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Table de cuisson par induction comportant des foyers à in- duction alimentés par des générateurs
La présente invention concerne une table de cuisson par induction comportant des foyers à induction alimentés par des générateurs.
La cuisson par induction ou plus généralement le chauffage par induction utilise les courants de Foucault induits dans une pièce à chauffer, en matière conductrice électrique par un champ magnétique à haute fréquence. Cette pièce est par exemple une casserole. Le champ magnétique est généré par un inducteur alimenté en courant alternatif à haute fréquence par un générateur qui adapte la fréquence et l'amplitude du courant en fonction du chauffage voulu. La fréquence adaptée pour le chauffage dépend d'un certain nombre de paramètres et notamment de la perméabilité magnétique relative Pr du récipient et de sa conductivité électrique 0.
Partant de l'épaisseur de peau que l'on prend par exemple égale à la moitié de l'épaisseur du fond du récipient à chauffer, on détermine alors la pulsation w en utilisant la formule :
EMI1.1
dont on déduit la fréquence par la formule :
EMI1.2
On obtient ainsi une fréquence optimale à utiliser de l'ordre de 10 à 50 kHz.
Le générateur est alimenté à partir du réseau électrique dont la tension d'alimentation est redressé et filtré. Le générateur alimenté par cette tension redressé U est en général un générateur à résonance. En effet, Les inducteurs sont typiquement réalisés en bobinant un conducteur électrique en spirale de façon à ce que la charge en regard ramène sur cet inducteur à la fréquence de fonctionnement une
EMI1.3
p = U2/p résistance R compatible avec la puissance P = U2 IR à transmettre à la charge. Ces mêmes inducteurs sont généralement
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isolés mécaniquement, électriquement et thermiquement de la charge à chauffer ce qui entraîne un entrefer de plusieurs millimètres entre la charge et l'inducteur. A cette distance et dans cette gamme de fréquences, l'Impédance Z = R + j.
L. w de l'inducteur chargé est fortement réactive ce qui entraîne un facteur de qualité de l'inducteur Q = L. w/R 1. Il suffit alors d'ajouter un ou plusieurs condensateurs C à l'inducteur d'inductance L pour former un circuit résonnant à la fréquence :
EMI2.1
Pour cette raison, les générateurs sont principalement des onduleurs à résonance. L'Impédance Z et particulièrement l'inductance L de l'inducteur dépendant des caractéristiques de la charge, les fréquences de fonctionnement dans une table de cuisson par induction comportant plusieurs foyers ne sont en général pas identiques mais voisines.
Ce phénomène est d'autre part accentué par le fait que pour conserver des modes de commutation douce, les réglages de puissance se font en général en réglant la fréquence de travail et donc deux foyers destinés à chauffer des charges identiques à des puissances différentes utiliseront des fréquences différentes. Il faut noter que ce mode de réglage possède l'inconvénient de faire travailler l'onduleur à des fréquences éloignées de sa fréquence naturelle de résonance ce qui génère des pertes élevées. Le meilleurs compromis consiste à travailler en thyristor dual en travaillant pour la puissance maximale le plus proche possible de la résonance qui est la fréquence de travail la plus basse et pour baisser cette puissance, augmenter la fréquence de travail.
Ces fréquences voisines engendrent des battements qui sont transmis au récipient à chauffer et qui, du fait de leur faible différence, sont dans le domaine audible (quelques Hz à quelques kHz). Ces battements de fréquence, en dehors du bruit qu'ils occasionnent dans les charges, génèrent
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des difficultés pour le contrôle des générateurs indépendants.
Pour éviter ce phénomène qui de part son amplitude peut rendre l'utilisation du produit très désagréable, il est nécessaire de bien séparer les différents couples (générateurs-foyers à induction), ce qui est un très important handicap à la modularité des produits ; pour la même raison, il est impossible par exemple de chauffer un grand récipient sur plusieurs foyers proches alimentés par des générateurs différents.
Une solution connue consiste à alimenter cycliquement des foyers voisins à une période variant de la seconde pour des dispositif de commutations mécaniques à la dizaine de milli-secondes pour des solutions complètement électroniques. Dans ces deux cas, les générateurs doivent être surdimensionnés en puissance car la puissance n'est pas transmise en permanence au foyer mais en alternance avec un rapport cyclique variant suivant les puissances demandés sur chaque foyer connecté au générateur.
De plus, cette alimentation cyclique peut être ressentie comme une gène pour l'utilisation de l'appareil en raison des variations de puissance, brutales, dans la charge si la période est de l'ordre de la seconde ou en raison du bruit lié à la commutation si cette période est de l'ordre de quelques milli-secondes qui correspond à des fréquences de quelques centaine de Hertz.
Une autre solution connue dans le domaine de la commande et de l'électronique de puissance consiste à alimenter des inducteurs à la même fréquence en utilisant des générateurs à commutation dure, par exemple un hacheur dont le mode de réglage de puissance peut alors se faire à fréquence fixe en mode (MLI) Modulation de Largeur d'Impulsion. Il n'est cependant pas judicieux d'utiliser ce type de générateur pour alimenter des inducteurs classiques notamment en raison du facteur de qualité élevé des bobines à la fréquence de travail. Ceci entraîne en effet une difficulté pour faire circuler le courant dans les bobines selfiques (courants triangulaires) et des pertes importantes lorsque l'on arrête
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le courant dans ces bobines, ceci entraînant un surdimensionnement très important du générateur de puissance.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et se propose de développer une table de cuisson par induction à faible ou forte puissance et, de manière générale, un appareil de chauffage par induction fonctionnant avec une seule fréquence ou à des fréquences multiples pour éviter les battements, et surtout permettant d'utiliser des générateurs de puissance faible et notamment des générateurs modulaires.
A cet effet, l'invention concerne une table de cuisson du type défini ci-dessus, caractérisée en ce que les inducteurs voisins ou constituant un même foyer sont alimentés à une même fréquence ou à des fréquences multiples et en ce qu'elle comprend au moins un foyer de forte puissance composé d'au moins deux inducteurs ayant une impédance en charge quasiment identique ramenée sur ces inducteurs quelle que soit la charge posée sur ce foyer. Une commande unique pilote alors les générateurs qui fonctionnent en mode résonnant à commutation douce.
De façon avantageuse, cette table de cuisson comprend deux foyers à induction équipés d'inducteurs, au moins l'un des foyers (premier foyer) étant de forte puissance avec au moins deux inducteurs ayant une impédance en charge quasiment identique quelles que soient la nature, la forme et la position de la charge posée sur ce foyer. Un générateur à onduleur est associé à chaque foyer et fonctionne en commutation douce, une commande unique pilotant les deux générateurs. Un dispositif de commutation est associé au générateur du second foyer et possède deux états : * un état normal pour lequel le dispositif de commutation relie le générateur à l'inducteur du second foyer, * un état de puissance dans lequel le dispositif de commu- tation relie le générateur du second foyer au second in- ducteur du premier foyer.
