BRPI0904996A2 - método para controlar o sistema de aquecimento por indução de um dispositivo de cozimento - Google Patents

Abstract

MéTODO PARA CONTROLAR O SISTEMA DE AQUECIMENTO POR INDUçãO DE UM DISPOSITIVO DE COZIMENTO. A presente invenção refere-se a um método para controlar um sistema de aquecimento por indução de um dispositivo de cozimento fornecido com uma bobina de indução, para controlar particularmente em conexão com uma condição de funcionamento predeterminada, que compreende medir o valor de pelo menos um parâmetro elétrico do sistema de aquecimento por indução, alimentar um modelo de computação com sinais de frequência de comutação real, a fim de estimar uma temperatura indicativa do estado térmico do sistema de aquecimento e fornecer um valor estimado do dito parâmetro elétrico, e comparar o parâmetro elétrico medido com aquele estimado e ajustar o modelo de computação com base em tal comparação.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA CONTROLAR O SISTEMA DE AQUECIMENTO POR INDUÇÃO DE UM DISPOSITIVO DE COZIMENTO".

A presente invenção refere-se a um método para controlar umsistema de aquecimento por indução de um fogão fornecido com uma bobinade indução, particularmente para controlar em conexão com uma condiçãode funcionamento predeterminada.

Mais especificamente, a invenção refere-se a um método paraestimar a temperatura de um utensílio de cozimento colocado no fogão e atemperatura do alimento contido no mesmo, bem como a massa alimentícia.

Com o termo "sistema de aquecimento" entende-se somente abobina de indução, o circuito de acionamento da mesma e a placa de cerâ-mica vítrea ou similar, em que o utensílio de cozimento é colocado, mastambém o utensílio de cozimento propriamente dito, o conteúdo de alimentodo mesmo e qualquer elemento do sistema. Na verdade, nos sistemas deaquecimento por indução é quase impossível fazer uma distinção entre oelemento de aquecimento, em um lado, e o utensílio de cozimento, no outrolado, desde que o utensílio de cozimento propriamente dito seja uma parteativa do processo de aquecimento.

A necessidade crescente de desempenho de fogões em prepa-ração de alimentos é refletida na maneira que a tecnologia está mudando afim de satisfazer as exigências do consumidor.

As soluções técnicas relacionadas com a avaliação do derivadode temperatura de utensílio de cozimento ou "pote" são conhecidas da EP-A-1732357 e EP-A-1420613, mas nenhuma descreve uma estimativa quanti-tativa da temperatura do pote.

Informações sobre algoritmos referentes à estimativa de estado(Recursive Least Square, Filter Kalman, Extended Kalman Filter [EKF], etc.)estão disponíveis em literatura científica; nenhuma delas se refere a umaaplicação industrial focalizada em dispositivos de cozimento por indução.

É um objetivo da presente invenção fornecer um método de a-cordo com o qual a temperatura do pote/ou do alimento contido no mesmopode ser avaliada em uma maneira segura, particularmente com referência auma condição de aquecimento em que a temperatura tem que ser mantidasubstancialmente constante (condução de ebulição ou similar).

De acordo com a invenção, o objetivo acima é alcançado graçasaos aspectos listados nas reivindicações anexas.

O método de controle de acordo com a presente invenção é u-sado para estimar a temperatura do pote, panela ou chapa (no seguinte indi-cado simplesmente como "pote"), usado no fogão de indução, o estado ter-modinâmico do alimento dentro do pote (massa e temperatura/entalpia, en-tropia/energia interna/etc.) e a temperatura da bobina de indução pelo co-nhecimento de uma freqüência de comutação do sistema de aquecimentopor indução e de pelo menos outro parâmetro elétrico medido do sistema deaquecimento por indução.

Em geral, a segurança de estimativa (grosseiramente tal segu-rança poderia ser assumida como uma função da diferença entre o valor reale o valor estimado) fica cada vez melhor quando o número de medições elé-tricas disponíveis aumenta.

