[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Garen von Gargut in einem Kombinationsgargerät
mit einem Lüfterrad und einer Halbleiter-Mikrowelleneinheit zum Erzeugen von Mikrowellen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Kombinationsgargerät zum Garen von Gargut.
[0002] Aus dem Stand der Technik sind Gargeräte bekannt, die neben konventionellen Energiequellen
wie einer Heißluftvorrichtung und einer Dampferzeugungsvorrichtung zusätzlich noch
eine Mikrowelleneinheit aufweisen, über die Energie in ein im Garraum des Gargeräts
befindliches Gargut eingebracht werden kann, um das Gargut zu garen. Derartige Gargeräte
werden auch als Kombinationsgargeräte bezeichnet, da diese Gargeräte mehrere unterschiedliche
Energiequellen miteinander kombinieren. Die Kombinationsgargeräte werden typischerweise
in Profiküchen eingesetzt, beispielsweise in Kantinen oder in der Gastronomie.
[0003] Die Kombinationsgargeräte werden in zwei Klassen eingeteilt, die sich durch die Art
der Mikrowelleneinheit unterscheiden. In der ersten Klasse, die den traditionellen
Weg darstellt, werden Magnetrons als Mikrowelleneinheiten eingesetzt. Anstelle der
Magnetrons können aber auch sogenannte Halbleiter-Mikrowelleneinheiten verwendet werden,
die auch als SSC-Hardware ("Solid State Cooking"-Hardware) bezeichnet werden. Insofern
ersetzen die Halbleiterbauteile die traditionell verwendeten Magnetrons, um die Mikrowellen
zu erzeugen.
[0004] Die Kombinationsgargeräte weisen unabhängig von ihrem jeweiligen Typ ein Lüfterrad
auf, welches sich während des Betriebs des Gargeräts dreht, um das im Garraum vorliegende
Garraumklima zu verwirbeln, sodass der gewünschte Energieeintrag durch Heißluft und/oder
Dampf in das Gargut erfolgt. Das drehende Lüfterrad hat jedoch einen starken Einfluss
auf das von der Mikrowelleneinheit erzeugte Mikrowellenfeld im Garraum, da dieses
ebenfalls entsprechend verwirbelt wird. Das Lüfterrad fungiert nämlich als Modenmischer.
[0005] Während die Kombinationsgargeräte der ersten Klasse, die das Magnetron als Mikrowelleneinheit
aufweisen, das sich drehende Lüfterrad positiv nutzen können, um ebenfalls einen gleichmäßigen
Energieeintrag durch die Mikrowellen zu realisieren, hat das drehende Lüfterrad bei
den Kombinationsgargeräten des zweiten Typs, also mit Halbleiter-Mikrowelleneinheit,
einen störenden Einfluss. Dies liegt daran, dass die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
im Gegensatz zum Magnetron, welches sich immer im optimalen Arbeitspunkt befindet,
nur verzögert auf das sich ändernde Mikrowellenfeld reagieren kann, da zunächst ein
geeigneter Arbeitspunkt ermittelt werden muss.
[0006] Das im Garraum vorliegende Mikrowellenfeld ändert sich mit der Geschwindigkeit des
Lüfterrads, wodurch entsprechend schnelle Änderungen auftreten, denen die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
nicht ohne weiteres folgen kann. Demnach kann diese nicht mehr im optimalen Arbeitspunkt
arbeiten, was die Effizienz entsprechend reduziert. Ein großer Teil der eingespeisten
Leistung wird daher direkt wieder aus dem Garraum reflektiert und von der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
absorbiert, was im schlimmsten Fall zu einer derart großen Reflexion führt, dass die
Halbleiter-Mikrowelleneinheit aus Sicherheitsgründen abgeschaltet wird.
[0007] Aus diesem Grund ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass bei Kombinationsgargeräten,
die eine Halbleiter-Mikrowelleneinheit aufweisen, das Lüfterrad abgeschirmt ist, um
so den Einfluss des Lüfterrads auf das Mikrowellenfeld im Garraum zu minimieren. Das
Mikrowellenfeld im Garraum ändert sich durch das drehende Lüfterrad nicht oder nur
unwesentlich, da die Schirmung einen Einfluss des sich drehenden Lüfterrads abschirmt.
Dennoch auftretende Veränderungen des Mikrowellenfelds gehen demnach nicht auf die
Drehung des Lüfterrads zurück, sondern ausschließlich auf andere Gründe, beispielsweise
die Ausdehnung des Innenkastens und/oder Veränderungen des Garguts aufgrund der zunehmenden
Temperatur im Garraum. Dies sind jedoch im Vergleich zur Drehung des Lüfterrads langsame
Prozesse, auf die die Halbleiter-Mikrowelleneinheit mit Algorithmen reagieren kann,
da die Halbleiter-Mikrowelleneinheiten hierzu entsprechend ausgelegt sind, um den
langsamen Änderungen zu folgen.
[0008] Aufgrund der Schirmung ist jedoch die Fertigung des Kombinationsgargeräts sowie dessen
Wartung komplizierter, was mehr Aufwand erfordert. Beispielsweise muss die Schirmung
mit einem Innenkasten des Gargeräts, der den Garraum begrenzt, elektrisch kontaktiert
sein. Die Schirmung hat jedoch auch einen Einfluss auf den Betrieb des Gargeräts,
insbesondere die Heißluftleistung des Gargeräts, da die Schirmung die Gleichmäßigkeit
bzw. die Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst.
[0009] Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Betrieb des Kombinationsgargeräts
sowie ein verbessertes Kombinationsgargerät bereitzustellen, wobei ein gleichzeitiger
Betrieb der Halbleiter-Mikrowelleneinheit und des Lüfterrads ohne die zuvor genannten
Nachteile möglich ist.
[0010] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Garen von Gargut
in einem Kombinationsgargerät mit einem Lüfterrad und einer Halbleiter-Mikrowelleneinheit
zum Erzeugen von Mikrowellen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Ermitteln einer Winkelstellung des Lüfterrads,
- Auswählen eines Anregungsvektors für die Halbleiter-Mikrowelleneinheit basierend auf
der ermittelten Winkelstellung aus einem Satz von unterschiedlichen Anregungsvektoren,
wobei der Anregungsvektor zumindest Ansteuerungsparameter für die Phase der zu erzeugenden
Mikrowellen umfasst, und
- Betreiben der Halbleiter-Mikrowelleneinheit mit dem ausgewählten Anregungsvektor.
[0011] Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Kombinationsgargerät zum
Garen von Gargut, mit einem Lüfterrad, einer Steuer- und Auswerteeinheit und einer
Halbleiter-Mikrowelleneinheit. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist eingerichtet, eine
vorliegende Winkelstellung des Lüfterrads zu ermitteln. Die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
ist eingerichtet, in mehreren unterschiedlichen Operationsmodi betrieben zu werden.
Die Steuer- und Auswerteeinheit ist ferner eingerichtet, die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
basierend auf der ermittelten Winkelstellung derart anzusteuern, dass sich die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
basierend auf der ermittelten Winkelstellung in einem ausgewählten Operationsmodus
befindet.
[0012] Der Grundgedanke der Erfindung ist es, dass aufgrund der ermittelten Winkelstellung
des Lüfterrads eine der Winkelstellung des Lüfterrads entsprechende Ansteuerung der
Halbleiter-Mikrowelleneinheit erfolgt, sodass zum Beispiel ein auf die Winkelstellung
des Lüfterrads angepasstes Mikrowellenfeld durch die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
erzeugt werden kann, wodurch die Halbleiter-Mikrowelleneinheit im optimalen Arbeitspunkt
betrieben werden kann. Mit anderen Worten wird das sich drehende Lüfterrad während
des Betriebs des Lüfterrads in zahlreiche einzelne Momentaufnahmen unterteilt, die
mit der Winkelstellung des Lüfterrads zusammenhängen. Für jede dieser Einzelaufnahmen
kann ein entsprechender Anregungsvektor für die Halbleiter-Mikrowelleneinheit bereitgestellt
werden. Der entsprechende Anregungsvektor kann ausgewählt werden, um die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
der vorliegenden Einzelaufnahme des Lüfterrads anzusteuern, also der jeweiligen Winkelstellung
des Lüfterrads.