Les générateurs onduleurs à résonance, lorsqu'ils sont synchronisés en fréquence, permettent de réaliser un foyer de forte puissance avec des générateurs de faible puis-
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sance particulièrement économiques car fonctionnant en permanence en mode de commutation douce. Un dispositif de commutation, permet d'aiguiller la puissance de deux ou plusieurs générateurs sur des foyers différents mais il est tout a fait possible de ne pas utiliser ce dispositif de commutation et de connecter en permanence plusieurs générateurs à un foyer en augmentant ainsi sa puissance.
Grâce au dispositif de commutation, la table de cuisson permet de profiter du fait que dans un usage courant des appareils, il n'est pas nécessaire à l'utilisateur de disposer continûment de puissances élevées d'autant plus qu'avec des systèmes à induction où la puissance est transmise directement à la charge, le rendement est particulièrement élevé. Ces puissances sont utiles lors de préparation particulières et de durées courtes (bouillir de l'eau, chauffer des quantités importantes de liquide, monter un grand grill en température). En régime permanent, les puissances nécessaires à l'entretien d'une cuisson (maintien à ébullition, mijotage) sont beaucoup plus faibles et peuvent être fournies par un seul générateur.
Dans cette table de cuisson, les deux foyers peuvent être formés chacun par deux ou plusieurs inducteurs ayant, pour chaque foyer, une impédance en charge quasi identique ramenée par ses inducteurs ; chaque foyer étant associé à un générateur, des dispositifs de commutation permettent de relier des générateurs d'autres foyers sur les inducteurs d'un même foyer pour disposer ainsi d'une puissance importante fournie par plusieurs générateurs de faible puissance et non par un générateur unique de forte puissance. Cela permet notamment une fabrication modulaire et à grande échelle de générateurs onduleurs à résonance, de faible puissance, utilisables par ailleurs dans de nombreux autres domaines.
Le marché de l'électronique de puissance et des convertisseurs de fréquence est en pleine expansion et certaines applications sont ou seront prochainement produites à des millions d'exemplaires comme les convertisseurs de fréquence pour la commande de moteurs ou les alimentations de puissance destinées aux magnétrons des fours à micro-ondes
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par exemple. Il est alors économiquement très intéressant de pouvoir bénéficier de cet effet d'échelle, soit sur les composants de puissance, soit sur les microcontrôleurs de commande, soit sur les générateurs eux-mêmes. Les productions en grande série se font sur des convertisseurs dont la puissance est moindre.
Le mode de réalisation décrit permet de disposer de générateurs de diverses puissance en couplant ces convertisseurs de faible puissance sur des foyers dont la puissance sera égale à la somme des puissances des convertisseurs connectés au foyer.
La fréquence des différents générateurs connectés à un foyer doit donc être identique ou multiple d'une seule et même fréquence. La phase des différents générateur est en général nulle (générateurs en phase) mais il peut être avantageux de piloter des générateurs en opposition de phase afin de cumuler le flux magnétique d'inducteurs voisins ce qui a aussi pour effet de diminuer le champ magnétique au voisinage immédiat des inducteurs. Dans le cas d'inducteurs enchevêtrés composant un même foyer et ramenant chacun une impédance en charge quasiment identique, si le même nombre d'inducteurs enchevêtrés est en phase et en opposition, alors, le foyer générera un champ magnétique et donc une puissance quasiment nulle.
En faisant varier les phases respectives des générateurs connectés au foyer de 180 à 0 , on arrive très aisément à faire varier la puissance du foyer de 0 à la puissance totale de tous les générateurs connectés au foyer quand ils sont tous en phase. Ceci est particulièrement intéressant car le réglage de puissance peut alors se faire à une fréquence fixe qui peut être choisie suffisamment proche de la résonance naturelle du convertisseur de façon à minimiser les pertes dans celui-ci. Le réglage de puissance est beaucoup plus fin car il est difficile d'augmenter indéfiniment la fréquence de travail du générateur par rapport à sa résonance naturelle pour baisser sa puissance et en deçà d'une certaine puissance, des techniques de découpage doivent être employées pour atteindre des puissances suffisamment faibles.
Enfin, annuler le champ d'un inducteur par la commande des convertisseurs qui lui sont connectés peut être aussi particulière-
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ment intéressant dans le but de minimiser le champ magnétique de fuite dans le cas d'inducteurs pas ou mal couplés à des charges.
Suivant d'autres caractéristiques avantageuses, la table comporte plusieurs générateurs de petite puissance connectés à un ou plusieurs inducteurs ; la commande unique comporte un capteur détectant la pré- sence d'une charge sur un inducteur pour autoriser son ali- mentation par un ou plusieurs générateurs ; la commande unique commande les inducteurs voisins pour que leurs champs électromagnétiques soient à flux cumulatifs entre les inducteurs et sous la charge ; la commande unique commande les inducteurs d'un même foyer en réglant la phase relative des courants fournis par les générateurs associés à ces inducteurs dans une plage de dé- phasage comprise entre 0 et 180 afin de régler la puis- sance du foyer ou limiter le rayonnement du foyer ;
la table est formée de générateurs de faible puissance pro- duits en grande série avec des dispositifs permettant de les associer et de réaliser des foyers de puissance impor- tante ; les bobines à induction sont aptes à supporter des tempéra- tures élevées et sont disposées le plus près possible de la charge tout en en étant isolé électriquement de façon à ce que la résistance de la bobine en charge soit forte devant son inductance ; le générateur comprend un condensateur de découplage frag- menté de façon à créer un diviseur capacitif à tension qua- si-fixe ; le dispositif de commutation se compose d'un commutateur pour brancher le générateur du second foyer au second in- ducteur du premier foyer ;
le dispositif de commutation comprend un interrupteur entre le point de jonction des inductances du premier foyer et les condensateurs du circuit résonnant de la première in- ductance du premier foyer pour fermer (ouvrir) le circuit résonnant du premier inducteur du premier foyer et un com- mutateur pour brancher l'inducteur du deuxième foyer sur
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son générateur ou pour brancher le deuxième générateur sur le deuxième inducteur du premier foyer, en série avec le premier inducteur de ce premier foyer et en série avec un condensateur commun.
La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un premier mode de réalisation d'une table de cuisson à deux foyers selon l'invention, en mode de fonctionnement normal et indépendant des deux foyers, - la figure lA montre le schéma de la figure 1, en mode de fonctionnement de puissance sur le foyer composé d'inducteurs enchevêtrés ramenant une impédance en charge identique, - la figure 2 montre un schéma d'une première variante de réalisation d'une table de cuisson à deux foyers, en mode de fonctionnement normal et indépendant des deux foyers, - la figure 2A montre le schéma de la table de cuisson de la figure 2 en mode de fonctionnement de puissance,
- la figure 3 montre une seconde variante de réalisation d'une table de cuisson à deux foyers selon l'invention, en mode de fonctionnement normal, - la figure 3A montre le schéma de la table de cuisson de la figure 3 en mode de fonctionnement de puissance, - la figure 4 montre un mode de réalisation d'une table de cuisson à trois inducteurs ramenant une impédance en charge quelconque.
