EP0188980B1

EP0188980B1 - Installation utilisable pour la réalisation de plaques de cuisson à chauffage par induction comportant plusieurs foyers réglables séparément et un seul générateur

Info

Publication number: EP0188980B1
Application number: EP19850420234
Authority: EP
Inventors: Michel Poumey
Original assignee: Cableco SA
Current assignee: Cableco SA
Priority date: 1984-12-20
Filing date: 1985-12-19
Publication date: 1990-05-23
Anticipated expiration: 2005-12-19
Also published as: DE3577964D1; FR2575354A1; FR2575354B1; EP0188980A1

Description

La présente invention concerne un perfectionnement apporté aux installations permettant de réaliser des plaques de cuisson à chauffage par induction et comportant plusieurs foyers réglables séparément.
Elle a trait plus particulièrement à un perfectionnement apporté aux installations alimentées directement par le courant du secteur (en général courant ayant une tension de 220 volts et une fréquence de 50 ou 60 Hz) et qui nécessitent pour leur fonctionnement l'utilisation d'un convertisseur (générateur) permettant d'obtenir une fréquence beaucoup plus élevée de l'ordre de 25 à 35 kHz. Dans la suite de la description, l'invention sera décrite pour une installation permettant la réalisation de plaques de cuisson à usage domestique ou professionnel, mais il est évident qu'elle n'est pas limitée à ce type d'application et qu'elle pourrait être utilisée dans tous les cas où se posent des problèmes similaires.
A ce jour, ainsi que cela ressort de la figure 1, ces plaques de cuisson fonctionnant directement sur le secteur comportent pour leur alimentation un convertisseur G utilisant des semi-conducteurs transistors ou thyristors. Généralement, la self induction du circuit oscillant (C.O.) du convertisseur G est directement utilisé en inducteur 1. Ce circuit oscillant, suivant le type de convertisseur G, est soit du type circuit série soit du type circuit bouchon. La self induction utilisée en inducteur 1 est une bobine dans l'air du type spirale plane se présentant sous la forme d'un disque d'un diamètre comparable à celui du fond de l'ustensile (casserole par exemple) à chauffer. Entre cette bobine 1 et le fond de l'ustensile, est interposée une plaque support (non représentée) en matériau non métallique sur laquelle repose l'ustensile et qui sert également à délimiter une certaine distance grâce à son épaisseur entre ledit ustensile et le plan supérieur de la bobine de l'inducteur (1). Le champ électromagnétique créé par le passage du courant haute fréquence produit par le convertisseur G provoque, lors de son passage dans la bobine inducteur 1 des courants de Fou- cault qui chauffent directement l'ustensile.
Un organe de réglage R de la puissance, propre aux convertisseurs G permet d'obtenir une modulation de la chaleur dissipée dans l'ustensile depuis le "feu doux" jusqu'au "feu vif".
Lorsque la plaque de cuisson ne comporte qu'un seul feu ainsi que cela ressort de la figure 1, la structure et le fonctionnement de l'installation sont les suivants. Le foyer de cuisson F proprement dit est alimenté au moyen d'un convertisseur de fréquence (générateur G fonctionnant sur le secteur) permettant d'obtenir à sa sortie une fréquence de 25 à 35 kHz pour une alimentation en 220 volts à une fréquence de 50 ou 60 Hz. Le générateur G alimente un inducteur I formant le foyer proprement dit et comporte un condensateur d'accord C ainsi qu'un moyen de réglage R de la puissance. Le condensateur C incorporé au générateur G est soit en série avec l'inducteur 1 soit, ainsi que cela est illustré à la figure 1, en parallèle avec lui dans le cas du circuit bouchon. Le moyen de réglage R de la puissance est interne au générateur G. Il agit par exemple au niveau de l'alimentation 220 volts par des cycles de marche/ arrêt avec un rapport de cycle variable ou par Hachage du courant 50 ou 60 Hz absorbé ou par variation de la valeur de la tension du secteur. Il peut également agir par action sur les semi-conducteurs utilisés, transistors ou thyristors par exemple, au moyen de leur électrode de commande en faisant par exemple varier leur temps de travail de toute autre manière.
Une telle manière de procéder donne entière satisfaction mais, lorsque la plaque de cuisson comporte plusieurs foyers (plusieurs inducteurs I), elle implique, pour chaque circuit, d'avoir une alimentation indépendante de chaque inducteur, c'est-à-dire d'avoir autant de générateurs que de foyers. En effet, une variation de la puissance du générateur G entraîne une variation correspondante simultanée de tous les inducteurs qui seraient raccordés en sortie de celui-ci.
A ce jour, aucune solution n'a été proposée permettant de réaliser des plaques de cuisson comportant plusieurs foyers, pouvant fonctionner indépendamment les uns des autres et ce, en ne nécessitant pour leur alimentation qu'un seul générateur.
Une telle solution n'avait pas été envisagée car, jusqu'à présent, l'homme du métier cherchait à régler la puissance en agissant sur le générateur plutôt que sur le circuit de l'inducteur; en effet, généralement, les solutions ainsi adoptées dans le cas d'un seul foyer étaient moins coûteuses.
Certes, l'US―A―3 925 633 décrit une solution permettant de réaliser une plaque de cuisson comportant plusieurs foyers réglables séparément et un seul générateur, mais dans cette solution, on a un circuit qui utilise une source d'énergie haute fréquence capable à elle seule de fournir une oscillation de sortie soit en l'absence (à vide) d'un circuit de charge, soit en présence d'un ou plusieurs circuits de charge montés en dérivation. Ce circuit présente comme inconvénient de nécessiter l'emploi d'autres interrupteurs semi-conducteurs en plus de ceux du générateur, afin de régler la puissance et ceci pour chacun des circuits de charge.
La présente invention vise à résoudre ce problème et concerne donc un nouveau type d'installation pour l'alimentation en courant haute fréquence d'une plaque de cuisson (ou similaire) comportant plusieurs foyers pouvant fonctionner indépendamment les uns des autres, installation qui, contrairement aux solutions antérieures, ne nécessite pour sa mise en oeuvre qu'un seul générateur pour l'ensemble des foyers.
D'une manière générale, l'installation conforme à l'invention comporte un seul générateur G dont la puissance de sortie est constante pour alimenter l'ensemble des foyers, et elle se caractérisé en ce que les foyers sont constitués par des inducteurs à puissance variable disposés dans des circuits selfiques connectés en dérivation à la sortie du générateur unique, soit du type oscillant bouchon soit du type oscillant série, le circuit selfique de chaque inducteur étant composé de l'inducteur en série avec une bobine dont la self induction est ajustable, et un contant de relais.
Avantageusement, en pratique:

