством микропроцессора, и оно является стабильным, устойчивым и конкурентоспособным в части низкой стоимости в сравнении с другими системами.

Известно много способов обнаружения присутствия подходящей кухонной посуды на варочной панели. В некоторых из этих изобретений использованы дополнительные контрольные устройства или специальное аппаратное обеспечение для обнаружения присутствия или размера кухонной посуды. В некоторых из них использованы только способы для контроля различных сигналов силовых инверторов с целью компенсации нагрузки.

Сущность изобретения

Основная задача настоящего изобретения заключается в создании индукционной нагревательной плиты, которая работает при единичном коэффициенте мощности, не создает во время работы помех на звуковых частотах, может непрерывно обнаруживать изменения нагрузки и может работать в широком диапазоне мощностей, может управлять температурой кухонной посуды и защищать себя от опасных состояний, таких как ситуации перегрузок по току и ложных стробирующих сигналов.

Индукционное устройство для тепловой обработки продуктов согласно этому изобретению содержит силовой каскад, который представляет собой схему квазирезонансного инвертора с одним транзистором (биполярным транзистором с изолированным затвором, БТИЗ). В соответствии с серией стробирующих импульсов транзистор непрерывно включается и выключается. В результате действия этих импульсов высокочастотный ток возникает в нагревательной катушке и в резонансном конденсаторе. Ток в нагревательной катушке создает высокочастотный магнитный поток, который обуславливает эффект электромагнитной индукции, вследствие которого вихревые токи возбуждаются в съемной или несъемной кухонной посуде, которая помещена на варочную панель и изготовлена из магнитного материала, такого как сталь, железо и т.д. В результате действия этих вихревых токов кухонная посуда и продукты, содержащиеся в ней, нагреваются.

Индукционная варочная панельная система получает питание от источника напряжения переменного тока. Между источником напряжения переменного тока и силовым каскадом индукционной варочной панели включен выпрямитель, предназначенный для формирования серии полупериодов выпрямленного переменного тока. Нагревательная катушка включена между выходом выпрямителя и полупроводниковым ключом (биполярным транзистором с изолированным затвором). Резонансный конденсатор подключен параллельно нагревательной катушке, а встречновключенный диод подключен параллельно к биполярному транзистору с изолированным затвором.

Как упоминалось в предыдущем разделе, в предшествующем уровне техники отсутствует практически осуществимая система, в которой микропроцессор использован для возбуждения транзистора и выполнения критических операций и операций по быстрой синхронизации, например для измерения сигналов обратной связи с силового каскада. Замысел этой системы заключается в использовании всех преимуществ микропроцессора для выполнения этих критических операций, а с помощью дополнительных аналоговых схем - в сведении к минимуму недостатков цифровой системы (например, случайных программных ошибок и выходных сигналов, обусловленных флуктуациями мощности).

Краткое описание чертежей

фиг.1 - функциональная схема всей индукционной системы для тепловой обработки продуктов, реализующей изобретение;

фиг.2 - функциональная схема, на которой блоки управления из фиг.1 заменены микропроцессором;

фиг.3 - схема силового каскада и входного каскада индукционной системы для тепловой обработки продуктов;

фиг.4а-с - диаграммы формы тока биполярного транзистора с изолированным затвором в зависимости от времени, напряжения V_CE коллектор-эмиттер биполярного транзистора с изолированным затвором в зависимости от времени и стробирующего сигнала биполярного транзистора с изолированным затвором в зависимости от времени, соответственно, для случая, когда входная мощность относительно низкая;

фиг.5а-с - диаграммы формы тока биполярного транзистора с изолированным затвором в зависимости от времени, напряжения V_CE коллектор-эмиттер биполярного транзистора с изолированным затвором в зависимости от времени и стробирующего сигнала биполярного транзистора с изолированным затвором в зависимости от времени, соответственно, для случая, когда входная мощность относительно высокая;

фиг.6а и 6b - блок-схемы алгоритма программного обеспечения микропроцессора;

фиг.7а и 7b - схемы "подпрограммы 1: Получение входных данных пользователя" и "подпрограммы 2: Определение длительности выключенного состояния" из программного обеспечения микропроцессора, показанного на фиг.6а и 6b;

фиг.8 - принципиальная схема блока трансформатора тока;

фиг.9 - принципиальная схема блока схем защиты;

фиг.10а и 10b - диаграмма формы V_CE в зависимости от времени после поступления на затвор биполярного транзистора с изолированным затвором одного включающего импульса и временная диаграмма для следующего включающего импульса;

фиг.11a-d - диаграммы тока I_L индуктора в зависимости от времени, V_CE в зависимости от времени, стробирующего сигнала V_GE в зависимости от времени и выходного сигнала детектора переходов через нулевой уровень в зависимости от времени;

фиг.12 - принципиальная схема блока схемы обнаружения посуды для готовки;

фиг.13a и 13b - диаграммы напряжения V_Cl линии постоянного тока в зависимости от времени и выходного сигнала детектора обнаружения переходов через нулевой уровень на 50 Гц для случая, когда подходящая посуда для готовки присутствует на варочной панели;

фиг.14a и 14b - диаграммы напряжения V_DC линии постоянного тока в зависимости от времени и выходного сигнала детектора переходов через нулевой уровень на 50 Гц в зависимости от времени для случая, когда на варочной панели присутствует неподходящая посуда для готовки;

фиг.15 - принципиальная схема блока преобразователя температуры в напряжение;

фиг.16 - принципиальная схема блока возбуждения затвора индукционной системы для тепловой обработки продуктов.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

На фиг.1, где блоки снабжены надписями в соответствии с их функциями, показано представление функциональной схемы индукционной системы для тепловой обработки продуктов. Блок "силового каскада" (10) находится на месте, откуда происходит передача энергии из системы в кухонную посуду (20) и где создаются высокочастотный ток и магнитное поле. Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ), использованный в этом блоке, возбуждается стробирующими импульсами, поступающими с блока "возбудителя (11) затвора".

