Dispositif de chauffage par induction
La présenté' invention concerne un dispositif
de chauffage par induction destiné notamment à servir de dispositif de cuisson pour appareil électroménager de cuisson.
Un dispositif de chauffage par induction comprend un matériau électrcconducteur soumis à un champ magnétique alternatif qui produit dans le matériau des pertes par courant de Foucault et par hystéresis, si bien que ce matériau s'échauffe. Le champ magnétique est engendré par une bobine d'induction excitée par un courant alternatif à fréquence élevée, par exemple une fréquence ultrasonique de l'ordre de 30 kHz.
Dans les dispositifs connus le courant de chauffage excitant la bobine d'induction est produit par un convertisseur comprenant essentiellement un étage de redressement et un ensemble de commutation à semiconducteurs commandés par un générateur d'impulsions.
Les dispositifs connus présentent néanmoins plusieurs inconvénients majeurs, à savoir :
1. Comme la bobine d'induction a une impédance faible,
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dont 1 à 2 ohms de valeur active, le convertisseur doit pouvoir fournir un courant d'amplitude élevée afin que la puissance de chauffage produite puisse être élevée..
2. En raison de la fréquence élevée et de l'impédance fortement réactive de la bobine d'induction à cette fréquence, la bobine d'induction constitue pour le convertisseur d'énergie ultrasonique une charge ayant un mauvais facteur de puissance. De ce fait, l'obten-
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apparente beaucoup plus importante que la puissance active désirée.
3. De ces deux premiers inconvénients il est aisé de déduire que les composants électroniques de commutation tels que transistors, thyristors, etc..., qui se trouvent éventuellement connectés en série avec la bobine, doivent être capables de supporter ces courants et tensions élevés, ce qui occasionne des pertes importantes au niveau de ces composants.
4. Le réglage de la puissance délivrée dans un ustensile de cuisson pose des problèmes encore plus épineux. Il existe plusieurs possibilités pour régler cette puissance:
(a) Varier -la tension d'alimentation continue du convertisseur. Pour obtenir cette variation on peut utiliser soit un redresseur contrôlé en phase connecté au réseau de distribution, soit un circuit d'alimentation à découplage haute fréquence. La première solution présente des inconvénients majeurs du point de vue de
la normalisation nationale et/ou internationale sur
la limitation des perturbations apportées aux réseaux
de distribution d'énergie. La seconde solution peut s'avérer onéreuse.
(b) Utiliser le convertisseur à sa puissance normale et obtenir un réglage de puissance en variant un
rapport cyclique marche-arrêt : la commande se fait alors par des "trains d'alternances" synchronisées ou non avec la tension d'alimentation du réseau de distribution. Ici aussi, la normalisation indiquée plus haut peut rendre la réalisation difficile.
(c) Varier la fréquence de fonctionnement du convertisseur ; la puissance délivrée par un système de chauffage par induction dans un matériau électroconducteur est en effet proportionnelle au carré de la fréquence du champ inducteur. Outre les problèmes de réalisation électronique que pose cette solution, apparaissent aussi des problèmes tels que :
- difficulté accrue d'éliminer les perturbations radioélectriques produites par le système de chauffage à induction <EMI ID=3.1> tensité sont audibles et gênantes pour les personnes et les animaux, et pour les commandes à distance par ultrasons (téléviseur, etc...)
- l'utilisation de fréquences élevées dans l'état actuel de la technologie des semi-conducteurs (c'est- <EMI ID=4.1>
le système onéreux et diminue le rendement énergétique du système de chauffage par induction.
(d) Varier mécaniquement la distance entre la bobine d'induction et l'ustensile de cuisson ; la puissance ultrasonique couplée dans un matériau électroconducteur dépend aussi du couplage entre ce matériau et la bobine inductrice ; cette approche est complexe et nécessite des techniques particulières de protection du convertisseur.
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chauffage par induction qui élimine les inconvénients cités ci-dessus. Le dispositif suivant l'invention se caractérise par un filtre d'accord formant avec la bobine d'induction un circuit résonant série-parallèle dont les sections série et parallèle sont accordées
à des fréquences déterminées, la section parallèle comprenant la bobine d'induction ; un circuit généra-
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appliquer des impulsions rectangulaires de fréquence élevée au filtre d'accord ; et un circuit pour régler la largeur des impulsions appliquées au circuit résonant.