De acordo com a invenção, nenhuma restrição é imposta namaneira em que a(s) frequência(s) de comutação, na qual a(s) medição(ões)elétrica é(são) obtida(s), é(são) escolhida(s). A temperatura de pote estima-da pode ser usada, por exemplo, para monitorar ou controlar a dita tempera-tura. A temperatura de alimento estimada pode ser usada, por exemplo, paramonitorar ou controlar a dita temperatura ou fase de cozimento (como detec-ção de ebulição, controle de ebulição, particularmente no caso em que o a-limento é água ou tipos de líquido similares). A massa alimentícia estimadapoderia ser usada, por exemplo, para monitorar ou controlar a fase de cozi-mento. A temperatura de bobina estimada poderia ser usada, por exemplo,para evitar danos devido ao superaquecimento. Os parâmetros de um circui-to elétrico simplificado equivalente que descreve o comportamento do pro-cesso são úteis para estimar a temperatura do pote, para detectar uma faltade correspondência dinâmica, e a qualidade do pote também.

Outro objetivo da presente invenção é fornecer um método quenão somente permite avaliar a temperatura do pote ou do alimento contidono mesmo (e eventualmente sua massa), mas também que seja capaz decompensar diferentes fatores de ruído. Alguns fatores de ruído que podemafetar a estimativa são, por exemplo, a temperatura de pote/alimento inicial emassa de alimento inicial, a flutuação de voltagem da rede elétrica, as tole-râncias/desvios dos componentes, o uso de potes diferentes e os movimen-tos possíveis do pote a partir de sua posição original.

Aspectos adicionais e vantagens de acordo com a presente in-venção tornar-se-ão mais claros a partir da descrição detalhada seguintecom referência aos desenhos anexos em que:

a figura 1 é uma vista esquemática de um fogão de indução;

a figura 2 é um esboço mostrando como funciona o modelo deacordo com a invenção;

a figura 3 é uma vista esquemática de um circuito elétrico de ummodelo equivalente possível;

a figura 4 mostra uma da implementação possível do método deacordo com a invenção;

a figura 5 mostra um diagrama comparando os valores real eestimado da resistência equivalente do circuito primário;

a figura 6 é uma figura similar à figura 5 e se refere a uma com-paração entre os valores de temperatura real e estimado do pote;

a figura 7 é similar à figura 5 e mostra a comparação com e semcompensação de voltagem; e

a figura 8 é similar à figura 6 e mostra a comparação com e semcompensação de voltagem.

Com referência à figura 2, o método compreende uma (ou mais)medição elétrica de um parâmetro elétrico, um modelo matemático que for-nece pelo menos uma estimativa da medição(ões) elétrica e uma ou maistemperaturas como uma função da freqüência de comutação, e qualquer tipode algoritmo que ajusta on-line o modelo matemático em função da diferençaentre parâmetros elétricos estimada e medida

O ajuste on-line do modelo representa uma maneira de compensara incerteza do estado inicial - isto é, se o modelo é baseado emequações diferenciais, o estado inicial da solução é exigido, mas poderia serdesconhecido;

erros de medição - medições são normalmente afetadas por ruídos;

incertezas de modelo - isto é, cada modelo é uma representaçãosimplificada da realidade e assim é sempre afetado por "incertezas de modelo".

A capacidade em compensar as incertezas e erros acima vemde um modelo baseado na abordagem que combina o modelo e o ajuste domesmo por um retrocesso na diferença entre predição e medidas. Muitosalgoritmos estão disponíveis na literatura para solucionar estes tipos de pro-blemas (Recursive Least Square, Kalman Filter, Extended Kalman Filter[EKF]) e, portanto nenhuma descrição detalhada destes é necessária aqui.

Como o efeito da temperatura do pote é usualmente apreciávelsomente em um pequeno subconjunto dos parâmetros de modelo, o ajusteon-line do algoritmo pode ser dividido em duas etapas. Na primeira etapa,parte dos parâmetros de modelo (eventualmente todos ou nenhum deles)são ajustados com base em um primeiro conjunto de dados; na segundaetapa somente o subconjunto de parâmetros de modelo que são afetadospor variações de temperatura, são ajustados com base nos dados coletadosdurante a fase de cozimento.

Para aperfeiçoar os desempenhos deste método, a primeira eta-pa do ajuste on-line pode ser repetida durante o processo de cozimentosempre que uma modificação no processo é detectada (por exemplo, quan-do um falta de correspondência de pote e detectada), fornecendo assim aoportunidade de compensar ruídos detectáveis.

Como uma conseqüência da abordagem descrita acima, umaimplementação possível do método de acordo com a invenção é como segue.

Exemplo

- a corrente que circula na bobina de indução (i) é medida;- o modelo matemático simplificado descrito pelas equações di-ferenciais seguintes (Eq.1) e mostrado na figura 3 é usado;

- a fim de completar o método proposto neste exemplo, o Exten-ded Kalman Filter é usado como algoritmo de ajuste on-line.