"Возбудитель (11) затвора" получает сигналы с блоков "контроллера (12) длительности включенного состояния" и "контроллера (13) длительности выключенного состояния". "Контроллер (12) длительности включенного состояния" в соответствии с уровнем мощности, затребованным блоком "контроллера (14) мощности", определяет соответствующую включенному состоянию длительность стробирующих импульсов. Соответствующие включенному состоянию длительности стробирующих импульсов для каждого уровня мощности являются заданными и отличающимися друг от друга. Уровень, до которого нарастает ток индуктора (19) при этой длительности, также является заданным, поэтому уровень (620) тока индуктора также контролируется. Блок "контроллера (13) длительности выключенного состояния" определяет соответствующие выключенному состоянию длительности стробирующих импульсов (540). Соответствующие выключенному состоянию длительности не изменяются с изменением уровня мощности, но зависят от изменений нагрузки. А соответствующие выключенному состоянию длительности задаются переходами через нулевой уровень тока индуктора или нагревательной катушки (19). Поэтому схемой "детектора (22) переходов через нулевой уровень", использованной в блоке "схем (15) защиты", обнаруживаются моменты переходов через нулевой уровень тока индуктора (19), и в этот момент передается сигнал на контроллер (13) длительности выключенного состояния.

Ток индуктора (19) измеряется и преобразуется в сигнал напряжения низкого уровня блоком "трансформатора (16) тока". "Контроллер (14) мощности" получает входные сигналы пользователя, такие как заданный уровень мощности или температура посуды для готовки; и соответственно задает длительности включенного состояния для стробирующего импульса (540). Он также контролирует пиковый уровень (610) тока индуктора и температуру посуды (20) для готовки, чтобы регулировать уровень мощности и температуру посуды (20) для готовки. Кроме того, он контролирует выходы (570А, 570В, 590) предупреждающих сигналов и в определенном случае приостанавливает работу.

Блок "схем (15) защиты" предназначен для защиты системы от состояний перегрузки по току и от ошибочных стробирующих сигналов (520). Этот блок непрерывно контролирует напряжение V_CE коллектор-эмиттер биполярного транзистора с изолированным затвором и уровень (620) тока индуктора; и вынуждает блок (14) управления мощностью прекратить работу системы, когда возникает опасное состояние. Схема (17) обнаружения посуды для готовки осуществляет наблюдение за напряжением (500) линии постоянного тока силового каскада (10) и вынуждает блок (14) контроллера мощности остановить работу, если она обнаруживает неподходящую кухонную посуду.

На фиг.2 показана та же самая структурная схема на функциональном уровне, как и на фиг.1, для случая, когда в системе используется микропроцессор (18) для сообщения с пользователем, регулирования мощности и температуры посуды (20) для готовки и осуществления наблюдения за опасными состояниями.

Схема "силового каскада" (10) создает высокочастотное (около 20-25 кГц) электромагнитное поле для нагревания магнитной кухонной посуды (20). На фиг.3 показана детализированная принципиальная схема силового каскада (10). Силовая схема подключена к сети через "двухполупериодный выпрямитель" (24), D1, D2, D3 и D4. Выходное напряжение (500) двухполупериодного выпрямителя (24) подается на силовой каскад (10) с высокочастотного шунтирующего конденсатора С1. Напряжение на С1, V_C1 или V_DC, также называется напряжением (500) линии постоянного тока. Емкость С1 не является достаточно большой, чтобы сделать V_DC сглаженным сигналом постоянного тока; поэтому V_DC представляет собой множество полупериодов выпрямленного напряжения сети. Поскольку частота переключения (около 20 кГц) биполярного транзистора с изолированным затвором намного выше, чем частота сети (50 Гц), напряжение V_DC (500) линии постоянного тока можно считать постоянным в течение периода переключения (около 50 мкс).