[0013] Hierdurch kann das Gargut gleichmäßiger gegart bzw. erwärmt werden, da die Mikrowellen
an die jeweilige Winkelstellung des Lüfterrads angepasst erzeugt werden. Gleichzeitig
ist es nicht notwendig, dass das Lüfterrad abgeschirmt werden muss, wodurch sich der
Energieeintrag mittels der zumindest einen konventionellen Energiequelle entsprechend
verbessert, also mittels der Heißluft- und/oder Dampfvorrichtung. Dies wird möglich,
da die Halbleiter-Mikrowelleneinheit winkelabhängig angesteuert wird, nämlich in Abhängigkeit
der Winkelstellung des Lüfterrads. Die unterschiedlichen Anregungsvektoren, die zur
Auswahl stehen, sind demnach winkelabhängig, da sie von der Winkelstellung des Lüfterrads
abhängen. Die winkelabhängigen Anregungsvektoren sind dabei in einer Reihenfolge im
Satz der Anregungsvektoren vorgegeben, da jeder Anregungsvektor einem Winkelsegment
der Umdrehung des Lüfterrads zugeordnet ist, die zwangsläufig aufeinander folgen,
da das Lüfterrad nicht sprunghaft die Winkelstellung verändern kann. Unter einem Winkelsegment
ist ein Winkelbereich zu verstehen, beispielsweise einer Verdrehung des Lüfterrads
um 10°, um 3° oder um 0,9°.
[0014] Grundsätzlich umfasst die Halbleiter-Mikrowelleneinheit ein Ansteuerungsmodul sowie
wenigstens ein Leistungsmodul, insbesondere mehrere Leistungsmodule. Auf dem Ansteuerungsmodul
sind entsprechende Algorithmen hinterlegt, die je nach ausgewähltem Garprogramm bzw.
durchzuführendem Garprozess gewählt werden, um einen Energieeintrag mittels Mikrowellen
breitzustellen. Die auf dem Ansteuerungsmodul hinterlegten Algorithmen dienen dazu,
eine grundsätzliche Einstellung der Halbleiter-Mikrowelleneinheit in Abhängigkeit
des gewählten Garprogramms bzw. des Garprozesses vorzunehmen, wobei die Algorithmen
auf sich langsam verändernde Bedingungen reagieren, die durch die Erwärmung des Garraums
und/oder des Garguts bedingt sind. Das sich drehende Lüfterrad stellt dagegen eine
schnelle Veränderung dar, die zudem periodisch erfolgt, welche nicht über die Algorithmen
im Ansteuerungsmodul abgebildet werden können.
[0015] Das Ansteuerungsmodul steuert das zumindest ein Leistungsmodul an, wobei die entsprechende
Ansteuerung winkelabhängig erfolgt, also in Abhängigkeit der erfassten Winkelstellung
des Lüfterrads. Über die winkelabhängige Ansteuerung des zumindest einen Leistungsmoduls
ist sichergestellt, dass die schnellen Veränderungen kompensiert werden können, die
aufgrund des sich drehenden Lüfterrads auftreten.
[0016] Die Steuer- und Auswerteeinheit des Kombigargeräts lässt sich durch das Ansteuerungsmodul
bereitstellen.
[0017] Die Anregungsvektoren können neben dem Ansteuerungsparameter für die Phase zusätzlich
noch Ansteuerungsparameter für Amplitude, Pulsweite, Anregungshäufigkeit und/oder
Frequenz der zu erzeugenden Mikrowellen umfassen. Demnach steuert das Ansteuerungsmodul
in Abhängigkeit der erfassten Winkelstellung die Phase, die Amplitude, die Pulsweite,
die Anregungshäufigkeit und/oder die Frequenz der Mikrowellen.
[0018] Grundsätzlich ist vorgesehen, dass ein Anregungsvektor aufgrund der ermittelten Winkelstellung
des Lüfterrads einem definierten Zeitschlitz der Periodendauer des Lüfterrads bei
dessen Drehung zugeordnet ist, wobei der Zeitschlitz einer Dauer entspricht, die das
Lüfterrad benötigt, um das entsprechende Winkelsegment zurückzulegen. Insofern hängt
der Zeitschlitz von der Periodendauer bzw. der Geschwindigkeit des Lüfterrads und
der Anzahl der Segmente ab. Der Anregungsvektor wird für den Zeitschlitz der Periodendauer
angewendet.
[0019] Die Erfindung nutzt für die Ansteuerung der Halbleiter-Mikrowelleneinheit aus, dass
das Drehen des Lüfterrads ein zyklischer Prozess ist, sodass für die unterschiedlichen
Winkelpositionen jeweils abgestimmte Anregungsvektoren verwendet werden können, die
den optimalen Arbeitspunkt der Halbleiter-Mikrowelleneinheit bei der jeweiligen Winkelstellung
des Lüfterrads gewährleisten.
[0020] Der optimale Arbeitspunkt hängt dabei vom gewünschten Zweck ab. Insofern kann der
optimale Arbeitspunkt ein Arbeitspunkt sein, der hinsichtlich des Energieeintrags
optimal ist, also bei dem die Halbleiter-Mikrowelleneinheit den größten Energieeintrag
hat. Auch kann der Arbeitspunkt bezüglich der Effizienz optimal sein, sodass dort
die größte Effizienz an dem Arbeitspunkt gewährleistet ist. Die Effizienz ist dabei
frequenzabhängig. Ebenso kann der optimale Arbeitspunkt bezüglich der Gleichmäßigkeit
gewählt sein, sodass sogenannte "Sweetspots" vermieden werden. Hierfür können gezielt
unterschiedliche Frequenzen angeregt werden, wodurch eben gerade ein "Sweetspot" vermieden
wird.
[0021] Die Halbleiter-Mikrowelleneinheit weist zudem unterschiedliche Operationsmodi auf,
die in Abhängigkeit des Betriebsmodus des Kombinationsgargerätes ausgewählt werden
können, wobei zusätzlich eine Auswahl basierend auf der ermittelten Winkelstellung
des Lüfterrads erfolgt, sodass eine winkelabhängige Ansteuerung der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
erfolgt.
[0022] Die gesamte Drehung des Lüfterrads lässt sich in mehrere Winkelsegmente unterteilen,
wobei jedem dieser Winkelsegmente ein entsprechender Operationsmodus der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
zugeordnet werden kann. Insofern ist es möglich, dass die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
während einer Drehung des Lüfterrads mehrere unterschiedliche Operationsmodi aufweist,
um ein effizientes Garen des Garguts zu ermöglichen.
[0023] Ein Aspekt sieht vor, dass der Satz der unterschiedlichen Anregungsvektoren eine
vollständige Umdrehung des Lüfterrads abdeckt, die in mehrere Winkelsegmente unterteilt
wird. Dementsprechend ist eine Periodendauer des Lüfterrads, also die Zeit, die das
Lüfterrad benötigt, um eine vollständige Drehung durchzuführen, in mehrere Zeitbereiche
unterteilt, die auch als Zeitschlitze bezeichnet werden. Jedem dieser Zeitschlitze
ist ein eindeutiger Anregungsvektor aus dem Satz der unterschiedlichen Anregungsvektoren
zugeordnet. Insofern ist sichergestellt, dass für jedes Winkelsegment ein Anregungsvektor
zur Verfügung steht, der dem Betrieb der Halbleiter-Mikrowelleneinheit im optimalen
Arbeitspunkt gewährleistet.
[0024] Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass der ausgewählte Anregungsvektor für ein definiertes
Winkelsegment des sich drehenden Lüfterrads konstant ist, wobei das Winkelsegment
kleiner als 360° ist, insbesondere kleiner also 10°, vorzugsweise kleiner als 1°.
Eine vollständige Drehung des Lüfterrads wird in unterschiedliche Winkelsegmente unterteilt,
die gleich groß oder unterschiedlich groß sein können. Jedem der verschiedenen Winkelsegmente
ist dabei ein entsprechender Anregungsvektor zugeordnet, der über das entsprechende
Winkelsegment konstant ist. Sofern das Winkelsegment also einen Bereich von 10° abdeckt,
ist sichergestellt, dass der Anregungsvektor, der Halbleiter-Mikrowelleneinheit während
der Dauer der Drehung des Lüfterrads, die für den Winkelbereich von 10° benötigt wird,
konstant gehalten ist.
[0025] Die Winkelstellung des Lüfterrads kann mittels eines Drehgebers gemessen, basierend
auf einer Drehzahl des Lüfterrads und einem Bezugsimpuls berechnet oder aus Messungen
von Streuparametern bei einer festen Frequenz über die Dauer einer Umdrehung des Lüfterrads
abgeleitet werden. Insofern stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, um die
jeweilige Winkelstellung des Lüfterrads zu ermitteln. Der Drehgeber, welcher auch
als Winkelgeber bezeichnet werden kann, ist dabei in einem Antrieb des Lüfterrads
integriert oder an einer Antriebswelle des Lüfterrads vorgesehen, die das Lüfterrad
antreibt. Der Drehgeber kann ein Drehgebersignal bereitstellen, aus dem die Drehrichtung
des Lüfterrads, der Umlauf einer vollen Umdrehung des Lüfterrads und/oder einzelne
Winkelschritte direkt abgeleitet werden können. Das entsprechende Signal des Drehgebers,
also das Drehgebersignal, wird beispielsweise von der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
verarbeitet, um den entsprechenden Operationsmodus auszuwählen, insbesondere den jeweiligen
Anregungsvektor.