- la figure 5 montre une généralisation de la table de cuisson de la figure 4 pouvant travailler avec plusieurs inducteurs ramenant une impédance en charge quelconque.
Selon la figure 1, l'invention concerne une table de cuisson par induction non représentée, comportant deux foyers Fl, F2. L'un des foyers Flou premier foyer est prévu
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pour fournir une forte puissance alors que l'autre foyer F2 n'est prévu que pour fournir une puissance moyenne.
Le foyer Fi de forte puissance comporte deux inducteurs Ll, L'1 ayant une impédance en charge ramenée sur ces inducteurs quasiment identique. Cette impédance en charge identique est obtenue par la conception des inducteurs, non décrite ici. Cette impédance en charge est la même quelle que soit la nature, la forme et la position de la charge, c'est- à-dire l'ustensile à chauffer, placé sur le foyer Fi équipé de ses deux inducteurs.
Ces foyers sont alimentés en courant haute fréquence comme cela est connu de manière générale, à partir d'une source de tension continue schématisée par E. Cette source représente en fait, un ensemble redresseur et filtre relié au réseau de distribution électrique et fournissant en sortie une tension redressée possédant une composante continue.
Cette tension continue alimente deux générateurs à onduleur en résonance Gl, G2. Le générateur Gl est associé au foyer Fi et le générateur G2 au foyer F2. Ces générateurs fonctionnent en commutation douce. Ils sont composés chacun de deux transistors Tl, T2 ou T3, T4 munis de façon habituelle de diodes et de condensateurs non référencés. Ces générateurs alimentent chacun un circuit oscillant formé d'une inductance et d'une capacité, les résistances ramenées par les charge sur les inducteurs ne sont pas représentées et sont implicitement incluses dans les terme Li, en série avec les résistances.
Le circuit oscillant du générateur Gl est formé par l'inductance Ll de l'inducteur Il du foyer Fi et de condensateurs de charge Cl, C2.
Le circuit oscillant du générateur G2 est formé de l'inductance L2 de l'inducteur 12 du foyer F2 et de condensateurs de charge C3, C4.
Les transistors Tl, T2 et T3, T4 des deux générateurs G2, Gl sont reliés à une commande unique CU qui les pilote soit de façon indépendante soit en synchronisme.
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Le foyer F1 de puissance se compose de deux inducteurs Ll, L'l combinés pour que leur impédance ramenée en charge soient identiques ; et leur couplage est représenté à la figure 1.
L'alimentation E est découplée par un condensateur de découplage Cd.
Le circuit comporte également un dispositif de commutation à deux états, en normal et un état de puissance.
Dans l'exemple, le dispositif de commutation est formé d'un commutateur Kl à deux positions associé au générateur G2 du second foyer F2. Ce commutateur Kl peut se mettre en état normal (figure 1) dans laquelle il ferme le circuit du générateur G2 puisque celui-ci est alors relié à l'inductance L2 de l'inducteur 12 et permet l'alimentation du foyer F2. Ce commutateur Kl peut également passer dans un second état ou état de puissance (figure lA) dans laquelle il assure le branchement de l'inductance Ll'du premier foyer Fl, de sorte que dans cette position l'inductance LI est alimentée par le générateur Gl et l'inductance L'l par le générateur G2, l'inductance L2 du second foyer F2 étant déconnectée.
Comme par hypothèse dans cette seconde position, les impédances et donc les inductances Ll, L'1 sont identiques en charge, les deux inducteurs Il'1'1 du foyer F1 pourront être commandés en synchronisme et travailler de façon synchrone en mode de commutation douce.
Les deux générateurs fournissent une puissance variable entre 0 et une puissance maximale P égale ou différente pour les deux en position normale, lorsque le commutateur Kl assure le branchement de l'inducteur 12, les foyers Fl et F2 peuvent recevoir tous deux une puissance allant jusqu'à la puissance maximale P de chacun des générateurs Gl, G2 auxquels ils sont reliés indépendamment. Les deux générateurs peuvent aussi être dimensionnés pour des puissances différentes.
Dans le second état dit de puissance, le foyer Fl reçoit une puissance double, pouvant aller jusqu'à la puissance maximale 2P.
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Il est à remarquer que les inductances Ll, Ll' étant couplées par leur disposition dans leur inducteur du foyer Fl, il est nécessaire que les courants qui les traversent soient synchrones. Cela est assuré par la commande unique CU des deux générateurs Gl, G2 et par le fait que la charge qui leur est appliquée est la même.
Ce montage de la figure 1 peut être généralisé à un nombre (n) d'onduleurs permettant de transmettre à un foyer une puissance allant de 0 à n*P. Cela permet, comme déjà évoqué ci-dessus, de réaliser un foyer de forte puissance avec des générateurs de faible puissance. A titre d'exemple, pour certains usages professionnels, il faut des foyers d'une puissance de l'ordre de 7 à 8 kW. On peut ainsi réaliser un foyer d'une puissance de 7,2 kW en utilisant quatre générateurs ayant chacun une puissance de 1, 8 kW connectés à un foyer à quatre inducteurs imbriqués. Ce montage est également applicable à des combinaisons d'inducteurs imbriqués, ceux ci devant alors ramener une impédance en charge identique ou multiple de façon à ce que les fréquences de fonctionnement des différents générateurs soient identiques ou multiples.
Dans le cas de (n) onduleurs, ceux-ci peuvent aussi avantageusement posséder (n') dispositifs de commutation de façon qu'en position de puissance, un foyer puisse recevoir la puissance de (n) générateurs ou plusieurs foyers puissent recevoir une puissance supérieure à la puissance d'un seul générateur et qu'en position normale, les (n) générateurs débitent chacun sur un foyer de la table de cuisson à induction, certains foyers pouvant fonctionner en permanence avec plusieurs générateurs.
Le schéma de la figure 1 peut également être généralisé pour être complètement symétrique, c'est-à-dire avoir deux foyers ayant chacun deux inducteurs de manière à permettre l'alimentation indépendante de chacun des foyers avec son générateur, et la mise en oeuvre de seulement l'un des deux inducteurs ou à brancher les deux générateurs sur les deux inducteurs d'un même foyer. Cela peut être nécessaire dans certaines configurations de surfaces de chauffe pour avoir des foyers puissants à l'avant de la plaque de
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chauffe et non pas uniquement à l'arrière comme cela est traditionnellement le cas.
Les tables de cuisson comprenant en général quatre foyers, il est en effet suffisant de proposer deux foyers potentiellement très puissants. L'arrêt temporaire du foyer avant pendant l'utilisation à forte puissance du foyer arrière n'est pas gênante dans la mesure ou la puissance de chaque générateur est relativement élevée par exemple (1400 à 1800 W maximum) et qu'il reste encore deux foyers supplémentaires disponibles sur la table de cuisson. Ceci est enfin particulièrement intéressant car les surfaces des foyers sont différentes et correspondent mieux à un usage normal ou l'on utilise des casseroles de tailles différentes, les grandes sur des grands foyers qui peuvent être très puissants et les petites sur des petits foyers dont la puissance reste suffisante par rapport à la taille de la charge à chauffer.