Транзистор (биполярный транзистор с изолированным затвором) включается и выключается под действием импульсных сигналов (520) со схемы возбуждения, чтобы привести нагревательную катушку (19), L, и конденсатор C_RES, параллельный ей, в состояние резонанса. В соответствии с этим нагревательная катушка (19) создает магнитный поток, который обуславливает эффект электромагнитной индукции, вследствие которого возбуждается вихревой ток в магнитной кухонной посуде (20). Когда транзистор включается, ток I_Cres замкнутой цепи проходит через резонансный конденсатор и биполярный транзистор с изолированным затвором в течение очень короткого отрезка времени (в течение нескольких микросекунд). В течение остальной длительности включенного состояния ток I_L протекает через нагревательную катушку (19) и биполярный транзистор с изолированным затвором. Сумма этих двух токов представляет собой ток биполярного транзистора с изолированным затвором и отражена на фиг.4а. Уровень I_Cres зависит от уровня напряжения V_CE коллектор-эмиттер биполярного транзистора (510) с изолированным затвором в момент переключения во включенное состояние. Форма V_CE представлена на фиг.4b. Как можно видеть, транзистор включается в момент, когда коллекторное напряжение не равно нулю. Поэтому напряжение на резонансном конденсаторе вынуждено измениться, чтобы стать равным значению V_CE (510) в момент включения. Следовательно, может быть записано нижеследующее уравнение:

C_RESЧ_Cres/_fi=C_RESЧV_CE/_fi=I_Cres,

где t_fi, показанное на фиг.4b, определено как длительность спада V_CE (510) до нуля, то есть время переключения во включенное состояние. Кроме того, V_Cres представляет собой изменение напряжения на C_RES.

При увеличении длительностей включенного состояния мощность, отбираемая от питающей линии, также возрастает. Ток биполярного транзистора с изолированным затвором для случая высокой отдаваемой мощности представлен на фиг.5а. Поскольку V_CE (510) в момент включения равно 0 В, V_Cres также равно нулю. Поэтому, используя ранее приведенное уравнение, находим, что I_Cres должен быть равен нулю. Отсюда из фиг.5а очевидно, что через биполярный транзистор с изолированным затвором протекает только ток индуктора (19). Форма коллекторного напряжения (510) представлена на фиг.5b. Вследствие свойства резонансной цепи, V_CE стремится дойти до отрицательных значений, но встречно-включенный диод D_P предотвращает эти отрицательные циклы. Поэтому, когда D_P находится в проводящем состоянии, то, как показано на фиг.5b, V_CE ограничено на уровне 0 В.

Если предположить, что в течение 20 мс, которые соответствуют периоду входного сигнала (V_ac) переменного тока 50 Гц, соответствующие включенным состояниям и соответствующие выключенным состояниям длительности стробирующих импульсов (520) являются неизменными, а ток I_Cres является пренебрежимо малым, то можно принять, что средний ток биполярного транзистора с изолированным затвором, то есть входной ток, пропорционален напряжению (500) линии постоянного тока и, следовательно, V_ac. Вследствие этого система отбирает ток из сети при единичном коэффициенте мощности, то есть входной ток и V_ac находятся в фазе.

Цифровое устройство (18) является ответственным за пуск и прекращение работы силового каскада (10). Микропроцессор (18) запускает силовой каскад (10), когда на систему подано питание и от пользователя получены входные данные. Микропроцессор (18) приостанавливает работу, когда температура кухонной посуды (20) достигает значения, заранее заданного пользователем. Кроме того, он блокирует работу инвертора, когда обнаруживается неподходящая кухонная посуда, и наряду с этим повторно запускает систему. При получении сигнала (570А, 570В, 590) неисправности от аналоговых периферийных схем (15, 17) микропроцессор (18) обрабатывает этот сигнал и блокирует стробирующие сигналы (540) на протяжении определенного периода времени, после чего осуществляет повторный пуск по прошествии периода отключения.

Цифровое устройство (18) регулирует уровень мощности путем регулирования соответствующих включенным состояниям длительностей стробирующих импульсов (540); для регулирования уровня мощности не требуется работа в повторно-кратковременном режиме. При пуске варочная панель начинает нагреваться при минимальной мощности, что означает самые короткие соответствующие включенному состоянию стробирующие сигналы, а затем мощность повышается до тех пор, пока на будет достигнут уровень мощности, заданный пользователем. Мощность контролируется путем контроля пикового значения тока (610) индуктора; это значение непосредственно связано с выходной мощностью.

Алгоритм программы микропроцессора (18) будет описан с помощью блок-схемы алгоритма, показанной на фиг.6а и 6b. Когда на систему подано питание (100), микропроцессор (18) считывает входные данные пользователя, что показано подпрограммой 1 (110): ПОЛУЧЕНИЕ ВХОДНЫХ ДАННЫХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ, которая показана на фиг.7а. При выполнении подпрограммы 1 (110) микропроцессор (18) считывает переменные РЕЖИМ и УРОВЕНЬ (111), заданные пользователем с помощью панели пользователя, в силу необходимости не показанной на чертеже. РЕЖИМОМ может быть ТЕМПЕРАТУРА или МОЩНОСТЬ (112). Если им является ТЕМПЕРАТУРА, это означает, что индукционная варочная панель будет работать как система (114) с регулируемой температурой. Поэтому она будет работать при максимальной мощности, обозначенной как максимальная_мощность, до тех пор пока температура на достигнет значения, заданного пользователем, обозначенного как конечная_температура, которая равна переменной УРОВЕНЬ. Если РЕЖИМОМ является МОЩНОСТЬ (113), это означает, что варочная панель будет работать при мощности, заданной пользователем, которая равна переменной УРОВЕНЬ. Кроме того, работа будет приостановлена из соображений безопасности, если температура достигнет максимально допустимого значения, обозначенного как максимальная_температура. Максимальная_температура и максимальная_мощность являются постоянными параметрами системы и не могут быть изменены пользователем.