-le condensateur d'accord du générateur est commun à l'ensemble des circuits selfiques;
-chaque bobine à self induction ajustable variable comporte un circuit magnétique saturable par un champ magnétique continu et variable crée par le passage d'un courant continu adjustable dans un enroulement de commande bobiné sur le même circuit magnétique;
-le courant continue adjustable précité est obtenu à partir de la tension secteur redressée et filtrée grâce à un transistor monté en émetteur suiveur, la tension sur l'enroulement de commande étant sensiblement égale à la tension sur la base du transistor variable grâce au déplacement du curseur du potentiomètre;
-les potentiomètres ont entre leurs bornes extrêmes une tension fixe égale à une fraction de la tension secteur redressée filtrée, le curseur déterminant donc sur la base des transistors, une fois dépassée la position minimum, une tension non nulle qui permet grâce à une diode zéner déterminant un seuil, de faire basculer le comparateur et d'entraîner la conduction du transistor assurant ainsi, grâce à l'excitation du relais, et à la fermeture de son contact, la mise en service de l'inducteur et l'allumage de la diode électroluminescente;
-l'axe de commande du curseur du potentiomètre permet en-dessous de la position minimum du curseur de commander un interrupteur;
-les interrupteurs sont placés électriquement en dérivation et l'un quelconque d'entre eux assure la commande du relais;
-le contact du relais permet également la mise en service simultanément du générateur et de la tension redressée filtrée +V.