[0026] Es liegt somit eine Koppelung zwischen der Halbleiter-Mikrowelleneinheit und dem
Drehgeber vor, der eine Echtzeit-Ansteuerung der Halbleiter-Mikrowelleneinheit gewährleistet.
[0027] Beispielsweise stellt das Drehgebersignal eine Vielzahl von Impulsen pro Umdrehung
des Lüfterrads bereit, die in eine geringere Zahl von Pulsen zusammengefasst werden,
wodurch die Auflösung entsprechend verringert wird. Hierdurch ergibt sich eine vereinfachte
Ansteuerung der Halbleiter-Mikrowelleneinheit. Beispielsweise stellt das Trägersignal
4096 Impulse bereit, die in 400 Pulse pro Umdrehung des Lüfterrads umgesetzt werden,
sodass eine volle Umdrehung des Lüfterrads in 400 Winkelsegmente unterteilt wird,
denen entsprechend 400 unterschiedliche Anregungsvektoren zugeordnet sind. Mit anderen
Worten umfasst der Satz von unterschiedlichen Anregungsvektoren demnach 400 unterschiedliche
Anregungsvektoren, sodass ein Winkelsegment kleiner als 1° ist, nämlich 0,9°.
[0028] Alternativ kann die jeweilige Winkelstellung über die Drehzahl des Lüfterrads, die
dem Kombinationsgargerät, insbesondere der Steuer- und Auswerteeinheit, bekannt ist,
da das Kombinationsgargerät das Lüfterrad entsprechend ansteuert, sowie einem Bezugsimpuls
berechnet werden.
[0029] Es kann eine absolute Winkelangabe ermittelt werden, wobei eine relative Winkelangabe
für die Ansteuerung der Halbleiter-Mikrowelleneinheit ausreichend ist.
[0030] Alternativ lässt sich die Winkelstellung des Lüfterrads aus Messungen von Streuparametern
(S-Parametern) ableiten, wobei dies eine Schätzung darstellt. Die zur Berechnung der
Streuparameter verwendeten Wellen müssen hierbei bei einer fixen Frequenz über die
Dauer einer gesamten Umdrehung des Lüfterrads gemessen und anschließend analysiert
werden, also die vorwärtslaufenden Wellen (ausgesandten Wellen) und die rückwärtslaufenden
Wellen (reflektierten Wellen). Im Zeitbereich sieht man in den Streuparametern eindeutige
bzw. markante Stellen, die mit Winkelstellungen des Lüfterrads einhergehen, sodass
aus deren Periodizität die Drehgeschwindigkeit und der Winkel abgeleitet werden können.
Mittels der erfassten Streuparameter können dann die für die jeweilige Winkelstellung
besten Anregungsvektoren ausgewählt werden.
[0031] Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Drehrichtung des Lüfterrads ermittelt wird,
wobei die ermittelte Drehrichtung des Lüfterrads eine Reihenfolge der Anregungsvektoren
des Satzes der unterschiedlichen Anregungsvektoren bestimmt. Insofern sind die Anregungsvektoren
eines Satzes in einer definierten Reihenfolge vorgesehen, sodass die Anregungsvektoren
des Satzes nacheinander abgearbeitet werden. Dies erfolgt basierend auf einem Taktsignal,
welches von der ermittelten Winkelstellung des Lüfterrads abhängt. Sofern während
des Betriebs des Lüfterrads eine Drehrichtungsänderung vorgenommen wird, beispielsweise
in einem reversiblen Betrieb des Lüfterrads, ändert sich entsprechend auch die Reihenfolge
der Anregungsvektoren. Mit der Drehrichtungsänderung des Lüfterrads ändert sich somit
auch die Abarbeitungsrichtung des Satzes der Anregungsvektoren.
[0032] Mit anderen Worten sind die Anregungsvektoren fortlaufend indiziert, wobei bei einer
Linksdrehung des Lüfterrads die Anregungsvektoren entsprechend steigender Indizes
verwendet wird. Sollte eine Rechtsdrehung des Lüfterrads nach einer Drehrichtungsänderung
vorliegen, so werden die Anregungsvektoren mit sinkenden Indizes verwendet.
[0033] Grundsätzlich kann das Drehgebersignal aus zwei Triggersignalen bestehen, mit denen
die Drehrichtung des Lüfterrads entsprechend ermittelt werden kann. Je nachdem, ob
das erste Triggerrsignal vor dem zweiten Triggersignal erfasst wird, lässt sich hierüber
die entsprechende Drehrichtung des Lüfterrads ermitteln.
[0034] Der Drehgeber kann als ein Inkrementalgeber ausgebildet sein.
[0035] Gemäß einem weiteren Aspekt werden die Anregungsvektoren berechnet oder aufgrund
einer Regelung aktualisiert. Insofern kann auf langsame Veränderungen, beispielsweise
aufgrund der Aufwärmung eines Innenkastens des Kombinationsgargeräts bzw. des Erwärmens
des Garguts reagiert werden, wodurch die vorgesehenen Anregungsvektoren neu berechnet
bzw. mittels der Regelung (Regelalgorithmus) aktualisiert werden. Hierdurch ist sichergestellt,
dass ein stabiler Betrieb der Halbleiter-Mikrowelleneinheit gegeben ist.
[0036] Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass der Satz von unterschiedlichen Anregungsvektoren
aus mehreren unterschiedlichen Sätzen von unterschiedlichen Anregungsvektoren ausgewählt
wird. Die unterschiedlichen Sätze können sich dabei in lediglich einem Anregungsvektor
voneinander unterscheiden, also einem unterschiedlich angesteuerten Winkelsegment
während der Drehung des Lüfterrads. Grundsätzlich können die unterschiedlichen Anregungsvektoren
für ein Winkelsegment, insbesondere die unterschiedlichen Sätze von Anregungsvektoren,
vorgesehen sein, um eine erhöhte Diversität sicherzustellen, was zu einer gleichmäßigeren
Erwärmung des Garguts führt. Hierbei kann zwischen den einzelnen Umdrehungen des Lüfterrads
zwischen den Sätzen gewechselt werden, beispielsweise alternierend.
[0037] Ferner kann die Anzahl der Anregungsvektoren bei den unterschiedlichen Sätzen verschieden
sein, sodass beispielsweise bei einem ersten Satz 400 Anregungsvektoren vorgesehen
sind, wohingegen bei einem zweiten Satz lediglich 200 Anregungsvektoren vorgesehen
sind.
[0038] Die unterschiedlichen Sätze können auch auf eine Beschleunigung bzw. ein Bremsen
des Lüfterrads und die damit einhergehende Veränderung der Drehgeschwindigkeit des
Lüfterrads reagieren. Beispielsweise wird beim Stillstand des Lüfterrads oder kurz
vor dem Stillstand des Lüfterrads ein Satz mit weniger Anregungsvektoren verwendet.
Typischerweise verändert sich jedoch die Länge der Zeitschlitze beim Beschleunigen
bzw. Abbremsen, sodass diese entsprechend gestaucht oder gestreckt werden. Die absolute
Anzahl der Zeitschlitze bleibt jedoch konstant.
[0039] Grundsätzlich sind die unterschiedlichen Sätze vorgesehen, um auf die langsamen Änderungen
zu reagieren, die über die Algorithmen entsprechend berechnet bzw. bestimmt werden.
[0040] Das Auswählen des jeweiligen Satzes kann auch als Aktualisierung der Anregungsvektoren
bzw. Update der Änderungsvektoren bezeichnet werden.
[0041] Ferner kann eine erneute Auswahl des entsprechenden Satzes aus den mehreren unterschiedlichen
Sätzen aufgrund einer vorbestimmten Zeit, einer Änderung einer dielektrischen Eigenschaft
in einem Garraum des Kombinationsgargeräts und/oder kontinuierlich erfolgen. Hiermit
kann auf die langsamen Änderungen im Garraum reagiert werden, sodass die winkelabhängigen
Anregungsvektoren, insbesondere die entsprechenden Sätze, aktualisiert werden. Die
entsprechende Aktualisierung der Anregungsvektoren kann mittels drei unterschiedlicher
Mechanismen erfolgen.
[0042] Sofern die Aktualisierung nach einer bestimmten Zeit, beispielsweise 30 Sekunden,
erfolgt, ergibt sich eine starre Aktualisierung der Anregungsvektoren, die an ein
ablaufendes Garprogramm gekoppelt sein kann. Hierbei kann jedoch nicht auf Veränderungen
reagiert werden, die außerhalb dessen liegen, was zu Beginn angenommen wurde. Um auf
eine solche Veränderung reagieren zu können, kann daher eine Änderung der dielektrischen
Eigenschaft im Garraum des Kombinationsgargeräts berücksichtigt werden, sodass ein
entsprechendes Monitoring erfolgt. Beispielsweise wird hierzu auch auf eine Änderung
der Streuparameter abgestellt, wobei eine Änderung der Anregungsvektoren dann benötigt
wird, sofern die Änderung einen Schwellenwert überschreitet.