Dans le montage selon la figure 1, il faut que les charges soient très similaires. Cela impose non seulement des obligations à la conception des inducteurs Il, Il'mais également sur les tolérances des condensateurs de résonance.
La figure 2 montre une variante de réalisation de la table de cuisson selon l'invention, permettant d'éviter les contraintes imposées aux composants des circuits oscillants.
Les éléments de ce circuit identiques à ceux du circuit de la figure 2 portent les mêmes références.
Ce circuit se distingue par un condensateur de charge supplémentaire C5 et un dispositif de commutation comprenant outre un interrupteur K2 également un commutateur K3.
Les deux inducteurs Il, Il'sont de même imbriqués et un double trait schématise leur couplage électromagnétique dans le foyer FI.
L'interrupteur K2 peut se mettre dans une position de fermeture (figure 2) et dans une position d'ouverture (figure 2A). Le commutateur K3 peut se mettre dans une position a (figure 2) ou une position b (figure 2A).
Ainsi, suivant la position de l'interrupteur K2 et du commutateur K3, on peut faire fonctionner les deux
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foyers Fl, F2 séparément en les alimentant chacun par son générateur Gl, G2 ou faire fonctionner le foyer Fl en puissance en l'alimentant avec les deux générateurs Gl, G2. Dans le premier cas, les circuits résonants sont constitués, pour le foyer Fl par l'inductance Ll et les condensateurs de charge Cl, C2 et pour le foyer F2, par l'inductance L2 et les condensateurs de charge C3, C4. Lorsque les deux générateurs Gl, G2 sont reliés aux deux inductances Il, Il'du foyer Fl, le circuit résonant est formé par les inductances Ll, Ll'en série avec le condensateur de charge C5.
La figure 2 montre pour la position en trait plein des éléments de commutation (interrupteur K2 commutateur K3) l'alimentation de l'inducteur Il du foyer Fl puisque le circuit résonant Ll, Cl, C2 est relié à l'alimentation et le fonctionnement du foyer F2 puisque le circuit résonant L2, C3, C4 est branché sur l'alimentation.
Dans ce mode de fonctionnement, les commandes des deux onduleurs sont indépendantes en fonction des ordres de commande et de leur charges respectives ; comme pour le schéma de la figure l, les fréquences de fonctionnement sont complètement asynchrone ce qui nécessite un écartement suffisant des deux foyers distincts.
La figure 2A montre la position des éléments de commutation K2, K3 pour le fonctionnement du foyer Fl en puissance, le foyer F2 étant déconnecté.
Les interrupteur et commutateur K2, K3 occupent la position suivante : l'interrupteur K2 est ouvert et le commutateur K3 est sur la position b mettant en série les inducteurs (inductances Ll + L'1) sur le condensateur C5 et coupant le circuit résonant de l'inducteur 12 du foyer F2.
Les courants circulant dans les inductances Ll, L'l sont alors parfaitement identiques et ceci quelque soit la tolérance sur les composants, notamment les condensateurs de résonance, puisque ces inductances sont alimentées en série.
L'état de commutation des deux modes de fonctionnement du circuit de la figure 2 se résume de la manière suivante :
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Etat normal
Fonctionnement normal et indépendant des foyers FI et F2 :
Ll et L2 : actifs L'l = 0 K2 = 1
K3 = a (figure 2)
Etat de puissance
Fonctionnement en forte puissance du foyer FI :
Ll + L'l : actifs L2 = 0 K2 = 0
K3 = b (Figure 2A)
La figure 3 montre une simplification du circuit de la figure 2, minimisant le nombre de condensateurs utilisés.
Dans cette variante, on utilisera les mêmes références que ci-dessus pour désigner les mêmes éléments.
La modification réside dans la transformation du condensateur de découplage Cd qui est séparé en deux condensateurs Cdl, Cd2 formant un diviseur capacitif donnant une tension quasi fixe. Pour cela, il faut respecter les conditions entre les capacités Cdl, Cd2, Cl et C2 suivantes :
Cdl + Cd2 Cl
Cdl + Cd2 C2
Séparer le condensateur de découplage en deux condensateurs est particulièrement intéressant pour réduire l'épaisseur globale du générateur.
Comme précédemment, cette plaque de cuisson peut fonctionner selon un mode normal à deux foyers indépendants et un mode à un seul foyer de forte puissance.
Ces deux modes sont respectivement représentés pour la position des interrupteur et commutateur K2, K3 composant le dispositif de commutation à la figure 3 et à la figure 3A.
Le condensateur C5 de la seconde variante (figure 2) n'existe pas dans ce cas.
Les deux modes de fonctionnement sont les suivants :
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Etat de fonctionnement normal (Etat normal) à foyers Fl, F2 indépendants :
L'interrupteur K2 est fermé et le commutateur K3 sur la position a. Les inductances Ll, L2 des inducteurs des deux foyers Fl, F2 sont reliées séparément, chacune à son générateur Gl, G2.
L'inductance L'l n'est pas branchée.
Le circuit oscillant de l'inducteur Il seule mise en oeuvre pour le foyer Fl est formé par l'inductance Ll et les condensateurs Cl, Cdl, Cd2.
Le circuit oscillant du générateur G2 est formé par l'inductance L2 et les condensateurs Cdl, Cd2.
Ce mode de fonctionnement se schématise comme suit :
Ll et L2 : actifs
L'l = 0 K2 = l
K3 = a (figure 3)
Le second état de fonctionnement correspond au fonctionnement en forte puissance du foyer Fl seul, le foyer F2 n'étant pas alimenté. L'interrupteur K2 est alors ouvert et le commutateur K3 sur la position b.
Dans ce cas, les inductances Ll, Ll'des inducteurs Il, Il'du foyer Fl sont branchées en série sur les condensateurs Cl, C2 et constituent la charge du pont en H formé par les deux convertisseurs élémentaires Gl, G2.
Ce mode de fonctionnement est schématisé comme suit :
Ll + Ll' : actifs
L2 = 0 K2 = 0
K3 = b (figure 3A)
Ce montage offre l'avantage de réduire sensiblement le volume global des condensateurs pour un fonctionnement quasiment identique au fonctionnement précédent.
D'une façon générale, les montages 2 et 3 n'obligent plus à utiliser des inducteurs particuliers ramenant une impédance identique en charge. Il est alors possible d'étendre les configurations de disposition des inducteurs en réalisant des foyers de formes et de dimensions diverses en
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associant des inducteurs élémentaires. On peut par exemple réaliser des foyers allongés destinés à chauffer des plats à poisson, ces foyers allongés étant formés par exemple de deux foyers placés l'un à côté de l'autre. La fréquence de fonctionnement est alors unique de par les structures employées.
Ceci impose cependant un courant identique dans ces foyers et donc l'impossibilité de régler séparément la puissance sur des foyers voisins. Il est cependant possible en conservant une fréquence unique ou des fréquences multiples, de régler séparément les puissances de foyers voisins, il est alors nécessaire d'utiliser des structures particulières faisant apparaître la notion de générateur maître et de générateurs esclaves dont les fonctionnements seront liés au fonctionnement du maître.