O modelo proposto neste exemplo é descrito pelas equaçõesdiferenciais seguintes (Eq.1), na qual o sufixo "p" representa o circuito primá-rio (isto é, a bobina de indução, e os capacitores) e o sufixo "s" representa ocircuito secundário (isto é, o pote de metal). Estas equações são um exem-plo da relação entre a voltagem de entrada, a corrente no circuito primário ea corrente no circuito secundário:

<formula>formula see original document page 6</formula>

onde:

- C -> capacitância equivalente do circuito primário;

- Rp resistência equivalente do circuito primário;

- Lp -> autoindutância equivalente do circuito do circuito primário;

- Ls autoindutância equivalente do circuito do circuito secundário;

- M indutância mútua equivalente;

- Rs resistência equivalente do circuito secundário;

- Vin -> voltagem de entrada do circuito primário;

- ip corrente circulante no circuito primário;

- is -> corrente circulante no circuito secundário;

- R0-> resistência equivalente do circuito primário quando

<formula>formula see original document page 6</formula>

- Tpote Temperatura do fundo do pote;

- T0 Temperatura de referência

- a -> Parâmetro adimensionalO modelo fornece uma estimativa de diferentes variáveis elétri-cas de interesse (neste caso ip,is), pelo menos uma das quais deve sermensurável (ip), e a estimativa da temperatura do pote (Tpote), e usa a fre-qüência de comutação /. Para a estimativa on-line dos parâmetros de mo-delo é possível tirar vantagem das medidas que estão normalmente disponí-veis no dispositivo. Por simplicidade, no resto da descrição da invenção seráassumido ter a medida da raiz quadrada media da corrente que circula nabobina (ip); no entanto, um processo análogo pode ser usado tendo diferen-tes medidas elétricas ou diferentes pontos de medição.

Como um resultado, o esboço geral mostrado na figura 2 podeser modificado como na figura 4, onde o elemento "K" representa a MatrizKalman.

Neste modelo, a temperatura do pote está afetando somente oparâmetro Rs; portanto o ajuste on-line do algoritmo neste caso pode serdividido em duas etapas:

parte dos parâmetros de modelo - C,Rp,Lp,Ls,M e Rs- (even-tualmente todos ou nenhum deles) são ajustados com base em um primeiroconjunto de dados;

somente o subconjunto de parâmetros de modelo que são afeta-dos por variações de temperatura -Rs - é ajustado com base nos dados co-letados durante a fase de cozimento.

Teoricamente, os parâmetros C, Rp e Lp devem ser conheci-dos pelo fabricante, mas as tolerâncias/desvios dos componentes e a impre-cisão do modelo exigem normalmente uma estimativa on-line destes parâ-metros junto com M, Ls e Rs. No entanto, se o erro resultante é tolerado,alguém poderia pular a primeira parte do ajuste on-line assumindo que todosos parâmetros são conhecidos.

No presente exemplo, na primeira etapa do ajuste on-line, todosos parâmetros de modelo foram otimizados usando um algoritmo de buscade linha com base em seis aquisições em seis freqüências diferentes. Nasegunda etapa do ajuste on-line, o parâmetro foi sintonizado com um filtroKalman usando a corrente adquirida a uma freqüência conhecida que podemudar eventualmente durante o processo de cozimento.

Embora os parâmetros otimizados sejam diferentes daquelesreais (conforme figura 5), como pode ser visto na figura 6, a temperatura dopote é estimada corretamente. Neste caso particular, o modelo não é capazde compensar o erro de temperatura de estado inicial, mas o uso de um mo-delo mais sofisticado, que leva em conta também a dinâmica térmica do ali-mento, pode fazer este tipo de compensação.

Os resultados do exemplo prévio podem ser aperfeiçoados in-troduzindo a medição de voltagem.

Em um exemplo adicional, os desvios de voltagem de entrada de230 V rms no começo da simulação para 232,3 V rms (1% em 100) no fimenquanto todos os outros parâmetros de simulação são iguais àqueles doexemplo prévio. Como mostrado na figura 7 e figura 8, em que os resultadosobtidos sem e com o uso da informação de voltagem são comparados, avariação de voltagem pode ser compensada somente se esta informaçãoestá disponível.