[0043] Auch wenn die reflektierte Leistung in einem Zeitschlitz deutlich über dem erwarteten
Wert liegt, insbesondere einen Schwellwert überschreitet, kann für diesen Zeitschlitz
eine Aktualisierung angefragt werden. Beispielsweise werden die eingebrachte und reflektierte
Leistung wird bei jeder Anwendung des Anregungsvektors, d.h. bei jeder Umdrehung,
gemessen und an die Steuer- und Auswerteeinheit übermittelt.
[0044] Wie vorstehend erläutert, kann die Aktualisierung auch nur auf einzelne Winkelsegmente
beschränkt sein, also auf einzelne Anregungsvektoren. Ebenso kann eine kontinuierliche
Aktualisierung erfolgen, wobei die entsprechenden Winkelsegmente des Lüfterrads kontinuierlich
neu vermessen werden, also in einem Messoperationsmodus der Halbleiter-Mikrowelleneinheit.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass lediglich ein Winkelsegment neu vermessen wird,
um die von der Halbleiter-Mikrowelleneinheit eingebrachte Energie nicht zu stark zu
reduzieren. Insbesondere wird eine geringe Anzahl an Winkelsegmenten neu vermessen.
[0045] Ein Aspekt sieht vor, dass die mehreren unterschiedlichen Operationsmodi der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
einen Leerlaufoperationsmodus, einen Messoperationsmodus sowie einen Heizoperationsmodus
umfassen.
[0046] Im Heizoperationsmodus wird die Halbleiter-Mikrowelleneinheit derart betrieben, dass
mittels der Anregungsvektoren ein Mikrowellenfeld zum Erwärmen des Garguts erzeugt
wird.
[0047] Im Messoperationsmodus werden über die Halbleiter-Mikrowelleneinheit dagegen Mikrowellen
in den Garraum eingespeist, um beispielsweise eine Streuparameter-Messung durchzuführen.
Die Streuparameter-Messung kann verwendet werden, um die Anregungsvektoren zu berechnen,
die für den Heizoperationsmodus verwendet werden sollen. Ebenso kann im Messoperationsmodus
festgestellt werden, ob eine Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Garraums
erfolgt ist, beispielsweise aufgrund einer Veränderung der Eigenschaften des Garguts
bzw. einer Neubeschickung des Garraums.
[0048] Auch kann eine Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Garraums aufgrund
einer Veränderung des Resonanzverhaltens eines Sensors festgestellt werden, beispielsweise
aufgrund einer Veränderung des Resonanzverhaltens eines Temperatursensors, insbesondere
eines Kerntemperaturfühlers.
[0049] Im Leerlaufoperationsmodus wird die Halbleiter-Mikrowelleneinheit nicht angesteuert,
sodass keine Energie von der Halbleiter-Mikrowelleneinheit in den Garraum eingespeist
wird. Ebenso werden im Leerlaufoperationsmodus keine Mikrowellen in den Garraum eingespeist,
die zum Abtasten bzw. Sensieren dienen.
[0050] Wie vorstehend erläutert, kann die Halbleiter-Mikrowelleneinheit die unterschiedlichen
Operationsmodi während einer Umdrehung des Lüfterrads aufweisen, sodass beispielsweise
in einem ersten Zeitschlitz bzw. einem ersten Winkelsegment die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
in einem Messoperationsmodus betrieben wird, wobei die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
in einem anschließenden Zeitschlitz bzw. anschließenden Winkelsegment in einem Heizoperationsmodus
betrieben wird. Dies kann insbesondere von der gewünschten Leistung der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
abhängen. Beispielsweise werden bei einer Leistungsanforderung von 75% entsprechend
75% der zur Verfügung stehenden Winkelsegmente für das Erwärmen des Garguts (Heizoperationsmodus)
verwendet, wohingegen die verbleibenden 25% der zur Verfügung stehenden Winkelsegmente
für den Messoperationsmodus verwendet werden. Die entsprechende Zuordnung der Operationsmodi
an die zu Verfügung stehenden Winkelsegmente erfolgt dabei dynamisch, insbesondere
in Abhängigkeit der Leistungsanforderung.
[0051] Insofern kann die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet sein, die Operationsmodi
der Halbleiter-Mikrowelleneinheit innerhalb einer vollständigen Umdrehung des Lüfterrads
zu variieren und/oder die Operationsmodi für dasselbe Winkelsegment zweier aufeinander
folgender Umdrehungen des Lüfterrads zu variieren. Hierdurch ist eine entsprechend
effiziente Leistungsregelung der Halbleiter-Mikrowelleneinheit implementiert, da die
Allokation der Winkelsegmente entsprechend der gewünschten Leistung erfolgt. Zum Beispiel
kann ein bestimmtes Winkelsegment in einer bestimmten Anzahl der vorhandenen Sätze
der Anregungsvektoren aktiv sein, wohingegen das bestimmte Winkelsegment für andere
Sätze nicht aktiv ist.
[0052] Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Halbleiter-Mikrowelleneinheit ein Ansteuerungsmodul
sowie mehrere Leistungsmodule umfasst, die jeweils mit dem Ansteuerungsmodul in Kommunikationsverbindung
stehen. Jedem Leistungsmodul ist ein Satz von unterschiedlichen Anregungsvektoren
zugeordnet. Das Ansteuerungsmodul ist eingerichtet, den Leistungsmodulen eine gemeinsame
Frequenzreferenz vorzugeben und die Leistungsmodule mittels eines von der erfassten
Winkelstellung abhängigen Taktsignals anzusteuern, um einen Anregungsvektor aus dem
Satz der unterschiedlichen Anregungsvektoren auszuwählen.
[0053] Dies betrifft den Heizoperationsmodus der Halbleiter-Mikrowelleneinheit, bei dem
das Ansteuerungsmodul der Halbleiter-Mikrowelleneinheit die Leistungsmodule ansteuert,
um die ausgewählten Anregungsvektoren zur Erzeugung der Mikrowellen vorzusehen. Die
erfasste Winkelstellung des Lüfterrads wird dabei ausgenutzt, um das Taktsignal zu
erzeugen, mittels dem das Ansteuerungsmodul die einzelnen Leistungsmodule ansteuert.
Insofern ergibt sich eine taktweise Weiterschaltung der Anregungsvektoren des Satzes
der unterschiedlichen Anregungsvektoren beim jeweiligen Leistungsmodul. Mit anderen
Worten wird die Reihenfolge der Anregungsvektoren taktweise abgearbeitet, nämlich
in der Reaktion auf das Taktsignal. Das Taktsignal hängt dabei von der Geschwindigkeit
des Lüfterrads ab, sodass das Taktsignal angepasst bzw. skaliert wird, wenn das Lüfterrad
schneller oder langsamer dreht.
[0054] Die Leistungsmodule können jeweils wenigstens einen Sensor aufweisen, der eingerichtet
ist, vorwärtslaufende und/oder rückwärtslaufende Wellen zu erfassen. Hierzu kann ein
entsprechender Richtkoppler vorgesehen sein, um die vorwärtslaufenden Wellen und die
rückwärtslaufenden Wellen auszukoppeln. Hierbei lassen sich entsprechende Streuparameter
erfassen, insbesondere winkelabhängig, d.h. abhängig von der Winkelstellung des Lüfterrads.
[0055] Grundsätzlich kann jedes Leistungsmodul innerhalb eines jeden Winkelsegments ein
Mikrowellensignal aussenden, wobei die weiteren Leistungsmodule der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
das entsprechend reflektierte Signal empfangen. Die Frequenzen, bei denen das sendende
Leistungsmodul sendet, ist über das Ansteuerungsmodul eingestellt bzw. vorgegeben,
sodass die eingestellte Frequenz für das gesamte Winkelsegment gilt. Das anschließende
Winkelsegment, bei dem ebenfalls eine entsprechende Streuparameter-Messung erfolgen
kann, kann dabei schon eine andere Frequenz aufweisen.
[0056] Auch ist es möglich, dass mehrere Frequenzen nacheinander in einem Winkelsegment
vermessen werden. Dies ist insbesondere bei kleinen Drehzahlen des Lüfterrads möglich.
[0057] Während des jeweiligen Winkelsegments wird die vorwärtslaufende Welle des sendenden
Leistungsmoduls gemessen sowie die rückwärtslaufende Welle an allen weiteren Leistungsmodulen
gemessen. Hierüber lassen sich die Streuparameter entsprechend berechnen, nämlich
aus dem Verhältnis von rücklaufenden zu vorlaufenden Wellen. Die erhaltenen Daten,
die die Streuparameter beschreiben, können an das Ansteuerungsmodul weitergeleitet
werden, was basierend auf den Streuparametern die vorhandenen Anregungsvektoren berechnet
bzw. aktualisiert. Ebenso kann eine im Garraum vorhandene dielektrische Last bzw.
deren Veränderung entsprechend sensiert werden, sodass ein virtueller Sensor geschaffen
ist.