La figure 4 montre une réalisation pour alimenter par exemple trois inducteurs Il, 12, 13 dont les inductances respectives Ll, L2, L3 sont quelconques.
Ce circuit peut être utilisé pour l'alimentation de 2 à n inducteurs ; pour 1 inducteur, on retrouve le schéma d'un demi-pont à résonance série classique.
Les circuits oscillants sont formés chaque fois par les inductances Ll, L2, L3 et les condensateurs (calo, C'10), (C20, C'20), (C30, C'30) associés. Ce circuit comprend plusieurs onduleurs à résonance sur une fréquence de base commune. On retrouve différents générateurs.
Ainsi, lorsque les transistors T30, T40 sont bloqués, on alimente l'inductance Ll par l'intermédiaire du demi-pont (T10, T20).
Lorsque les transistors T10 et T20 sont bloqués, les transistors T30, T40 alimentent l'inductance L3. Enfin, lorsque les transistors T10, T40 sont bloqués, on alimente l'inductance L2 par l'intermédiaire du demi-pont (T20, T30). On peut également les alimenter simultanément en commandant un inducteur en inducteur maître et en commandant les autres inducteurs par la même tension mais avec un rapport cyclique réglable selon la technique de modulation de largeur d'impulsion MLI. Dans ce cas, on adapte la capacité des condensateurs de résonance pour que tous les interrupteurs
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travaillent selon un mode de commutation en thyristor dual.
Dans ce cas, on a également une commutation douce à partir d'une seule fréquence pour des charges néanmoins différentes associés à chacun des inducteurs Il, 12, 13 qui peuvent être utilisés simultanément et placés à proximités les uns des autres sans risque de générer des battements de fréquence tout en autorisant des puissances différentes sur des inducteurs voisins alimentés par des onduleurs différents, les réglages des puissances se faisant en fonction de la largeur des impulsions (MLI). On notera qu'un mode hacheur MLI sans passer par cet artifice entraînerait un surdimensionnement très important du générateur en raison du caractère très selfique des inducteurs.
Ce caractère très selfique peut être atténué en rapprochant au maximum l'inducteur de sa charge, voire en remplaçant le matériau en verre vitrocéramique par un matériau plus résistant d'une épaisseur moindre assurant l'isolement électrique de l'inducteur et de sa charge.
La figure 5 montre une variante du circuit de la figure 4 pour un nombre plus important d'inducteurs à piloter selon ce même principe avec un inducteur maître et des inducteurs esclaves en travaillant en commutation au passage par zéro de la tension (commutation ZVS) pour tous les générateurs alimentant les inducteurs esclaves.
Le circuit se compose d'un circuit maître dans la partie haute L, (CO, C'0) et de circuits esclaves formés par les inductances LA, LB, LC, LD et les condensateurs associés (CA, C'A), (CB, C'B), (CC, C'C), (CD, C'D). Chaque circuit oscillant ainsi formé est commandé par des commutateurs (T2i, T3i) (T21, T22, T23, T24..., T31, T32, T33, T34).
L'interrupteur Tl est commandé par une tension classique et chacun des bras T2i, T3i est commandé suivant un rapport cyclique variable à l'intérieur de cette tension, réglable séparément pour chaque générateur.
Les conditions de commutations en mode ZVS sont les suivantes : * lors de l'ouverture d'un interrupteur T2i, le courant Ii doit être supérieur à 0,
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EMI18.1
* pour pouvoir ouvrir les interrupteurs T3i (qui doivent tous être ouverts simultanément), il faut que - 10 > Il + 12 +... +Ii-1.
Parallèlement, on peut générer le courant Io de manière fixe et contrôlée en alimentant non un inducteur mais par exemple une inductance pure de valeur fixe ; les valeurs crêtes du courant seront fixes et calculées pour permettre la commutation ZVS de tous les générateurs. Cette structure modulaire est bien adaptée au pilotage d'un système d'inducteurs à grand nombre d'enroulements élémentaires. La puissance de chaque générateur est alors faible.
Cette structure selon l'invention permet donc d'utiliser dans une même table de cuisson des inducteurs séparés et de les rapprocher suffisamment pour qu'ils puissent former une grande surface de cuisson pouvant chauffer soit un récipient unique de grande dimension à forte puissance, soit différents récipients à des puissances qui peuvent être différentes. Les convertisseurs esclaves étant de faible puissance, il est possible d'utiliser des composants très économiques comme indiqué ci-dessus, car utilisés par ailleurs en très grande série.
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Induction hob with induction hobs powered by generators
The present invention relates to an induction cooktop comprising induction fireplaces powered by generators.
Induction cooking or more generally induction heating uses the eddy currents induced in a room to be heated, made of electrically conductive material by a high frequency magnetic field. This piece is for example a pan. The magnetic field is generated by an inductor supplied with high frequency alternating current by a generator which adapts the frequency and the amplitude of the current according to the desired heating. The frequency suitable for heating depends on a certain number of parameters and in particular on the relative magnetic permeability Pr of the container and on its electrical conductivity 0.
Starting from the skin thickness that we take for example equal to half the thickness of the bottom of the container to be heated, we then determine the pulsation w using the formula:
EMI1.1
whose frequency is deduced by the formula:
EMI1.2
An optimal frequency to be used is thus obtained of the order of 10 to 50 kHz.
The generator is supplied from the electrical network, the supply voltage of which is rectified and filtered. The generator supplied by this rectified voltage U is generally a resonance generator. In fact, the inductors are typically produced by winding an electrical conductor in a spiral so that the opposite load brings back on this inductor to the operating frequency a
EMI1.3
p = U2 / p resistance R compatible with the power P = U2 IR to be transmitted to the load. These same inducers are generally
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mechanically, electrically and thermally isolated from the load to be heated, which leads to an air gap of several millimeters between the load and the inductor. At this distance and in this frequency range, the Impedance Z = R + j.
L. w of the charged inductor is highly reactive which leads to a quality factor of the inductor Q = L. w / R 1. It then suffices to add one or more capacitors C to the inductor L to form a frequency resonant circuit:
EMI2.1
For this reason, the generators are mainly resonance inverters. The Impedance Z and particularly the inductance L of the inductor depending on the characteristics of the load, the operating frequencies in an induction hob comprising several fires are generally not identical but similar.
This phenomenon is further accentuated by the fact that in order to maintain soft switching modes, the power adjustments are generally made by adjusting the working frequency and therefore two homes intended for heating identical loads at different powers will use different frequencies. It should be noted that this adjustment mode has the drawback of making the inverter work at frequencies far from its natural resonant frequency, which generates high losses. The best compromise is to work in dual thyristor by working for the maximum power as close as possible to the resonance which is the lowest working frequency and to lower this power, increase the working frequency.
These neighboring frequencies generate beats which are transmitted to the container to be heated and which, because of their small difference, are in the audible range (a few Hz to a few kHz). These frequency beats, apart from the noise they cause in the loads, generate
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difficulties in controlling independent generators.