После получения входных данных пользователя текущий уровень мощности, уровень_мощности, при котором работает варочная панель, устанавливается на уровне минимальной_мощности (120). Длительности включенного состояния представляют собой заранее определенные значения, которые изменяются соответственно текущему уровню мощности. Каждый уровень мощности имеет свои, заранее определенные длительности (120) включенного состояния. Минимальная_мощность представляет собой постоянный параметр системы и не может быть изменена пользователем.

Длительности выключенного состояния зависят от резонансной частоты силового каскада (10), а именно от изменений нагрузки; поэтому они должны обновляться динамически. Во время пуска, чтобы определить длительности выключенного состояния, сначала формируется (130) один стробирующий импульс. "Стробирование" присуще модулированному по длительности (ШИМ) выходному сигналу микропроцессора. Первым параметром функции "стробирования" является соответствующая включенному состоянию длительность стробирующего сигнала (520), а вторым параметром является длительность выключенного состояния. Для формирования одного импульса заранее определенная длительность включенного состояния передается в качестве первого параметра, и достаточно большая длительность порядка 1 с (это значение не является обязательным, только предпочтительным) вводится (130) в качестве длительности выключенного состояния, так что на стробирующем выходе (520) микропроцессора (18) будет сформирован только один импульс.

После формирования одного стробирующего импульса вызывается подпрограмма 2: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ВЫКЛЮЧЕННОГО СОСТОЯНИЯ (140), показанная на фиг.7b. В этой подпрограмме в момент (141) выключения стробирующего сигнала (520) включается (142) таймер и отсчитывается (143) отрезок времени до начала среза импульса датчика переходов через нулевой уровень. Эта длительность сохраняется как длительность (144) выключенного состояния.

После определения длительностей стробирующего сигнала, соответствующих включенному и выключенному состояниям, стробирующие сигналы могут быть инициированы (150) путем использования функции "стробирование".

Через каждую 1 с входные данные пользователя контролируются, если пользователь сделал какое-либо обновление, и через каждые 100 мс (это значение не является обязательным, только предпочтительным) контролируется уровень (610) пикового тока индуктора; уровень_мощности обновляется, вследствие чего может быть достигнут конечный_уровень_мощности; и наконец, контролируется температура кухонной посуды (20). Для отсчитывания этих отрезков времени используются два таймера, таймер 1 и таймер 2. Эти таймеры включаются (160, 170) только после начала стробирующих импульсов (540). Когда напряжение линии постоянного тока достигает пикового значения, длительность выключенного состояния корректируется путем использования подпрограммы 2 (140), описанной выше. Эта операция повторяется в цикле каждые 10 мс (это значение не является обязательным, только предпочтительным).

Таким образом, имеются 3 вложенных цикла (каждый имеет свой таймер: таймер 1, таймер 2, таймер 3), которые непрерывно повторяются до тех пор, пока работа системы не прерывается. Огибающая значения (610) тока индуктора контролируется каждые 100 мс, если пиковое значение (610) тока не находится в пределах ±20% (это значение не является обязательным, только предпочтительным) ожидаемого значения, то работа приостанавливается (200) на 3 с, и вся процедура начинается сначала, в противном случае программное обеспечение продолжает свою работу (190).

Текущий уровень_мощности сравнивается с конечным_уровнем_мощности, который является уровнем мощности, заданным (190) пользователем. Если уровень_мощности больше, чем конечный_уровень_мощности, то уровень_мощности снижается (210). Если они равны, корректировка не осуществляется (220); в противном случае уровень_мощности повышается (230). Температура кухонной посуды (20) поступает от аналоговой периферийной схемы (21) и сохраняется в виде переменной ТЕМПЕРАТУРА. ТЕМПЕРАТУРА сравнивается со значением, с конечной_температурой, которая задана (240) пользователем. Если температура кухонной посуды (20) достигает заданного значения, работа системы приостанавливается на 10 с (это значение не является обязательным, только предпочтительным) и вся процедура возобновляется (250) сначала. В противном случае программное обеспечение продолжает (260) свою работу.

Самый короткий цикл заканчивается в момент пика сигнала (500) линии постоянного тока; этот момент наступает спустя 5 мс после того, как уровень выходного сигнала (580) детектора (23) переходов через нулевой уровень на 50 Гц станет высоким (если частоту сети принять равной 50 Гц). Если этот уровень выходного сигнала (580) не является высоким, то контролируются (280) выходные сигналы (570А, 570В) схем (15) защиты и выходной сигнал (590) схемы (17) обнаружения посуды для готовки. Если любой из них (570А, 570В, 590) является сигналом высокого уровня, это означает, что на варочной панели находится неподходящая кухонная посуда или возникла опасная ситуация, поэтому стробирующие сигналы (540) прерываются (200) на 3 с. По прошествии промежутка времени, равного 3 с, вся процедура начинается (100) повторно. Если они (570А, 570В, 590) не имеют высокого уровня, выходной сигнал (580) детектора (23) переходов через нулевой уровень на 50 Гц снова контролируется (260) циклически.