[0058] Sofern ein Winkelsegment für mehrere unterschiedliche Frequenzen gemessen werden
soll, muss dieses Winkelsegment in aufeinanderfolgenden bzw. mehreren Umdrehungen
des Lüfterrads durchgeführt werden. Sofern beispielsweise 100 verschiedene Frequenzpunkte
für dasselbe Winkelsegment gemessen werden sollen, sind hierfür 100 Umdrehungen des
Lüfterrads notwendig, um die entsprechenden Daten zu erhalten.
[0059] Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine Interpolation bzw. Extrapolation der erhaltenen
Messdaten entlang der Frequenzachse oder entlang der Zeitachse durchgeführt wird,
wodurch die benötigte Messzeit reduziert werden kann, um die gewünschte Auflösung
hinsichtlich der Frequenz zu erhalten. Beispielsweise wird nur bei jedem zweiten Zeitschlitz
eine Frequenz gemessen, wobei dazwischen interpoliert wird.
[0060] Wie bereits erläutert ist es bei langsamen Drehzahlen oder dem Stillstand des Lüfterrads
auch möglich, mehrere Frequenzen in einem Winkelsegment bzw. hintereinander zu vermessen.
[0061] Vom Ansteuerungsmodul der Halbleiter-Mikrowelleneinheit werden die jeweiligen Algorithmen
asynchron zum Taktsignal ausgeführt. Sofern ein Heizoperationsmodus oder ein Messoperationsmodus
ausgeführt werden soll, z.B. aufgrund eines Rezepts oder der Ansteuerung durch die
Steuer- und Auswerteeinheit des Kombinationsgargeräts, werden entsprechende Ansteuerungsbefehle
für ausgewählte Winkelsegmente an die Leistungsmodule gesendet und eine entsprechende
Frequenzreferenz bereitgestellt, die die für das Winkelsegment entsprechende Frequenz
einstellt. Wenn das entsprechende Winkelsegment nächstmalig auftritt, also beispielsweise
bei der nächsten Umdrehung des Lüfterrads, wird der entsprechende Ansteuerungsbefehl
ausgeführt, beispielsweise der entsprechende Anregungsvektor im Heizoperationsmodus.
[0062] Die Halbleiter-Mikrowelleneinheit kann modular aufgebaut sein, sodass die Anzahl
der Leistungsmodule variabel verändert werden kann. Insbesondere lassen sich nachträglich
weitere Leistungsmodule in die Halbleiter-Mikrowelleneinheit integrieren, die mit
dem Ansteuerungsmodul gekoppelt werden und von diesem angesteuert werden.
[0063] Das Leistungsmodul kann wenigstens einen Leistungsverstärker, einen Zirkulator und/oder
einen Richtkoppler umfassen. Über den Richtkoppler kann das Leistungsmodul mit einem
Auswerteteil des Ansteuerungsmoduls, insbesondere der Steuer- und Auswerteeinheit
gekoppelt sein, sodass die entsprechend ausgekoppelten Wellen zur Verfügung gestellt
werden.
[0064] Grundsätzlich kann eine reflektierte Leistung während des Heizbetriebs überwacht
werden. Insofern kann erfasst werden, ob die reflektierte Leistung über einen erwarteten
Wert bzw. über einen Grenzwert in dem Winkelsegment steigt. Sollte dies der Fall sein,
so wird eine neue Messung der Streuparameter getriggert, wodurch eine Aktualisierung
des Anregungsvektors erfolgt.
[0065] Nachdem die Winkelstellung des Lüfterrads ermittelt worden ist, kann der Streuparameter
in der Winkelstellung gemessen werden, um daraus den Anregungsvektor zu berechnen.
Alternativ kann zunächst ein vordefinierter Anregungsvektor verwendet werden.
[0066] Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen
zeigen:
- Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kombinationsgargeräts,
- Figur 2 eine Darstellung, die eine Segmentierung einer Periodendauer des Lüfterrads
beispielhaft darstellt,
- Figur 3 eine schematische Darstellung einer Halbleiter-Mikrowelleneinheit, die beim
erfindungsgemäßen Kombinationsgargerät verwendet wird,
- Figur 4 ein Leistungsmodul der Halbleiter-Mikrowelleneinheit gemäß Figur 3,
- Figur 5 eine Übersicht der von einem Anregungsvektor umfassten Ansteuerungsparameter,
- Figur 6 eine Übersicht, die den Messoperationsmodus der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
verdeutlicht,
- Figur 7 eine Übersicht, die den Heizoperationsmodus der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
verdeutlicht,
- Figur 8 eine Darstellung eines Drehgebers, der beim erfindungsgemäßen Kombinationsgargerät
verwendet werden kann, um die Winkelstellung der Lüfterrads zu ermitteln, und
- Figur 9 eine Übersicht, die eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung der Winkelstellung
des Lüfterrads zeigt.
[0067] In Figur 1 ist ein Kombinationsgargerät 10 gezeigt, das ein Gehäuse 12 aufweist,
welches einen Garraum 14 sowie einen Technikraum 16 umgibt. In dem Garraum 14 ist
ein Gargutträger 18 vorgesehen, auf dem ein zu garendes Gargut 20 angeordnet ist.
[0068] Das Gargut 20 wird mittels zumindest einer konventionellen Energiequelle 22 gegart,
die beispielsweise eine Heizvorrichtung und/oder eine Dampfvorrichtung sein kann.
Die konventionelle Energiequelle 22 ist dabei dem Garraum 14 zugeordnet, wobei über
die konventionelle Energiequelle 22 ein Garraumklima im Garraum 14 erzeugt wird, mittels
dem das Gargut 20 gegart wird.
[0069] Neben der konventionellen Energiequelle 22 weist das Kombinationsgargerät 10 zudem
eine Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 auf, mittels der das Gargut 20 zusätzlich mittels
Mikrowellen gegart wird. Insofern werden Mikrowellen in den Garraum 14 eingespeist,
um entsprechende Energie an das Gargut 20 abzugeben.
[0070] In der gezeigten Ausführungsform weist das Kombinationsgargerät 10 zudem eine Steuer-
und Auswerteeinheit 26 auf, die vorliegend separat zur Halbleiter-Mikrowelleneinheit
24 ausgebildet ist. Insofern handelt es sich bei der Steuer- und Auswerteeinheit 26
um eine separate Steuer- und Auswerteeinheit, beispielsweise eine übergeordnete Steuer-
und Auswerteeinheit des Kombinationsgargeräts 10, die sämtliche Komponenten des Kombinationsgargeräts
10 ansteuert.
[0071] Alternativ kann die Steuer- und Auswerteeinheit 26 auch in die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
24 integriert sein, wie nachfolgend noch erläutert wird.
[0072] Darüber hinaus geht aus Figur 1 hervor, dass das Kombinationsgargerät 10 ein Lüfterrad
28 aufweist, welches dem Garraum 14 zugeordnet ist. Das Lüfterrad 28 wird mittels
eines Antriebs 30 und einer Antriebswelle 32 drehend angetrieben. Hierdurch ist sichergestellt,
dass das von der konventionellen Energiequelle 22 bereitgestellte Garraumklima innerhalb
des Garraums 14 verwirbelt wird, um eine gleichmäßige Erwärmung des Garguts 20 mittels
Heißluft und/oder Dampf sicherzustellen.
[0073] Dem Lüfterrad 28 ist ein Drehgeber 34 zugeordnet, der beispielsweise im Antrieb 30
integriert ist. Mithilfe des Drehgebers 34 kann die Winkelstellung des Lüfterrads
28 während des Betriebs des Lüfterrads 28 erfasst werden, also während der Antrieb
30 das Lüfterrad 28 antreibt. Bei dem Drehgeber kann es sich um einen Inkrementalgeber
handeln.
[0074] Beispielsweise ist der Drehgeber 34 als ein optischer Encoder ausgebildet, wie dies
in Figur 8 gezeigt ist. Der Drehgeber 34 kann ein entsprechendes Drehgebersignal an
die Steuer- und Auswerteeinheit 26 übermitteln, ausgehend von dem die Steuer- und
Auswerteeinheit 26 die Winkelstellung des Lüfterrads 28 ermittelt. Alternativ wird
das Drehgebersignal an die Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 übermittelt.