To avoid this phenomenon which, due to its amplitude, can make the use of the product very unpleasant, it is necessary to separate the different pairs (generators-induction fireplaces), which is a very significant handicap to the modularity of the products; for the same reason, it is impossible, for example, to heat a large container on several nearby fireplaces supplied by different generators.
One known solution consists in cyclically supplying neighboring homes at a period varying from one second for mechanical switching devices to ten milli-seconds for completely electronic solutions. In these two cases, the generators must be oversized in power because the power is not permanently transmitted to the hearth but alternately with a duty cycle varying according to the powers required on each hearth connected to the generator.
In addition, this cyclic supply can be felt as a gene for the use of the device due to sudden power variations in the load if the period is of the order of a second or due to noise related to switching if this period is of the order of a few milliseconds which corresponds to frequencies of a few hundred Hertz.
Another known solution in the field of power control and electronics consists in supplying inductors at the same frequency using hard switching generators, for example a chopper, the power adjustment mode of which can then be done at fixed frequency in (PWM) Pulse Width Modulation mode. However, it does not make sense to use this type of generator to supply conventional inductors, in particular because of the high quality factor of the coils at the working frequency. This in fact causes a difficulty in circulating the current in the inductive coils (triangular currents) and significant losses when one stops.
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the current in these coils, this resulting in a very significant oversizing of the power generator.
The object of the present invention is to remedy these drawbacks and proposes to develop a low or high power induction hob and, in general, an induction heating device operating with a single frequency or at multiple frequencies for avoid beating, and especially allowing the use of low power generators and in particular modular generators.
To this end, the invention relates to a hob of the type defined above, characterized in that the inductors neighboring or constituting the same hearth are supplied at the same frequency or at multiple frequencies and in that it comprises at minus a high power hearth composed of at least two inductors having an almost identical load impedance brought down on these inductors whatever the load placed on this hearth. A single command then controls the generators which operate in resonant mode with soft switching.
Advantageously, this hob comprises two induction fireplaces equipped with inductors, at least one of the fireplaces (first hearth) being of high power with at least two inductors having an almost identical load impedance whatever the nature , the shape and the position of the load placed on this hearth. An inverter generator is associated with each household and operates by soft switching, a single control driving the two generators. A switching device is associated with the generator of the second focus and has two states: * a normal state for which the switching device connects the generator to the inductor of the second focus, * a power state in which the switching device connects the second hearth generator to the second inductor of the first hearth.
The resonance inverter generators, when synchronized in frequency, make it possible to create a high power hearth with generators of low power.
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particularly economical because it operates continuously in soft switching mode. A switching device makes it possible to switch the power of two or more generators to different homes, but it is quite possible not to use this switching device and to permanently connect several generators to a home, thereby increasing its power. .
Thanks to the switching device, the hob makes it possible to take advantage of the fact that in everyday use of the appliances, there is no need for the user to continuously have high powers, all the more so than with induction systems. where power is transmitted directly to the load, the efficiency is particularly high. These powers are useful during special preparation and for short durations (boiling water, heating large quantities of liquid, setting up a large temperature grill). In steady state, the powers required to maintain a cooking (boiling, simmering) are much lower and can be supplied by a single generator.
In this hob, the two hearths can each be formed by two or more inductors having, for each hearth, an almost identical load impedance brought down by its inductors; each hearth being associated with a generator, switching devices make it possible to connect generators of other hearths to the inductors of the same hearth so as to have a large power supplied by several low power generators and not by a single generator of high power. This allows in particular a modular and large-scale production of low-power resonance inverter generators, which can also be used in many other fields.
The market for power electronics and frequency converters is in full expansion and some applications are or will soon be produced in millions of copies such as frequency converters for motor control or power supplies for magnetrons of microwave ovens
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for example. It is therefore economically very advantageous to be able to benefit from this scale effect, either on the power components, or on the control microcontrollers, or on the generators themselves. Mass production is done on converters with lower power.
The embodiment described makes it possible to have generators of various power by coupling these low-power converters to households whose power will be equal to the sum of the powers of the converters connected to the household.
The frequency of the different generators connected to a fireplace must therefore be identical or multiple of a single frequency. The phase of the different generators is generally zero (generators in phase) but it may be advantageous to drive generators in phase opposition in order to accumulate the magnetic flux of neighboring inductors which also has the effect of reducing the magnetic field in the vicinity immediate inductors. In the case of tangled inductors making up the same focal point and each bringing an almost identical load impedance, if the same number of tangled inductors is in phase and in opposition, then, the focal point will generate a magnetic field and therefore an almost zero power .
By varying the respective phases of the generators connected to the hearth from 180 to 0, it is very easy to vary the power of the hearth from 0 to the total power of all the generators connected to the hearth when they are all in phase. This is particularly interesting because the power adjustment can then be done at a fixed frequency which can be chosen sufficiently close to the natural resonance of the converter so as to minimize the losses in it. The power setting is much finer because it is difficult to increase the working frequency of the generator indefinitely relative to its natural resonance to lower its power and below a certain power, cutting techniques must be used to reach sufficiently low powers.
Finally, canceling the field of an inductor by controlling the converters connected to it can also be special.
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ment interesting in order to minimize the magnetic leakage field in the case of inductors not or poorly coupled to loads.
According to other advantageous characteristics, the table comprises several small power generators connected to one or more inductors; the single control comprises a sensor detecting the presence of a load on an inductor to authorize its supply by one or more generators; the single command controls the neighboring inductors so that their electromagnetic fields are in cumulative flux between the inductors and under the load; the single control controls the inductors of the same hearth by adjusting the relative phase of the currents supplied by the generators associated with these inductors in a phase shift range between 0 and 180 in order to adjust the power of the hearth or limit the radiation from the home;
the table is made up of low-power generators produced in large series with devices making it possible to combine them and to create large-power fireplaces; the induction coils are able to withstand high temperatures and are arranged as close as possible to the load while being electrically insulated so that the resistance of the coil under load is high compared to its inductance; the generator comprises a decoupling capacitor fragmented so as to create a capacitive divider with almost fixed voltage; the switching device consists of a switch for connecting the generator of the second focus to the second inductor of the first focus;
the switching device comprises a switch between the junction point of the inductances of the first focus and the capacitors of the resonant circuit of the first inductance of the first focus to close (open) the resonant circuit of the first inductor of the first focus and a com- mutator to connect the inductor of the second fireplace to
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its generator or to connect the second generator to the second inductor of the first home, in series with the first inductor of this first home and in series with a common capacitor.
The present invention will be described below in more detail with the aid of the appended drawings in which: FIG. 1 is a diagram of a first embodiment of a two-burner hob according to the invention, in normal and independent operating mode of the two hearths, - Figure lA shows the diagram of Figure 1, in power operating mode on the hearth composed of tangled inductors bringing an impedance in identical load, - Figure 2 shows a diagram of a first alternative embodiment of a hob with two hearths, in normal operating mode and independent of the two hearths, - Figure 2A shows the diagram of the hob of Figure 2 in operating mode of power,
- Figure 3 shows a second alternative embodiment of a hob with two fireplaces according to the invention, in normal operating mode, - Figure 3A shows the diagram of the hob of Figure 3 in operating mode power, - Figure 4 shows an embodiment of a hob with three inductors bringing an impedance under any load.