Когда уровень выходного сигнала (580) детектора (23) переходов через нулевой уровень на 50 Гц становится высоким, микропроцессор (18) сбрасывает "таймер 3", и начинается (270) отсчет 5 мс. После отсчитывания этого отрезка времени он (18) также контролирует выходные сигналы (570А, 570В) схем (15) защиты и выходной сигнал (590) схемы (17) обнаружения посуды для готовки. Если любой из них (570А, 570В, 590) имеет (320) высокий уровень, стробирующие сигналы (540) прерываются (200) на 3 с. В противном случае по прошествии (330) отрезка времени 5 мс контролируется таймер 3. Если это не осуществляется, то циклически (320) контролируются сигналы (570А, 570В, 590) предупреждения об опасности. Помимо этого корректируются соответствующие выключенному состоянию стробирующие импульсы (540) путем использования подпрограммы 2 (140) и соответственно корректируются (290) соответствующие выключенному состоянию стробирующие сигналы.

Затем, если длительности циклов чрезмерные (300, 310), контролируются таймеры. Если длительность превышает (310) 100 мс, то таймер 2 сбрасывается (170), и процедура, которая описана выше, повторяется. Если превышается (300) длительность 1 с, то путем использования подпрограммы 1 (110) с целью обновления контролируются входные данные пользователя и после этого таймер 1 сбрасывается (160), а цикл повторяется.

Блок (16) трансформатора тока преобразует ток индуктора (19) в значение напряжения, которое обозначено как уровень (620) тока индуктора. На фиг.8 показана принципиальная схема блока (16) трансформатора тока. На первичной стороне трансформатора имеется нагревательная катушка (19), а вторичной стороной является та, на которой преобразованное напряжение выделяется на резисторе R10. Выходное напряжение V_OUT трансформатора тока определяется коэффициентом трансформации 1:N как

V_OUT=R10ЧI_L/N,

где: I_L - ток, протекающий через нагревательную катушку (19).

Кроме того, посредством использования D10 и С10 пиковое значение V_OUT и в результате пиковое значение (610) тока индуктора запоминается и подается на микропроцессор (18).

Схемы (15) защиты и схема (17) обнаружения посуды для готовки предназначены для предотвращения неожиданных опасных состояний силовой схемы (10), возникающих, например, вследствие отказа микропроцессора (18).

Аналоговая схема (15) защиты контролирует уровень (620) тока индуктора и коллекторное напряжение (510) полупроводникового ключа. Когда уровень (620) тока индуктора превышает максимально допустимое значение (V_{опорное, ток}), уровень выходного сигнала компаратора 1 (СОМР1) становится высоким. Этим выходным сигналом включается биполярный транзистор Т3 (530); поэтому выход стробирующего сигнала (520) фиксируется в состоянии с низким уровнем, так что силовой инвертор (10) блокируется. Следовательно, силовая схема (10) и биполярный транзистор с изолированным затвором защищены от перегрузок по току. Кроме того, на микропроцессор (18) подается сигнал (570) неисправности, чтобы блокировать выходные стробирующие сигналы (540) цифровых схем (18). Точно так же, когда коллекторное напряжение (510) транзистора выше заданного значения (V_{опорное напряжение}), выход стробирующих сигналов (520) фиксируется в состоянии с низким уровнем посредством Т3 (530), так что ложные стробирующие сигналы, которые могут быть вызваны отказом микропроцессора, исключаются. Если стробирующий импульс (540) приходит в момент, когда уровень выходного сигнала компаратора 2 (СОМР2) является высоким, то этот стробирующий сигнал не может включить биполярный транзистор с изолированным затвором. Это потому, что коллекторным напряжением Т3 (530) стробирующие сигналы (520) уже приведены к состоянию с низким уровнем. Так что силовой каскад (10) и биполярный транзистор с изолированным затвором могут быть защищены. Но выходной сигнал (570В) элемента И (1) изменится до состояния с низким уровнем, указывая на опасное состояние. Поэтому формирование стробирующих импульсов (540) микропроцессором (18) прекратится.

Поскольку потери биполярного транзистора с изолированным затвором при выключении и в проводящем состоянии являются неизбежными, только потери при включении могут быть минимизированы. Для решения этой задачи необходимо проанализировать V_CE (510), поскольку оно является наиболее важным параметром, который влияет на величину потерь при включении. Как можно видеть из фиг.10а, после момента выключения транзистора возникают колебания V_CE (510) на резонансной частоте нагревательной катушки (19) и резонансного конденсатора C_RES. Поэтому при неизменных нагрузке, нагревательной катушке (19) и C_RES минимум V_CE (510) всегда наблюдается в один и тот же момент после выключения.

Длительность выключенного состояния является постоянной в течение половины периода переменного тока и непосредственно связана с резонансной частотой силового инвертора (10). Но вследствие изменений нагрузки резонансная частота может изменяться. Для компенсации этих изменений ток индуктора (19) контролируется посредством трансформатора (16) тока, который также используется для защиты от перегрузки по току. Теоретически минимум напряжения V_CE (510) существует при переходе через нулевой уровень тока индуктора (19). На фиг.11а и 11b показаны типичные формы тока индуктора (19) и V_CE (510), соответственно. Таким образом, путем осуществления наблюдения за уровнем (620) тока индуктора могут быть получены длительности выключенного состояния с обеспечением минимальных потерь энергии. Контролируемый уровень (620) тока индуктора инвертируется инвертирующим усилителем (22) и подается на микропроцессор в качестве выходного сигнала (560) детектора переходов через нулевой уровень. Контролируя этот сигнал, микропроцессор (18) корректирует (290) длительность соответствующих выключенному состоянию сигналов каждые 10 мс. Он (18) вычисляет время, прошедшее между моментом перехода стробирующего сигнала (140) в соответствующее выключению состояние и срезом выходного импульса (560) детектора (22) переходов через нулевой уровень. На фиг.11d показан выходной сигнал (560) детектора (22) переходов через нулевой уровень.