[0075] Alternativ zu dem Drehgebersignal, welches in Figur 8 gezeigt ist, kann der Drehgeber
34 zwei Triggersignale ausgeben, die von der Steuer- und Auswerteeinheit 26 oder der
Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 ausgewertet werden, um die Winkelstellung des Lüfterrads
28 zu ermitteln, insbesondere auch die Drehrichtung des Lüfterrads 28, wie dies beispielhaft
in Figur 9 gezeigt ist.
[0076] Im oberen Bereich der Figur 9 ist eine Drehung des Lüfterrads 28 im Rechtslauf gezeigt,
wohingegen im mittleren Bereich der Figur 9 eine Drehung des Lüfterrads 28 in Linkslauf
gezeigt ist. Es ist zu erkennen, dass die beiden unterschiedlichen Triggersignale
zu unterschiedlichen Zeitpunkten je nach Drehrichtung ausgegeben werden, wodurch eine
Drehrichtungserkennung des Lüfterrads 28 erfolgen kann.
[0077] Wie vorstehend schon erläutert, kann der dem Lüfterrad 28 zugeordnete Drehgeber 34
im Antrieb 30 integriert oder der Antriebswelle 32 zugeordnet sein, sodass die Winkelstellung
des Lüfterrads 28 ermittelt werden kann. Bei der jeweiligen Winkelstellung des Lüfterrads
28 kann es sich um eine relative Winkelstellung handeln, sodass eine absolute Winkelposition
des Lüfterrads 28 nicht zwingend ermittelt werden muss. Die absolute Winkelposition
kann aber mittels eines entsprechenden Bezugsimpulses ermittelt werden, wie dies in
Figur 8 verdeutlicht ist. Der Bezugsimpuls gibt einen Start- bzw. Nullpunkt des Lüfterrads
28 an, ausgehend von dem dann die absolute Winkelposition ermittelt werden kann.
[0078] Alternativ zum Drehgeber 34 kann die Winkelstellung der Lüfterrads 28 von der Steuer-
und Auswerteeinheit 26 auch basierend auf einer Drehzahl des Lüfterrads 28 berechnet
werden, die von der Steuer- und Auswerteeinheit 26 aufgrund eines ablaufenden Garprogramms
vorgegeben wird. Die Steuer- und Auswerteeinheit 26 steuert demnach den Antrieb 30
derart an, dass eine gewünschte Drehzahl des Lüfterrads 28 erreicht wird. Sofern ein
Triggersignal bzw. Bezugsimpuls vom Lüfterrad 28 erfasst wird, kann hierüber die relative
Winkelstellung des Lüfterrads 28 ermittelt werden, insbesondere aufgrund der verstrichenen
Zeit nach dem letzten Bezugsimpuls unter Berücksichtigung der Drehzahl des Lüfterrads
28. Diese Berechnung kann auch durch die Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 erfolgen,
sofern die die entsprechenden Informationen erhält.
[0079] In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform werden die Winkelinformationen, also
die ermittelte Winkelstellung des Lüfterrads 28, an die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
24 übermittelt, die diese entsprechend verarbeitet um einen entsprechenden Operationsmodus
der Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 einzustellen bzw. auszuwählen, also in Abhängigkeit
der erfassten Winkelstellung des Lüfterrads 28.
[0080] Die Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 weist hierzu ein Ansteuerungsmodul 36 auf, welches
die Winkelstellung des Lüfterrads 28 von der Steuer- und Auswerteeinheit 26 erhält
oder, sofern die Steuer- und Auswerteeinheit 26 in der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
24 integriert ist, diese entsprechend selbst ermittelt, wie vorstehend bereits erläutert.
[0081] In jedem Fall steuert das Ansteuerungsmodul 36 der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
24 entsprechende Leistungsmodule 38 der Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 in Abhängigkeit
der ermittelten Winkelstellung des Lüfterrads 28 an, wobei hier ein entsprechender
Operationsmodus des jeweiligen Leistungsmoduls 38 eingestellt werden kann. Insbesondere
für die jeweilige Winkelstellung des Lüfterrads 28.
[0082] Die Leistungsmodule 38, die auch als Mikrowellen-Leistungsstufen bezeichnet werden
können, sind über Antennen 40 dem Garraum 14 zugeordnet, sodass von der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
24 bereitgestellte Mikrowellen über die Antennen 40 in den Garraum 14 eingekoppelt
werden können, um bspw. das Gargut 20 zu garen. Dabei kann eine Leistung von 250 W
oder 500 W je Leistungsmodul 38 vorgesehen sein. Beispielsweise sind vier Leistungsmodule
38 mit einer Leistung von 250 W vorgesehen, sodass vier Leistungsstufen ausgebildet
sind.
[0083] Die Ansteuerung der einzelnen Leistungsmodule 38 erfolgt dabei winkelabhängig, wie
vorstehend bereits erläutert.
[0084] Beispielsweise ist in Figur 2 gezeigt, dass eine vollständige Umdrehung des Lüfterrads
28 in 20 Winkelsegmente (n=0 bis n=19) unterteilt werden kann Hierdurch begeben sich
20 unterschiedliche Möglichkeiten, die Leistungsmodule 38 während einer einzigen Umdrehung
des Lüfterrads 28 anzusteuern. Üblicherweise ist eine größere Anzahl an Winkelsegmenten
vorgesehen, beispielsweise 400.
[0085] Beispielsweise beträgt die Periodendauer T
p des Lüfterrads 28 zwischen 30 und 240 Millisekunden, wobei dies von der Drehgeschwindigkeit
bzw. der Drehzahl des Lüfterrads 28 abhängt.
[0086] Die Periodendauer T
p wird in N Zeitschlitze unterteilt, sodass die vollständige Umdrehung des Lüfterrads
28, also eine 360° Umdrehung des Lüfterrads 28, in entsprechend N Winkelsegmente unterteilt
ist.
[0087] Die N Winkelsegmente können dabei einen gleich großen Winkelbereich umfassen oder
variabel hinsichtlich des Winkelbereichs sein. Die Dauer des entsprechenden Zeitschlitzes
t
s beträgt beispielsweise zwischen 0,625 Millisekunden und 10 Millisekunden, wobei dies
von der Anzahl der Zeitschlitze N und der Periodendauer T
p abhängt.
[0088] Sofern die Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 während einer Umdrehung des Lüfterrads
28 vollständig in einem Heizoperationsmodus betrieben wird, ergeben sich hieraus N
verschiedene Anregungsvektoren, mit denen die Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 während
der Umdrehung des Lüfterrads 28 betrieben wird. Die Anregungsvektoren werden mit einem
Index n indiziert, sodass die Indizes "0" bis "N-1" vorgesehen sind. Die Anregungsvektoren
sind jeweils unterschiedlich voneinander und berücksichtigen die jeweilige Winkelstellung
des Lüfterrads 28, wodurch sichergestellt ist, dass die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
24 während des Betriebs stets einen optimalen Arbeitspunkt aufweist.
[0089] Anhand der Figuren 3 bis 5 wird der Heizoperationsmodus der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
24 beschrieben.
[0090] In Figur 3 ist die Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 detaillierter dargestellt, insbesondere
das Ansteuerungsmodul 36 sowie die einzelnen Leistungsmodule 38, die vom Ansteuerungsmodul
36 angesteuert werden.
[0091] Das Ansteuerungsmodul 36 erhält die Informationen bezüglich der Winkelstellung des
Lüfterrads 28 von der Steuer- und Auswerteeinheit 26 bzw. berechnet diese ausgehend
von den erhaltenen Daten selbst, beispielsweise basierend auf den Winkelgeber 34.
[0092] Hierdurch ist das Ansteuerungsmodul 36 in der Lage, ein Taktsignal mit der Periode
t
s bereitzustellen, über das die einzelnen Leistungsmodule 38 angesteuert werden, wie
nachfolgend noch erläutert wird.
[0093] Darüber hinaus stellt das Ansteuerungsmodul 36 eine Frequenzreferenz f
ref[n] zur Verfügung, die an sämtliche Leistungsmodule 38 übermittelt wird.
[0094] Die Leistungsmodule 38 sind jeweils mit entsprechenden Sätzen von Anregungsvektoren
versehen, die vom Ansteuerungsmodul 36 mittels des Taktsignals angesteuert bzw. vom
Ansteuerungsmodul 36 taktweise ausgewählt werden. Mit anderen Worten wird eine ankommende
Taktflanke des Taktsignals durch das entsprechende Leistungsmodul 38 so umgesetzt,
dass der nächste Anregungsvektor verwendet wird.
[0095] Die jeweiligen Sätze sind in den Figuren 3 und 4 mit W
j bezeichnet, wobei jeder Satz mehrere unterschiedliche Anregungsvektoren W
j[n] umfasst, nämlich Anregungsvektoren von W
j[0] bis W
j[N-1], die jeweils einem der mehreren Winkelsegmente bzw. Zeitschlitze fest zugeordnet
sind, wie vorstehend anhand der Figur 2 erläutert worden ist.