- Figure 5 shows a generalization of the hob of Figure 4 can work with several inductors bringing an impedance in any load.
According to Figure 1, the invention relates to an induction cooktop not shown, comprising two foci Fl, F2. One of the first Blur outbreaks is planned
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to provide high power while the other focus F2 is only intended to provide average power.
The high-power focal point Fi comprises two inductors L1, L'1 having an impedance under load reduced to these inductors almost identical. This identical load impedance is obtained by the design of the inductors, not described here. This impedance under load is the same whatever the nature, the shape and the position of the load, that is to say the utensil to be heated, placed on the hearth Fi equipped with its two inductors.
These homes are supplied with high frequency current as is generally known, from a DC voltage source shown diagrammatically by E. This source in fact represents a rectifier and filter assembly connected to the electrical distribution network and providing output a rectified voltage having a DC component.
This DC voltage supplies two generators with a resonance inverter Gl, G2. The generator Gl is associated with the focus Fi and the generator G2 with the focus F2. These generators operate by soft switching. They are each composed of two transistors Tl, T2 or T3, T4 usually provided with non-referenced diodes and capacitors. These generators each supply an oscillating circuit formed by an inductance and a capacity, the resistances brought back by the loads on the inductors are not represented and are implicitly included in the terms Li, in series with the resistances.
The oscillating circuit of the generator Gl is formed by the inductance Ll of the inductor Il of the focal point Fi and of charge capacitors Cl, C2.
The oscillating circuit of the generator G2 is formed of the inductance L2 of the inductor 12 of the focus F2 and of charge capacitors C3, C4.
The transistors Tl, T2 and T3, T4 of the two generators G2, Gl are connected to a single control CU which controls them either independently or in synchronism.
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The power source F1 is made up of two inductors L1, L1 combined so that their impedance reduced to load is identical; and their coupling is shown in Figure 1.
The power supply E is decoupled by a decoupling capacitor Cd.
The circuit also includes a switching device with two states, normal and a power state.
In the example, the switching device is formed of a two-position switch K1 associated with the generator G2 of the second focus F2. This switch K1 can go into the normal state (FIG. 1) in which it closes the circuit of the generator G2 since the latter is then connected to the inductance L2 of the inductor 12 and allows the supply of the hearth F2. This switch Kl can also go into a second state or power state (FIG. 1A) in which it ensures the connection of the inductance Ll 'of the first focal point Fl, so that in this position the inductance LI is supplied by the generator Gl and the inductance L'l by the generator G2, the inductance L2 of the second focus F2 being disconnected.
As by hypothesis in this second position, the impedances and therefore the inductances L1, L'1 are identical under load, the two inductors Il'1'1 of the focus F1 can be controlled synchronously and work synchronously in soft switching mode .
The two generators supply a variable power between 0 and a maximum power P equal or different for both in normal position, when the switch Kl ensures the connection of the inductor 12, the foci Fl and F2 can both receive a power going up to 'at the maximum power P of each of the generators Gl, G2 to which they are independently connected. The two generators can also be dimensioned for different powers.
In the second so-called power state, the focal point F1 receives double power, which can go up to the maximum power 2P.
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It should be noted that the inductors L1, L1 'being coupled by their arrangement in their inductor of the focal point F1, it is necessary that the currents passing through them be synchronous. This is ensured by the single control CU of the two generators Gl, G2 and by the fact that the load which is applied to them is the same.
This arrangement of FIG. 1 can be generalized to a number (n) of inverters making it possible to transmit a power ranging from 0 to n * P to a household. This allows, as already mentioned above, to achieve a high power fireplace with low power generators. For example, for certain professional uses, fireplaces with a power of the order of 7 to 8 kW are required. It is thus possible to produce a hearth with a power of 7.2 kW using four generators each having a power of 1.8 kW connected to a hearth with four nested inductors. This assembly is also applicable to combinations of nested inductors, these then having to bring an impedance under identical or multiple load so that the operating frequencies of the different generators are identical or multiple.
In the case of (n) inverters, these can also advantageously have (n ') switching devices so that in a power position, a household can receive the power of (n) generators or several households can receive a power greater than the power of a single generator and that in the normal position, the (n) generators each deliver to a hearth on the induction hob, some hearths being able to operate continuously with several generators.
The diagram of FIG. 1 can also be generalized to be completely symmetrical, that is to say have two fireplaces each having two inductors so as to allow the independent supply of each of the fireplaces with its generator, and the implementation of only one of the two inductors or to connect the two generators to the two inductors of the same household. This may be necessary in certain configurations of heating surfaces to have powerful fireplaces at the front of the plate.
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heats and not only at the back as is traditionally the case.
Since cooktops generally include four fireplaces, it is sufficient to offer two potentially very powerful fireplaces. Temporary stopping of the front hearth during high power use of the rear hearth is not a problem since the power of each generator is relatively high for example (1400 to 1800 W maximum) and there are still two additional fireplaces available on the hob. Finally, this is particularly interesting because the surfaces of the fireplaces are different and correspond better to normal use or pots of different sizes are used, the large ones on large fireplaces which can be very powerful and the small ones on small fireplaces whose power remains sufficient in relation to the size of the load to be heated.
In the assembly according to FIG. 1, the loads must be very similar. This not only imposes obligations on the design of the inductors II, but also on the tolerances of the resonance capacitors.
FIG. 2 shows an alternative embodiment of the hob according to the invention, making it possible to avoid the constraints imposed on the components of the oscillating circuits.
The elements of this circuit identical to those of the circuit of Figure 2 have the same references.
This circuit is distinguished by an additional charge capacitor C5 and a switching device comprising in addition to a switch K2 also a switch K3.
The two inductors Il, Il 'are likewise nested and a double line diagrams their electromagnetic coupling in the focal point FI.
The switch K2 can be put in a closed position (figure 2) and in an open position (figure 2A). The switch K3 can be put in a position a (figure 2) or a position b (figure 2A).
Thus, depending on the position of switch K2 and switch K3, we can operate both
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foci Fl, F2 separately by supplying them each with its generator Gl, G2 or operating the hearth Fl in power by supplying it with the two generators Gl, G2. In the first case, the resonant circuits are constituted, for the focus Fl by the inductance Ll and the charge capacitors Cl, C2 and for the focus F2, by the inductance L2 and the charge capacitors C3, C4. When the two generators Gl, G2 are connected to the two inductors Il, Il 'of the focal point Fl, the resonant circuit is formed by the inductors Ll, Ll' in series with the charge capacitor C5.
Figure 2 shows for the solid line position of the switching elements (switch K2 switch K3) the supply of the inductor Il of the hearth Fl since the resonant circuit Ll, Cl, C2 is connected to the supply and the operation of the hearth F2 since the resonant circuit L2, C3, C4 is connected to the power supply.
In this operating mode, the controls of the two inverters are independent according to the control orders and their respective loads; as for the diagram of figure l, the operating frequencies are completely asynchronous which requires a sufficient spacing of the two distinct foci.