Le circuit comprend également des moyens agencés en sorte de tester le dispositif de chauffage en permanence à périodes régulières afin de déterminer s'il est en état de fonctionnement normal ou s'il est en état d'être remis automatiquement en fonctionnement normal.
L'invention sera décrite ci-après plus en détail sur un exemple de forme de réalisation illustré aux dessins joints sur lesquels :
la figure 1 représente ach6matiquement un dispositif de chauffage par induction suivant l'invention ; - la figure 2 montre des formes d'ondes servant à comprendre le fonctionnement du circuit de la figure 1;
- les figures 3a à 31 illustrent diverses formes de réalisation du circuit selon l'invention.
On a montré schématiquement à la figure 1 la constitution d'un dispositif de chauffage par induction pour un appareil ménager de cuisson. Une bobine d'induction 1 montée en-dessous d'une plaque 2 en matière non conductrice de l'électricité, engendre un champ
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énergie à un ustensile de cuisson 3 par l'intermédiaire de l'entrefer et de la plaque 2 de manière à porter li
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induction 1 est alimentée par un circuit générateur de signal de fréquence ultrasonique comprenant essentiellement un oscillateur 4 et une bascule 5.
La figure 2 montre des formes d'ondes apparaissant en différents points du circuit. Le diagramme A montre un exemple de forme d'onde engendrée par l'oscillateur 4. La fréquence des impulsions rectangulaires est par exemple de 60 kHz. Ces impulsions attaquent la bascule 5, connue en soi, ayant deux sorties complémentaires auxquelles apparaissent des trains d'impulsions complémentaires montres aux diagrammes C et D . Le premier de ces trains d'impulsions est appliqué à une première entrée d'un circuit-ET 7 et le second train est appliqué à une entrée du circuit-ET 8. La seconde entrée de chacun de ces circuits-ET reçoit un train d'impulsions
montré au diagramme B, produit par un générateur d'impulsions 9, commandé lui-même par les transitions positives du signal engendré par l'oscillateur 4,
via le circuit-porte 25.
A la sortie de chacun des circuits-ET 7 et 8 apparaît une impulsion chaque fois qu'il y a concordance des niveaux logiques 1 aux deux entrées du circuit-ET. A la sortie du circuit-ET 7 apparaît un train d'impulsions comme montré au diagramme E, à la sortie du circuit-ET 8 apparaît un train d'impulsions comme montré au diagramme F. Les impulsions E et F amplifiéeset mises en forme dans les amplificateurs 11 et 12, respectivement, pilotent judicieusement les bases des transistors 13 et 14, respectivement, qui se trouvent
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connu en soi. Celui-ci comprend un transformateur 16 de conception particulière qui, suivant l'invention, est un transformateur à noyau ferritique adapté à la fréquence de travail. La géométrie de ce noyau est choisie afin de permettre l'utilisation du transtormateur en régime linéaire à la puissance désirée.
Ce transformateur peut être réalisé de diverses manières :
(a) avec enroulements primaire et secondaire isolés
(transformateur classique) comme le montre ia figure 3a ; : (b) avec enroulements primaire et secondaire non isolés
(auto-transformateur) comme le montre la figure 3b ; (c) avec enroulements primaire et secondaire isolés ou non mais en créant un flux magnétique de fuite bien défini au niveau du noyau du transformateur ; ceci a pour effet de créer une inductance de fuite qui, ramenée au secondaire, a une valeur telle qu'elle peut remplacer l'inductance 18 du circuit résonant série-parallèle comme le montre les figures 3c et 3d.
Le rapport de transformation entre les différents enroulements est judicieusement choisi en sorte d'obtenir une puissance désirée pour une tension d'alimentation déterminée. Il est possible, en choisissant convenablement les valeurs des composants 17, 18, 20 et 1 décrits ultérieurement, et sous certaines conditions
de tension d'alimentation et de puissance désirée, d'arriver à l'une ou l'autre des solutions montrées aux figures 3e et 3f, c'est-à-dire utiliser un transformateur sans prises intermédiaires.