[0096] Die Anregungsvektoren W
j[n] sind zudem in einer vorgegebenen Reihenfolge vorgesehen, sodass diese nacheinander
mittels des Taktsignals durchgeschaltet werden. Die Richtung, in denen die Anregungsvektoren
W
j[n] taktweise durchgeschaltet bzw. ausgewählt werden, hängt dabei von der Drehrichtung
des Lüfterrads 28 ab, was mittels des Drehgebers 34 erfasst werden kann.
[0097] Das Ansteuerungsmodul 36 steuert demnach die einzelnen Leistungsmodule 38 mittels
des Taktsignals bzw. des Triggersignals mit der Periode t
s derart an, dass in den jeweiligen Winkelsegmenten bzw. Zeitschlitzen der entsprechend
zugeordnete Anregungsvektor W
j[n] verwendet wird. Im jeweiligen Winkelsegment bzw. Zeitschlitz werden die dem Anregungsvektor
zugeordnete Ansteuerungsparameter für die Phase der zu erzeugenden Mikrowellen zur
Verfügung gestellt, die zusammen mit der Frequenzreferenz durch das jeweilige Leistungsmodul
38 verarbeitet werden, um die Mikrowellen entsprechend zu erzeugen. Die Leistungsmodule
38 weisen hierzu einen IQ-Modulator bzw. IQ-Demodulator 42 sowie wenigstens einen
Verstärker 44 auf, sodass das gewünschte Mikrowellensignal erzeugt wird.
[0098] In Figur 5 ist beispielsweise gezeigt, dass ein Anregungsvektor mehrere Ansteuerungsparameter
umfasst, nämlich für die Phase, die Amplitude, die Pulsweite sowie die Frequenz. Insofern
ist sichergestellt, dass für jedes Winkelsegment eine effiziente und optimale Erwärmung
des Garguts 20 mittels der Mikrowellen sichergestellt ist. Neben den gezeigten Ansteuerungsparameter
kann noch die Anregungshäufigkeit als Ansteuerungsparameter vorgesehen sein, also
wie häufig in einem bestimmten Zeitschlitz in einer definierten Anzahl von Umdrehungen
geheizt werden soll, beispielsweise in den nächsten 100 Umdrehungen. Mit anderen Worten
wird über die Anregungshäufigkeit festgelegt, wie häufig in einer bestimmten Anzahl
der nächsten Umdrehungen der Anregungsvektor aktiv geschaltet wird. Dies kann grundsätzlich
auch als Leistungsskalierung bezeichnet werden.
[0099] Grundsätzlich ist sichergestellt, dass die Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 stets
im optimalen Arbeitspunkt betrieben wird, da die winkelabhängige Ansteuerung der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
24 erfolgt.
[0100] Wie vorstehend erläutert, schaltet das Ansteuerungsmodul 36 die unterschiedlichen
Anregungsvektoren W
j[n] des entsprechenden Satzes in Echtzeit weiter, um auf das sich drehende Lüfterrad
28 zu reagieren. Dies wird über mindestens ein Trigger-Signal gesteuert, also das
Taktsignal t
s.
[0101] Die Algorithmen auf dem Ansteuerungsmodul 36, die zur Kompensation der langsamen
Veränderungen und generell zur Ermittlung des optimalen Arbeitspunkts bzw. des entsprechenden
Anregungsvektors verwendet werden, werden asynchron ausgeführt und aktualisieren,
je nach Bedarf, einen Teil (oder den gesamten) Satz der Anregungsvektoren des jeweiligen
Leistungsmoduls 38.
[0102] In Figur 7 ist der entsprechende Heizoperationsmodus innerhalb eines Winkelsegments
dargestellt, bei dem die Auswahl des entsprechenden Anregungsvektors erfolgt. Im Beispiel
der Figur 7 ist dies für den Zeitschlitz t
s0 gezeigt, der im Beispiel eine Dauer von 75 µs hat.
[0103] Innerhalb eines Zeitschlitzes wird der gewünschte Anregungsvektor eingestellt. Eine
Regelschleife stellt dabei sicher, dass der Anregungsvektor korrekt umgesetzt wird.
Beispielsweise werden thermische Effekte berücksichtigt. Innerhalb eines Zeitschlitzes
können mehrere Regelzyklen durchlaugen werden.
[0104] Grundsätzlich kann der Zeitschlitz eine Dauer haben, die zwischen 75 µs und 300 µs
liegt, wobei dies von der Lüfterdrehzahl abhängt, die zwischen 0 und 2000 Umdrehungen
pro Minute liegen kann, sofern 400 Zeitschlitze erzeugt werden sollen, wie dies im
Beispiel gezeigt ist. Demnach wird die vollständige Drehung des Lüfterrads 28 in 400
Winkelsegmente unterteilt, die entsprechend 400 Zeitschlitzen t
s zugeordnet sind.
[0105] Aus Figur 7 wird deutlich, dass die Winkelsegmente aufgrund der vorgegebenen Drehung
des Lüfterrads 28 in einer bestimmten Reihenfolge aufeinanderfolgen, die sich zudem
periodisch wiederholt, nämlich mit der Periodendauer des Lüfterrads 28.
[0106] Innerhalb des einen Zeitschlitzes t
s0 bzw. des zugeordneten Winkelsegments erfolgt eine Ansteuerung der Leistungsmodule
38 über das Ansteuerungsmodul 36 gemäß dem im unteren Bereich der Figur 7 dargestellten
Ablaufs.
[0107] Unter anderem ist ein "HW-Zugriff" vorgesehen, der eine Dauer von 6 µs hat. Während
des "HW-Zugriffs" werden die Amplitude und die Phase in Form von DAC-Werten eingestellt.
Zudem wird die dann notwendige Messung durchgeführt, um die eingestellte Amplitude
und Phase zu kontrollieren.
[0108] Nach der Messung läuft dann eine Software-Regelschleife ("Software Regelalgorithmus"),
welche korrigierte DAC-Werte liefert, um genauer an die gewünschte Amplitude und Phase
zu kommen.
[0109] Diese werden dann im folgenden "HW-Zugriff" wieder eingestellt und gemessen, woraufhin
die Regelschleife wieder korrigierte Werte berechnet. Dies wiederholt sich so lange,
bis der Zeitschlitz zu Ende ist. Hierdurch können Temperatureffekte ausgeglichen werden.
[0110] Im Hintergrund kann der gewünschte Anregungsvektor aber durchgehend aktiv sein, wenn
dies gewünscht ist bzw. aufgrund der gewünschten Leistungsanforderung nötig ist, sodass
durchgehend eine Heizleistung vorliegen kann, um das Gargut 20 zu erwärmen.
[0111] Eine Pulsweitensteuerung würde den Anregungsvektor dann vor Beendigung des Zeitschlitzes
abschalten. Die Zeitdauer des Zeitschlitzes t
s ist bekannt, sodass bei einer Pulsweite von 80% nach 0.8*t
s abgeschaltet und das nächste Triggersignal abgewartet werden würde.
[0112] In diesem Bereich werden die Leistungsmodule 38 also entsprechend den vorgesehenen
Anregungsvektoren betrieben, also die Phase sowie entsprechend weitere Parameter eingestellt.
Um die Anregungsvektoren stabil zu halten, kann innerhalb eines Winkelsegments zudem
ein Regelalgorithmus durchgeführt werden, wie dies in Figur 7 dargestellt ist.
[0113] Üblicherweise wird der Regelalgorithmus so oft wie möglich innerhalb des Zeitschlitzes
bzw. der Zeit des Winkelsegments durchgeführt, wie dies möglich ist, wobei dies von
der Leistungsanforderung an die Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 abhängt. Die im Regealgorithmus
ermittelten Regelwerte werde für die nächste Umdrehung des Lüfterrads 28 gespeichert,
sodass diese direkt als Startwert vorliegen und verwendet werden können.
[0114] In der gezeigten Ausführungsform sind in einem Winkelsegment insgesamt drei Teilbereiche
("HW-Zugriff") vorgesehen, die zum Einstellen der DAC-Werte und Messen der tatsächlichen
Amplitude und Phase verwendet werden, nämlich einmal für etwa 6 µs und zweimal für
etwa 5 µs. Die restlichen 59 µs des Zeitschlitzes mit einer Dauer von 75 µs sind demnach
für den Regealgorithmus vorgesehen, der mehrfach ausgeführt wird, insbesondere jedes
Mal nach dem "HW-Zugriff". Im Hintergrund sind die bei dem ersten "HW-Zugriff" eingestellten
DAC-Werte aber aktiv, d.h. auch der Anregungsvektor / Arbeitspunkt ist für die gesamte
Dauer des Zeitschlitzes aktiv.
[0115] In Figur 6 ist ein alternativer Operationsmodus der Halbleiter-Mikrowelleneinheit
24 gezeigt, bei dem es sich um einen Messoperationsmodus handelt.