FIG. 2A shows the position of the switching elements K2, K3 for the operation of the hearth Fl in power, the hearth F2 being disconnected.
The switch and switch K2, K3 occupy the following position: the switch K2 is open and the switch K3 is in position b putting in series the inductors (inductances Ll + L'1) on the capacitor C5 and cutting the resonant circuit of inductor 12 of focus F2.
The currents flowing in the inductors L1, L'l are then perfectly identical and this whatever the tolerance on the components, in particular the resonance capacitors, since these inductors are supplied in series.
The switching state of the two operating modes of the circuit in FIG. 2 can be summarized as follows:
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Normal state
Normal and independent operation of the FI and F2 fireplaces:
Ll and L2: active L'l = 0 K2 = 1
K3 = a (figure 2)
Power state
High power operation of the FI hearth:
Ll + L'l: active L2 = 0 K2 = 0
K3 = b (Figure 2A)
Figure 3 shows a simplification of the circuit of Figure 2, minimizing the number of capacitors used.
In this variant, the same references will be used as above to designate the same elements.
The modification lies in the transformation of the decoupling capacitor Cd which is separated into two capacitors Cdl, Cd2 forming a capacitive divider giving an almost fixed voltage. For this, the conditions between the following capacities Cdl, Cd2, Cl and C2 must be respected:
Cdl + Cd2 Cl
Cdl + Cd2 C2
Separating the decoupling capacitor into two capacitors is particularly advantageous for reducing the overall thickness of the generator.
As before, this hob can operate in a normal mode with two independent stoves and a mode with a single high-power stove.
These two modes are respectively represented for the position of the switch and switch K2, K3 composing the switching device in FIG. 3 and in FIG. 3A.
The capacitor C5 of the second variant (Figure 2) does not exist in this case.
The two operating modes are:
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Normal operating state (normal state) with independent Fl, F2 foci:
The switch K2 is closed and the switch K3 in position a. The inductances L1, L2 of the inductors of the two foci Fl, F2 are connected separately, each to its generator Gl, G2.
The inductor L'l is not connected.
The oscillating circuit of the inductor II only implemented for the focus Fl is formed by the inductance Ll and the capacitors Cl, Cdl, Cd2.
The oscillating circuit of the generator G2 is formed by the inductance L2 and the capacitors Cdl, Cd2.
This operating mode is shown as follows:
Ll and L2: active
L'l = 0 K2 = l
K3 = a (figure 3)
The second operating state corresponds to the high power operation of the hearth F1 alone, the hearth F2 not being supplied. Switch K2 is then open and switch K3 in position b.
In this case, the inductors Ll, Ll 'of the inductors Il, Il' of the focal point Fl are connected in series with the capacitors Cl, C2 and constitute the charge of the bridge in H formed by the two elementary converters Gl, G2.
This operating mode is shown schematically as follows:
Ll + Ll ': active
L2 = 0 K2 = 0
K3 = b (Figure 3A)
This arrangement offers the advantage of significantly reducing the overall volume of the capacitors for operation which is almost identical to the previous operation.
In general, the assemblies 2 and 3 no longer require the use of particular inductors bringing an identical impedance under load. It is then possible to extend the arrangement configurations of the inductors by making hearths of various shapes and sizes in
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combining elementary inducers. It is possible, for example, to produce elongated stoves intended for heating fish dishes, these elongated stoves being formed for example of two stoves placed one next to the other. The operating frequency is then unique due to the structures used.
This however imposes an identical current in these homes and therefore the impossibility of separately regulating the power on neighboring homes. It is however possible by keeping a single frequency or multiple frequencies, to separately regulate the powers of neighboring homes, it is then necessary to use special structures showing the concept of master generator and slave generators whose operations will be linked to operation of the master.
FIG. 4 shows an embodiment for supplying for example three inductors Il, 12, 13 whose respective inductances L1, L2, L3 are arbitrary.
This circuit can be used to supply 2 to n inductors; for 1 inductor, we find the diagram of a classic series resonance half-bridge.
The oscillating circuits are formed each time by the inductors L1, L2, L3 and the capacitors (calo, C'10), (C20, C'20), (C30, C'30) associated. This circuit includes several inverters with resonance on a common base frequency. There are different generators.
Thus, when the transistors T30, T40 are blocked, the inductance L1 is supplied via the half-bridge (T10, T20).
When the transistors T10 and T20 are blocked, the transistors T30, T40 supply the inductance L3. Finally, when the transistors T10, T40 are blocked, the inductance L2 is supplied via the half-bridge (T20, T30). They can also be supplied simultaneously by controlling an inductor as a master inductor and by controlling the other inductors by the same voltage but with an adjustable duty cycle according to the PWM pulse width modulation technique. In this case, we adapt the capacity of the resonance capacitors so that all the switches
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work in a dual thyristor switching mode.
In this case, there is also a soft switching from a single frequency for nevertheless different loads associated with each of the inductors Il, 12, 13 which can be used simultaneously and placed close to each other without risk of generating frequency beats while authorizing different powers on neighboring inductors supplied by different inverters, the power settings being made as a function of the pulse width (PWM). It will be noted that a PWM chopper mode without going through this device would lead to a very significant oversizing of the generator due to the very self-inductive nature of the inductors.
This very self-inducing character can be attenuated by bringing the inductor as close as possible to its charge, or even by replacing the glass ceramic material with a more resistant material of less thickness ensuring the electrical isolation of the inductor and its charge.
FIG. 5 shows a variant of the circuit of FIG. 4 for a larger number of inductors to be piloted according to this same principle with a master inductor and slave inductors while working in zero-crossing switching of the voltage (ZVS switching) for all generators supplying slave inductors.
The circuit consists of a master circuit in the upper part L, (CO, C'0) and slave circuits formed by the inductances LA, LB, LC, LD and the associated capacitors (CA, C'A), ( CB, C'B), (CC, C'C), (CD, C'D). Each oscillating circuit thus formed is controlled by switches (T2i, T3i) (T21, T22, T23, T24 ..., T31, T32, T33, T34).
The switch Tl is controlled by a conventional voltage and each of the arms T2i, T3i is controlled according to a variable duty cycle within this voltage, adjustable separately for each generator.
The switching conditions in ZVS mode are as follows: * when a T2i switch is opened, the current Ii must be greater than 0,
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EMI18.1
* to be able to open the switches T3i (which must all be open simultaneously), it is necessary that - 10> Il + 12 + ... + Ii-1.
At the same time, the current Io can be generated in a fixed and controlled manner by supplying not an inductor but for example a pure inductance of fixed value; the peak current values will be fixed and calculated to allow ZVS switching of all generators. This modular structure is well suited to piloting a system of inductors with a large number of elementary windings. The power of each generator is then low.
This structure according to the invention therefore makes it possible to use separate inductors in the same hob and to bring them close enough so that they can form a large cooking surface which can heat either a single large container with high power, or different containers with powers that may be different. As the slave converters are of low power, it is possible to use very economical components as indicated above, since they are also used in very large series.