Si par exemple on connectait une charge résistive aux bornes du secondaire du transformateur de la figure 3a, il apparaîtrait aux bornes de cette charge des impulsions bipolaires rectangulaires comme montré au diagramme G.
Suivant l'invention, le secondaire du transformateur
16 est connecté à un circuit résonant série-parallèle constitué du condensateur 17, de l'inductance 18, du condensateur 20 et de la bobine d'induction 1. Les valeurs des composants 17, 18, 20 et 1 sont choisies d'une façon telle que, la bobine d'induction étant chargée par un ustensile de cuisson adéquat et pour
une fréquence choisie, l'impédance d'entrée du circuit résonant série-parallèle présente les particularités suivantes :
a) elle devient pratiquement purement résistive, ce qui a pour résultat que le facteur de puissance devient voisin de l'unité ; b) l'amplitude de sa partie réelle devient plusieurs fois supérieure à la valeur de la partie réelle de l'impédance d'une bobine d'induction considérée seule, ce qui, en tenant compte du rapport de transformation du transformateur, a pour effet de diminuer considérablement le courant commuté par les éléments semi-conducteurs du convertisseur.
Dans le montage suivant l'invention,, la forme d' onde du courant collecteur des transistors 13 et 14,
est sensiblement semi-sinusoïdal, ce qui diminue fortement les pertes par commutation et par voie de conséquence accroît la fiabilité et améliore le rendement.
De plus, le choix judicieux des valeurs des composants 17, 18, 20 et 1 permet l'obtention, dans la bobine d'induction, d'un courant et d'une tension sinusoïdaux à faible taux de distorsion. De ces particularités résultent plusieurs avantages importants par rapport aux systèmes connus :
(a) les circuits soumis à des variations brusques de courant et de tension, et donc susceptibles de générer des perturbations radio-électriques, peuvent être facilement enfermés dans des enceintes type "cage de Faraday" ; la bobine inductrice, quant à elle, émet peu de parasites radio-électriques car elle est parcourue par un courant sinusoïdal de pureté spectrale raisonnable ; b) l'amplitude du courant sinusoïdal parcourant la bobine d'induction est directement proportionnelle à la largeur et à l'amplitude des impulsions rectangu- <EMI ID=10.1>
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amplitude des impulsions constante (amplitude liée à la tension d'alimentation du convertisseur push-pull)
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largeur de ces impulsions. Comme le convertisseur est alimenté par un circuit de redressement classique connecté directement au réseau de distribution, la charge que représente ce système de chauffage pour le réseau peut être similaire à une charge résistive variable ; c) contrairement à certains systèmes de chauffage par induction connus, l'absence d'ustensile de cuisson sur la bobine d'induction provoque dans le montage suivant l'invention :
- une impédance d'entrée élevée du circuit résonant série-parallèle, ce qui assure la stabilité.du convertisseur et limite le courant commuté par lesssemi-conducteurs, alors que dans certains autres systèmes, <EMI ID=13.1>
catastrophique du convertisseur.;
- un déphasage très important entre le courant et la tension de la bobine d'induction, ce déphasage permettant une détection aisée et très précise de la présence d'un ustensile de cuisson adéquat ou d'un couplage suffisant de l'ustensile ; ceci n'est pas le cas dans la plupart des systèmes connus où la détection de présence et/ou de couplage est basée sur une détection d'amplitude et/ou sur des phénomènes magnétomécaniques.
Suivant l'invention, pour régler la puissance on prévoit de régler l'angle de conduction des transistors
13 et 14. Pour ce faire, on prévoit un moyen 19 dans le générateur d'impulsions 9 afin de régler la largeur 9 des impulsions produites (voir diagramme B).