Como está claro, a partir da descrição acima, a presente inven-ção pode ser usada para aperfeiçoar os desempenhos de um fogão de indu-ção, para fornecer mais informação sobre o estado da fase de cozimento epermitir novos aspectos de produto. Em particular os principais benefícios são:

- a temperatura de pote estimada pode ser usada, por exemplo,para monitorar e controlar a dita temperatura;

- a temperatura de alimento estimada pode ser usada, por e-xemplo, para monitorar ou controlar a dita temperatura ou fase de cozimento(como detecção de ebulição ou controle de ebulição no caso do "alimento"ser "água" ou tipo similar de líquidos);

- conhecendo o tipo de alimento, o modelo de computação é ca-paz de detectar uma condição de funcionamento ótimo predeterminado, porexemplo, a temperatura ótima para a reação de Maillard (se o alimento écarne ou similar);

- a massa de alimento estimado pode ser usado, por exemplo,para monitorar ou controlar a fase de cozimento;

- a temperatura de bobina estimada pode ser usada, por exem-plo, para impedir danos devido ao superaquecimento; e

- os parâmetros de um circuito elétrico equivalente simplificadoque descreve o comportamento do processo são úteis para estimar a tempe-ratura do pote, detectar uma falta de correspondência dinâmica e a qualida-de do pote.

Mesmo se o método de controle de acordo com a presente in-venção é primariamente para aplicações em fogões ou similares, pode serusado em fornos de indução também.

Claims (10)

1. Método para controlar um sistema de aquecimento por indu-ção de um dispositivo de cozimento fornecido com uma bobina de indução,para controlar particularmente em conexão com uma condição de funciona-mento predeterminada, caracterizado pelo fato de que compreende medir ovalor de pelo menos um parâmetro elétrico do sistema de aquecimento porindução, alimentar um modelo de computação com sinais de freqüência decomutação real, a fim de estimar uma temperatura indicativa do estado tér-mico do sistema de aquecimento e fornecer um valor estimado do dito parâ-metro elétrico, comparar o parâmetro elétrico medido com aquele estimado eajustar o modelo de computação com base em tal comparação.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que a tempera-tura estimada está relacionada com a temperatura de um utensílio de cozi-mento associado ao sistema de aquecimento por indução.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que a tempera-tura estimada está relacionada com a temperatura do conteúdo de um uten-sílio de cozimento colocado no sistema de aquecimento por indução.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, em que o alimentoé água ou líquido similar, em que a condição de funcionamento predetermi-nada é uma condição de ebulição.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que conhecen-do o tipo de alimento, o modelo de computação é capaz de detectar umacondição de funcionamento predeterminada.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações pre-cedentes, em que o dito parâmetro elétrico é a corrente que circula no circui-to primário do sistema de aquecimento por indução.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, em que um segun-do parâmetro elétrico é a voltagem de entrada do circuito primário.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações pre-cedentes, em que compreende uma primeira etapa na qual o modelo decomputação é alimentado com um conjunto de parâmetros elétricos prede-terminados e uma segunda etapa na qual o modelo de computação é ali-mentado somente com os parâmetros elétricos medidos que são afetadospelas variações de temperatura.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações pre-cedentes, em que o modelo de computação é baseado nas equações dife-renciais seguintes: <formula>formula see original document page 11</formula> onde:- C capacitância equivalente do circuito primário;- Rp -> resistência equivalente do circuito primário;- L0 autoindutância equivalente do circuito do circuito primário;- Ls autoindutância equivalente do circuito do circuito secundário;- M -> indutância mútua equivalente;- Rs -> resistência equivalente do circuito secundário;- Vin -> voltagem de entrada do circuito primário;- ip -> corrente circulante no circuito primário;- is corrente circulante no circuito secundário;- R0-> resistência equivalente do circuito primário quando Tnnt=Tn- Tpote Temperatura do fundo do pote;- T0 Temperatura de referência- α Parâmetro adimensional

10. Dispositivo de cozimento, compreendendo um sistema deaquecimento por indução com uma bobina de indução e um circuito de con-trole, caracterizado pelo fato de que o circuito de controle compreende ummodelo de computação adaptado para ser alimentado com sinais de fre-quência de comutação real e fornecer uma temperatura estimada indicativado estado térmico do sistema de aquecimento por indução e um valor esti-mado de pelo menos um parâmetro elétrico do sistema de aquecimento porindução, o circuito de controle sendo adaptado para comparar tal parâmetroestimado com um real medido, o resultado de tal comparação sendo adap-tado para ser usado pelo circuito de controle para ajustar o modelo de com-putação.