Система также включает в себя схему, называемую схемой (17) обнаружения посуды для готовки, предназначенную для обнаружения того, подходящая ли кухонная посуда (20) установлена на варочной панели. Схема (17) контролирует сигнал (500) напряжения линии постоянного тока. В соответствии с контролируемым сигналом посредством схемы (17) обнаружения посуды для готовки принимается решение о том, является или не является подходящей кухонная посуда (20) на варочной панели. Если подходящая кухонная посуда отсутствует, эта схема (17) посылает в микропроцессор (18) сигнал (590) неисправности, чтобы на заранее определенный промежуток времени блокировать работу силового инвертора (10).

Если подходящая посуда для готовки отсутствует на варочной панели, никакая энергия не будет передаваться от силового каскада (10) к кухонной посуде (20). Обнаружение присутствия посуды (20) для готовки основано на изменении формы напряжения (500) линии постоянного тока. На фиг.13а это напряжение (500) показано для случая, когда имеется подходящая посуда (20) для готовки. Для случая, когда нет подходящей посуды для готовки, форма (500) сигнала приобретает вид сигнала на фиг.14а. В силу того, что не происходит передачи энергии, когда нет подходящей посуды для готовки, энергия будет сохраняться в высокочастотном шунтирующем конденсаторе С1. Поэтому наличие посуды (20) для готовки можно выявить путем оценивания формы (500) этого сигнала.

Детектор (23) переходов через нулевой уровень на 50 Гц во время перехода через нулевой уровень сигнала (500) линии постоянного тока формирует сигнал (580) высокого уровня длительностью приблизительно 400 мкс. Этот выходной сигнал (580) также подается на микропроцессор (18) для обнаружения момента, соответствующего пику напряжения линии постоянного тока. Напряжение (500) линии постоянного тока контролируется с помощью резисторного делителя на инвертирующем входе компаратора 3 (СОМР3), показанного на фиг.12. Уровень на неинвертирующем входе, то есть опорное значение, составляет небольшую часть пикового значения напряжения (500) линии постоянного тока. Следовательно, когда напряжение (500) линии постоянного тока падает ниже определенного значения, то, как показано на фиг.13b, выходной сигнал (580) компаратора переходит в состояние высокого уровня.

Как видно на фиг.14b, в случае, когда нет подходящей кухонной посуды, переходы через нулевой уровень не происходят. Поэтому, когда нет подходящей посуды для готовки, детектор (23) переходов через нулевой уровень на 50 Гц не формирует выходной сигнал высокого уровня. Схема (17) обнаружения посуды для готовки осуществляет наблюдение за этими выходными сигналами и, если в течение отрезка времени, равного 400 мс, нет выходного сигнала (580) высокого уровня, формируемого детектором (23) переходов через нулевой уровень на 50 Гц, она посылает сигнал (590) блокировки на микропроцессор (18) для прекращения работы силового каскада (10). Спустя 3 с после прекращения работы она (17) вновь запускает систему для обнаружения того, не поместил ли пользователь подходящую посуду (20) для готовки на варочную панель. Затем в течение 400 мс она осуществляет наблюдение за выходными сигналами (580) детектора (23) переходов через нулевой уровень на 50 Гц и блокирует систему или оставляет ее в режиме ожидания в соответствии с уровнем этого сигнала, то есть до появления кухонной посуды (20).

Выходной сигнал (580) детектора (23) переходов через нулевой уровень на 50 Гц подается на вход элемента НЕ-И (А) на фиг.13. Выходным сигналом элемента НЕ-И (А) заряжается конденсатор С23, и, если его входной сигнал низкого уровня, это означает, что переходы через нулевой уровень не происходят. Время, затрачиваемое на заряд С23 до значения, при котором на выходе элемента НЕ-И (В) устанавливается состояние с низким уровнем, составляет приблизительно 400 мс. Если переход через нулевой уровень не происходит, С23 заряжается до порогового значения, выходной сигнал элемента НЕ-И (В) становится низкого уровня, а выходной сигнал (590) элемента НЕ-И (С) становится высокого уровня, и он поступает на микропроцессор (18).

На фиг.15 показана принципиальная схема блока (21) преобразователя температуры в напряжение. Термистор с отрицательным температурным коэффициентом (ОТК) помещен под варочной поверхностью варочной панели, и он реагирует на температуру кухонной посуды (20). Термистор с отрицательным температурным коэффициентом и R11 образуют резисторный делитель, и напряжение узла (600) изменяется, когда изменяется температура. Поэтому путем наблюдения за напряжением узла (600) микропроцессор может получать данные о температуре кухонной посуды (20).