[0116] Die Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 wird im Messoperationsmodus derart verwendet,
dass eines der mehreren Leitungsmodule 38 ein Mikrowellensignal bei einer eingestellten
Frequenz aussendet, wobei die weiteren Leistungsmodule 38 ein entsprechendes reflektiertes
Signal aus dem Garraum 14 empfangen.
[0117] Hierbei werden die vorwärtslaufenden Wellen sowie die rückwärtslaufenden Wellen an
den entsprechenden Leistungsmodulen 38, insbesondere den Verbindungen zwischen den
Leistungsmodulen 38 und den Antennen 40 ausgekoppelt, um entsprechende Streuparameter
zu ermitteln. Demnach kann das jeweilige Leistungsmodul 38 einen Richtkoppler aufweisen,
über den die unterschiedlich laufenden Wellen ausgekoppelt werden können.
[0118] In einem darauffolgenden Winkelsegment kann bereits eine andere Frequenz verwendet
werden, um die Streuparameter vor einem anderen Winkelsegment und anderer Frequenz
zu ermitteln.
[0119] Sofern für dasselbe Winkelsegment mehrere Frequenzen gemessen werden sollen, werden
die Messungen bei entsprechend vielen Umdrehungen des Lüfterrads 28 durchgeführt.
Sofern 101 Frequenzpunkte eines Winkelsegments gemessen werden sollen, werden beispielsweise
101 Umdrehungen des Lüfterrads 28 genutzt, um die Messdaten zu erhalten. Alternativ
kann die Messzeit dadurch verkürzt werden, dass die Streuparameter entlang einer Frequenzachse
oder des Lüfterradwinkels bzw. der Zeitschlitze interpoliert bzw. extrapoliert werden.
[0120] Bei geringen Drehzahlen ist es auch denkbar, mehrere Frequenzen innerhalb eines Zeitschlitzes
zu vermessen. Die Messung dauert beispielsweise ca. 25µs, sodass bei einer Zeitschlitzdauer
von 300 µs mehrere Messungen möglich sind.
[0121] Grundsätzlich können die im Messoperationsmodus ermittelten Daten verwendet werden,
um die Anregungsvektoren für den Heizoperationsmodus zu berechnen bzw. zu bestimmen,
insbesondere auf langsam verändernde dielektrische Eigenschaften zu reagieren, die
sich aufgrund der Erwärmung des Garguts 20 bzw. eines Innenkastens des Kombinationsgargeräts
10 auftreten, der den Garraum 14 umgibt. Die Leistungsmodule 38 können demnach so
konfiguriert sein, dass sie Streuparameter (S-Parameter) in einem definierten Winkelsegment
oder über den gesamten Winkelbereich messen. Aus den Messungen wird der optimale Anregungsvektor
ermittelt. Geeignete Algorithmen für einen fixen Zeitschlitz sind identisch zu denen
für einen geschirmten Garraum 14. Der optimale Anregungsvektor kann dabei entsprechend
seinem Zweck optimiert sein, beispielsweise größter Energieeintrag, höchste Effizienz
oder größte Gleichmäßigkeit.
[0122] Ebenso kann im Messoperationsmodus vorgesehen sein, dass eine dielektrische Last
des Garraums 14 ermittelt werden soll, um beispielsweise den Garzustand des Garguts
20, dessen Verlauf, neueingebrachtes Gargut in den Garraum 14, eine Gargutart oder
im Garraum 14 vorhandenes Garzubehör wie den Gargutträger 18 zu detektieren.
[0123] Beim Sensieren wirkt die elektrische Feldverteilung im jeweiligen Objekt wie ein
volumetrisches Gewicht der Materialeigenschaften des jeweiligen Objekts. Durch das
drehende Lüfterrad 28 verändern sich die Feldbilder im Garraum 14 und es entstehen
unterschiedliche Feldverteilungen in dem jeweiligen Objekt, sodass die entsprechenden
Materialeigenschaften gleichmäßiger abgetastet werden können. Kombiniert man also
die Streuparameter von allen Winkelpositionen erhöht man den Informationsgehalt über
das Objekt.
[0124] Durch eine zyklische Messung der Streuparameter, also der Messung für ein Winkelsegment
pro Umdrehung des Lüfterrads 28, werden die Informationen ständig aktualisiert. Der
Heizbetrieb muss nicht unterbrochen werden. Es wird lediglich die Zeit, in der Mikrowellenleistung
eingetragen wird, um den zeitlichen Anteil der Messung eines Winkelsegments an der
gesamten Umdrehung reduziert. Durch diese zyklische Messung können die Anregungsvektoren
in dem Winkelsegment automatisch aktualisiert werden
[0125] Die im Messoperationsmodus erhaltenen Messdaten bzw. Wellen werden grundsätzlich
an das Ansteuerungsmodul 36 übermittelt, beispielsweise die vom Richtkoppler ausgekoppelten
Wellen, wobei das Ansteuerungsmodul 36 die erhaltenen Messdaten bzw. Wellen auswertet,
um die Streuparameter zu ermitteln. Insofern weist das Ansteuerungsmodul 36 zumindest
einen Auswertungsteil auf, der zur Auswertung und Bestimmung der Streuparameter genutzt
wird. Wie vorstehend schon beschrieben, kann das Ansteuerungsmodul 36 grundsätzlich
die Steuer- und Auswerteeinheit 26 aufweisen.
[0126] Grundsätzlich kann die Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 auch in einem Leerlaufoperationsmodus
betrieben werden, in dem keine Mikrowellen über die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
24 erzeugt werden, also weder zum Erwärmen des Garguts 20 noch zum Sensieren des Garraums
14.
[0127] In dem in Figur 2 gezeigten Beispiel waren 20 Winkelsegmente vorgesehen, die die
gesamte Drehung des Lüfterrads 28 entsprechend unterteilt. In jedem Winkelsegment
kann ein bestimmter Operationsmodus vorgesehen sein, also ein Leerlaufoperationsmodus,
ein Messoperationsmodus oder ein Heizoperationsmodus.
[0128] Insbesondere können aufeinanderfolgende Winkelsegmente unterschiedliche Operationsmodi
aufweisen. Dies kann vom Garprogramm bzw. der Leistungsanforderung an die Halbleiter-Mikrowelleneinheit
24 abhängen. Beispielsweise werden die in Figur 2 gezeigten Winkelsegmente 0 bis 15
für das Erwärmen des Garguts 20 verwendet, wohingegen die Winkelsegmente 16 bis 19
für das Sensieren verwendet werden, um so beispielsweise eine Aktualisierung der Anregungsvektoren
durchzuführen bzw. einen Regelalgorithmus. Sollte die Leistungsanforderung steigen,
so können mehr Winkelsegmente dem Heizoperationsmodus zugewiesen werden.
[0129] Grundsätzlich skaliert die Effizienz der Leistungsmodule 38 mit der Amplitude, sodass
die beste Effizienz bei maximaler Amplitude erreicht wird. Daher werden die Leistungsmodule
38 bei maximaler Amplitude betrieben, wobei deren Einschaltzeiten bzw. die zugeordneten
Zeitschlitze entsprechend variiert werden, also der jeweilige Operationsmodus der
einzelnen Winkelsegmente.
[0130] Zum Beispiel wird ein Winkelsegment nur in x/100 Umdrehungen aktiviert, wodurch die
Leistung des Winkelsegmentes skaliert werden kann, insbesondere in 1%-Schritten im
genannten Beispiel. Mit einem Wert von x = 10 wäre das entsprechende Winkelsegment
demnach für 10% der Zeit aktiv, was einer Leistungsskalierung auf 10% entspricht.
Anstatt der 1%-Schritte kann auch eine feinere oder gröbere Auflösung eingestellt
werden, beispielsweise 5%-Schritte mit einer Aktivierung bei x/20 Umdrehungen. Dies
wird auch als Anregungshäufigkeit des Anregungsvektors verstanden.
[0131] Die Amplitude der einzelnen Leistungsmodule 38 ist immer bei der maximalen bzw. effizientesten
Ausgangsleistung für die entsprechende Frequenz eingestellt. Die Anregungsvektoren
werden dann nur noch über die Phasen geregelt. Die geeignete Einkoppelung der Mikrowelle
in den Garraum 14 wird demnach ausschließlich über die Phasen gesteuert.
[0132] Es ist grundsätzlich möglich, die Halbleiter-Mikrowelleneinheit 24 aufgrund der winkelabhängigen
Ansteuerung effizient zu betreiben, wobei gleichzeitig die konventionelle Energiequelle
22 ohne Einschränkung verwendet werden kann, beispielsweise die Heizvorrichtung und/oder
die Dampfvorrichtung, da keine beeinflussende Schirmung nötig ist, die zudem den Fertigungs-
und Serviceaufwand erhöht.