Un circuit est encore prévu pour contrôler la présence d'un ustensile de cuisson adéquat et/ou son couplage avec la bobine d'induction. Ce circuit est agencé en sorte de mesurer le décalage de phase entre la tension aux bornes de la bobine 1 et le courant la traversant. Le transformateur 21 mesure la tension
aux bornes de la bobine 1 tandis que le transformateur
22 mesure le courant qui la traverse. Les signaux.produits aux secondaires des transformateurs 21 et-22 sont appliqués à un circuit comparateur de phase 23 agencé en sorte de mesurer la différence de phase entre les deux signaux et de produire un signal de niveau logique 1 lorsque :
(a) il n'y a pas de tension sur ni de courant dans la bobine 1, c'est-à-dire lorsque le convertisseur <EMI ID=14.1>
(b) la différence de phase entre tension et courant ne dépasse pas une valeur prédéterminée, c'est-à-dire lorsqu'un ustensile de cuisson adéquat est présent et/ou est couplé de façon suffisante avec la.bobine d'induction.
Le circuit comparateur de phase 23 est agencé en outre pour produire un signal de niveau logique 0 lorsque la différence de phase est supérieure à la valeur prédéterminée, c'est-à-dire lorsqu'un ustensile adéquat n'est pas présent et/ou n'est pas couplé de façon suffisante avec la bobine d'induction.
La sortie du comparateur de phase 23 attaque un multivibrateur monostable 24 déclenchable par une transition de signal négative. La sortie du multivibrateur 24 est connectée à une entrée du circuit-ET 25 dont l'autre entrée est connectée à la sortie de l'oscillateur 4 et dont la sortie est connectée à une entrée de commande du générateur d'impulsions 9.
La sortie du multivibrateur 24 est à l'état 0 lorsque le multivibrateur 24 reçoit une transition
de signal négative et elle conserve cet état 0 pendant un laps de temps déterminé après quoi elle repasse dans son état stable 1. Pendant que la sortie du multivibratour 24 est à l'état 0 le circuit-ET 25 se.,trouve bloque et inhibe le générateur d'impulsions 9 et l'empêche temporairement de produire les impulsions B : le convertisseur ne-fonctionne pas. Ce cas se produit lorsqu'un ustensile de cuisson adéquat n'est pas présent et/ou n'est pas couplé de façon suffisante avec la bobine 1 car alors la sortie du circuit 23 est à l'état logique 0. Par contre, lorsque la sortie du multivibrateur 24 est à l'état 1, le circuit-ET 25 est validé et applique un signal de commande au générateur d'impulsions 9 en sorte de faire fonctionner le convertisseur normalement.
Ainsi donc, lorsqu'un ustensile de cuisson adéquat est présent et/ou se trouve couplé de façon suffisante avec la bobine d'induction 1, la sortie du circuit 23
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trouve pas déclenché, sa sortie restant à l'état stable 1 : le convertisseur fonctionne: normalement. Par contre, en l'absence d'ustensile adéquat ou lorsqu'un ustensile n'est pas couplé de façon suffisante avec la bobine
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ce qui a pour effet de déclencher le multivibrateur 24 dont la sortie prend pendant un court laps de temps l'état 0, bloquant ainsi temporairement le convertisseur. Après que le laps de temps prédéterminé se soit .écoulé, le multivibrateur 24 reprend son état stable et remet
le convertisseur en fonctionnement normal et le cycle recommence. Le circuit vérifie ainsi en permanence
la présence et/ou le couplage convenable d'un ustensile de cuisson adéquat et lorsque ces conditions ne se
trouvent pas vérifiées il se met en position d'attente
tout en effectuant périodiquement un nouveau test
(par exemple toutes les secondes) pour tenter de redémarrer le système. Le temps de réaction de la boucle
de mesure est de l'ordre de quelques dizaines de
microsecondes. Ainsi, le dispositif de chauffage par
induction suivant l'invention ne consomme que très pou d'énergie pendant l'état d'attente, et le champ magnétique est inexistant tant qu'un ustensile de cuisson
n'est pas présent.
REVENDICATIONS
1.- Dispositif de chauffage par induction comprenant une bobine d'induction afin d'engendrer un champ magnétique dans l'espace environnant, caractérisé en
ce qu'il comprend un filtre d'accord formant avec la
bobine d'induction un circuit résonant série-parallèle
dont les sections série et parallèle sont accordées
à des fréquences déterminées, la section parallèle
comprenant la bobine d'induction : un circuit générateur
de puissance agencé en sorte d'appliquer
des impulsions rectangulaires de fréquence élevée au
filtre d'accord ; et un circuit pour régler la largeur
des impulsions appliquées au circuit résonant. '