В состав изобретения входит возбудитель (11) затвора с одним каскадным выходом, предназначенным для непосредственного возбуждения биполярного транзистора с изолированным затвором. Этот блок необходим, поскольку стробирующие импульсы (540) микропроцессора (18) изменяются от 0 до 5 В, а для получения лучшей характеристики в случае биполярного транзистора с изолированным затвором необходимо иметь от 0 до 15 В. Когда соответствующий включенному состоянию стробирующий сигнал (540) поступает с микропроцессора (18), нижний транзистор Т1 закрывается, а верхний транзистор Т2 открывается. Поэтому на затвор биполярного транзистора с изолированным затвором через узел (520) и верхний транзистор Т2 будет поступать сигнал 15 В. Когда соответствующий выключенному состоянию стробирующий сигнал (540) поступает с микропроцессора (18), нижний транзистор Т1 открывается, а верхний транзистор Т2 закрывается. Поэтому затвор биполярного транзистора с изолированным затвором будет заземлен через узел (520) и нижний транзистор Т1. Через узел (530) выход возбудителя затвора может быть заземлен схемами (15) защиты независимо от сигнала, поступающего с микропроцессора (18). Этим предотвращается выход из строя мощного транзистора ложными стробирующими сигналами (540), обусловленными отказом микропроцессора.

Изобретение относится к индукционному устройству для тепловой обработки продуктов, предназначенному для использования в качестве бытового прибора. Индукционная система для тепловой обработки продуктов включает в себя силовой инвертор, микропроцессор, схему защиты и схему обнаружения посуды для готовки. Управление мощностью, синхронизация и контроль цепей силового инвертора осуществляются в основном микропроцессором. Для защиты системы от опасных состояний, таких как перегрузка по току и несоответствующие стробирующие сигналы, которые могут быть результатом отказа микропроцессора, предусмотрена дополнительная аналоговая схема защиты. Техническим результатом является уменьшение недостатков цифровой системы, например случайных программных ошибок и выходных сигналов, обусловленных флуктуациями мощности. Предусмотрена еще одна схема для обнаружения наличия подходящей кухонной посуды. 6 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Индукционное устройство для тепловой обработки продуктов, содержащее схему (10) силового инвертора, получающую от сети ток по существу с единичным коэффициентом мощности, поступающий на индукционную нагревательную катушку (19), которая создает высокочастотное магнитное поле, индуцирующее съемную или несъемную магнитную кухонную посуду (20), резонансный конденсатор (C_res), параллельный нагревательной катушке (19), биполярный транзистор с изолированным затвором в качестве переключающего элемента, подключенный последовательно к параллельному контуру из нагревательной катушки (19) и резонансного конденсатора (C_res) и силовой диод (D_P), включенный встречно-параллельно биполярному транзистору с изолированным затвором; микропроцессор (18), получающий с панели пользователя заданную температуру кухонной посуды или заданный уровень мощности устройства для тепловой обработки продуктов, управляющий мощностью, передаваемой к кухонной посуде (20), путем регулирования соответствующей включенному состоянию длительности стробирующих импульсов (520, 540) путем возбуждения биполярного транзистора с изолированным затвором через возбудитель (11) затвора, управляющий температурой кухонной посуды (20) путем прерывания работы системы, когда температура кухонной посуды (20) достигает заданного значения и данные о температуре поступают из блока (21) преобразования температуры в напряжение, или путем повторного пуска системы после ожидания в течение заранее установленного отрезка времени после того, как она была прервана, регулирующий соответствующие выключенным состояниям длительности стробирующих импульсов путем наблюдения за моментами переходов через нулевой уровень тока, протекающего через нагревательную катушку, с помощью детекторного средства (22) переходов через нулевой уровень и прерывающий работу схемы (10) силового инвертора на заранее установленный отрезок времени, когда принимается предупреждающий сигнал (570А, 570В, 590) со схемы (17) обнаружения посуды для готовки или с блока (15) схем защиты; схему (17) обнаружения посуды для готовки, включенную между микропроцессором (18) и схемой (10) силового инвертора (10), и обнаруживающую, подходящая ли кухонная посуда (20) помещена на варочную панель, путем контролирования напряжения (500) линии постоянного тока и содержащую детекторное средство (23) переходов через нулевой уровень на 50 Гц для обнаружения переходов через нулевой уровень сигнала входного напряжения (V_ac) переменного тока; блок аналоговых схем (15) защиты, включенный между микропроцессором (18), возбудителем (11) затвора, и схемой (10) силового инвертора, защищающий схему (10) силового инвертора от перегрузок по току путем контролирования тока, протекающего через нагревательную катушку (19) посредством блока (16) трансформатора тока, и в то же самое время от несоответствующих стробирующих сигналов путем контролирования коллекторного напряжения биполярного транзистора (510) с изолированным затвором и стробирующих сигналов (540).2. Индукционное устройство по п.1, в котором микропроцессор (18) в режиме мощности получает входной сигнал мощности с панели пользователя, сопоставляет заданную температуру кухонной посуды (20) с заранее установленным значением максимально допустимой температуры кухонной посуды (20) и осуществляет работу схемы (10) силового инвертора при выбранном входном сигнале мощности; в режиме температуры получает входной сигнал температуры с панели пользователя, осуществляет работу схемы (10) силового инвертора при максимальном уровне мощности, останавливает работу системы, когда температура кухонной посуды (20) достигает заданного значения и осуществляет повторный пуск после ожидания в течение заранее установленного отрезка времени.3. Индукционное устройство по п.1, в котором микропроцессор (18) осуществляет пуск схемы (10) силового инвертора при минимальном уровне мощности устройства для тепловой обработки продуктов, сравнивает текущий уровень мощности с уровнем мощности, который пользователь ввел с помощью панели пользователя, увеличивает или уменьшает текущий уровень мощности до уравнивания обоих уровней; формирует стробирующие импульсы (540), которые имеют соответствующие включенным состояниям длительности, соответствующие уровню мощности в этот момент; сравнивает пиковый уровень (610) тока индуктора с ожидаемым значением и приостанавливает систему на 3 с, если он не находится в пределах ±20% ожидаемого значения.4. Индукционное устройство по п.1, в котором микропроцессор (18) осуществляет наблюдение за первым выходным сигналом (580) детектора (23) переходов через нулевой уровень на 50 Гц и выжидает в течение 5 мс в случае, когда выходной сигнал (580) становится высоким; вычисляет время, прошедшее между моментом переключения в соответствующее выключенному состоянию токового стробирующего импульса (540) и моментом, когда выходной сигнал (560) детектора (22) переходов через нулевой уровень изменяется от высокого до низкого; использует это вычисленное время в качестве соответствующей выключенному состоянию длительности стробирующих сигналов (540) до следующего вычисления.5. Индукционное устройство по п.1, в котором микропроцессор (18) осуществляет наблюдение за выходным сигналом (590) схемы (17) обнаружения посуды для готовки и выходным сигналом (570А, 570В) блока (15) схем защиты; приостанавливает стробирующие сигналы (540) на 3 с и повторно запускает систему после окончания этого отрезка времени, если любой из этих выходных сигналов (570А, 570В, 590) является высоким.6. Индукционное устройство по п.1, в котором схема (17) обнаружения посуды для готовки содержит детекторное средство (23) переходов через нулевой уровень на 50 Гц, сравнивающее напряжение (500) линии постоянного тока с опорным значением посредством компаратора 3 (СОМР3) и формирующее выходной сигнал (580) высокого уровня, если напряжение (500) линии постоянного тока ниже этого опорного значения, или выходной сигнал (580) низкого уровня в противном случае; осуществляет наблюдение за инверсией этого выходного сигнала (580) с помощью элемента НЕ-И (А); заряжает конденсатор (С23) выходным сигналом элемента НЕ-И (А) через R56 (с постоянной времени R56×C23), если выходной сигнал (580) детектора (23) переходов через нулевой уровень на 50 Гц является низким, разряжает его через (R55//R56) (с постоянной времени (R55//R56)×C23) в противном случае; посылает сигнал высокого уровня на микропроцессор (18), если С23 заряжается до значения выше входного порогового значения НЕ-И (В), низкого уровня в противном случае; заряжает конденсатор (С22) выходным сигналом НЕ-И (С) через R59 и R52 (с постоянной времени (R52+R59)×C22), если выходной сигнал (590) схемы (17) обнаружения посуды для готовки является высоким, разряжает его через R59 (с постоянной времени R59×C22) в противном случае; разряжает С23 через R58 путем установки выходного сигнала компаратора 4 (СОМР4) на низкий уровень, если С22 заряжается выше заранее установленного опорного значения на отрезке времени, определяемом постоянной времени ((R52+R59)×C22), разряд не осуществляется в противном случае; сбрасывает выходной сигнал НЕ-И (С) в состояние с низким уровнем, когда С23 разряжается ниже входного порогового значения НЕ-И (В).7. Индукционное устройство по п.1, в котором блок (15) схем защиты содержит детекторное средство (22) переходов через нулевой уровень, инвертирующее уровень (620) тока индуктора, получаемый из блока (16) трансформатора тока, и посылающее указанный уровень на микропроцессор (18) в качестве выходного сигнала (560); содержит компаратор 1 (COMP1), сравнивающий указанный уровень (620) тока индуктора с опорным значением (V_{опорное, ток}), которое соответствует максимально допустимому значению тока, посылающий сигнал (570) высокого уровня на микропроцессор (18), если указанный уровень (620) тока индуктора выше (V_{опорное, ток}), или сигнал (570) низкого уровня в противном случае; включает биполярный плоскостной транзистор (Т3) и приводит стробирующие сигналы (520) к низкому уровню с помощью узла 530, если выходной сигнал компаратора 1 (COMP1) является высоким, или не воздействует на стробирующие импульсы в противном случае; содержит компаратор 2 (СОМР2), сравнивающий коллекторное напряжение биполярного транзистора (510) с изолированным затвором с опорным значением, которое соответствует максимально допустимому значению (510) коллекторного напряжения до включения биполярного транзистора с изолированным затвором, и формирующий выходной сигнал высокого уровня, если коллекторное напряжение (510) выше опорного, или сигнал низкого уровня в противном случае; посылает сигнал (570) высокого уровня на микропроцессор (18), если выходной сигнал компаратора 2 (СОМР2) является высоким и в то же самое время выходной стробирующий сигнал (540) является высоким, или сигнал низкого уровня в противном случае; включает биполярный плоскостной транзистор (Т3) и приводит стробирующие сигналы (520) к низкому уровню с помощью узла 530, если выходной сигнал компаратора 2 (СОМР2) является высоким, или не воздействует на стробирующие импульсы в противном случае.