L'invention et les avantages qu'elle apporte seront Cependant mieux compris grâce à l'exemple de réalisation donné ci-après à titre indicatif mais non limitatif et qui est illustré par les schémas annexés dans lesquels:

-la figure 1 illustre, comme vu précédemment, la solution actuelle utilisée pour réaliser un chauffage par induction à haute fréquence avec utilisation d'un convertisseur alimenté par le secteur;
-la figure 2 est une vue schématique du principe de base d'une installation réalisée conformément à l'invention pour réaliser le chauffage d'un foyer d'une plaque de cuisson;
-la figure 3 est le schéma de principe d'une telle installation permettant de chauffer deux foyers;
-la figure 4 est un schéma de détail de l'ensemble des différents éléments que comporte une installation conforme à l'invention pour réaliser la commande du chauffage d'une pluralité de foyers d'une plaque chauffante, seule la commande (2) de ces foyers étant représentée par mesure de implification, les circuits des autres foyers étant identiques;
-la figure 5 est un schéma de détail d'un mode de réalisation d'un élément permettant de faire varier la puissance de chaque inducteur associé à chaque foyer.

Si l'on se reporte aux figures annexés, l'installation conforme à l'invention permet d'alimenter en courant haute fréquence une plaque de cuisson comportant plusieurs foyers pouvant fonctionner indépendamment les uns des autres. Ainsi que cela ressort des figures annexées, l'ensemble des foyers est constitué par des circuits identiques connectés en dérivation à la sortie du générateur unique G, générateur qui dans le cas présent est de type connu et comporte son condensateur C.
La figure 1 illustre l'un des circuits de la figure 2 deux circuits montés en dérivation à la sortie dudit générateur G. Chaque circuit est constitué essentiellement d'un inducteur 1, constituant le foyer proprement dit, et, monté sur l'alimentation de cet inducteur, un élément B permettant de régler la puissance. Cet élément B est constitué d'un bobine dont un mode de réalisation est illustré plus en détail à la figure 5.
Cette bobine B a une self-induction Le variable dans de grandes proportions. Par suite, la puissance de chauffe de l'inducteur I dépend de l'impédance que présente la self induction de la bobine B. Si cette self LB a une impédance forte (L_B.ω grand devant L_I.ω), la puissance délivrée par l'inducteur 1 sera faible.
Au contraire, si cette self L_B est faible et notamment, si elle est très petite par rapport à L,, alors la puissance délivrée par l'inducteur 1 sera maximale et égale par exemple à la puissance nominale que peut fournir le générateur C.
Pour réaliser une plaque de cuisson comportant une pluralité de foyers, on monte donc en parallèle une pluralité de circuits à la sortie du générateur G (cf. figures 3 et 4). Dans la suite de la description, les éléments identiques de ces différents circuits seront désignés par les mêmes abréviations affectées éventuellement d'un indice, 1 pour le premier foyer, 2 pour le deuxième, 3 pour le troisième ....
Grâce à une telle réalisation, le générateur G peut donc produire sa puissance nominale P. La puissance maximale que pourra délivrer l'inducteur 1₁ est P₁<P et celle que peut délivrer l'inducteur 1₂ est P₂<P.
La somme P₁+P₂=P.
Les bobines B₁ et B₂ peuvent varier indépendamment l'une de l'autre et dont les puissances fournies par I₁ et 1₂ également.
On peut avoir simultanément P_i=0 et P₂=P₂ et vice et versa et toutes autres valeurs entre o et P₁ pour P₁ et o et P₂ pour P₂ de façon pratiquement indépendante.
Comme dit précédemment, il est ainsi possible de réaliser des plaques de cuisson comportant trois, quatre... foyers. Pour cela, il suffit de rajouter en parallèle sur la sortie du générateur G un circuit supplémentaire 1₃, B₃ et 1₄, B₄ ....
Dans tous les cas, le condensateur C reste commun à l'ensemble des circuits 1₁, B₁, I₂, B₂, I₃, _B3, ₁₄, ^B4 _. ^...
Bien entendu, la somme des puissances maximales que peuvent délivrer les foyers reste égale à la puissance nominale P du générateur G. Le dimensionnement des inducteurs I et de leurs bobines de commande B permet d'affecter à chacun d'entre eux une puissance maximale spécifique. Bien entendu, un tel mode de réalisation n'est pas limitatif et d'autres manières de fixer la puissance peuvent être utilisées ainsi que cela sera vu dans la suite de la description.
Il est donc possible de réaliser une plaque de cuisson comportant n foyers, trois par exemple, l'un ayant une puissance de 1500 W, le second de 1000 W et le troisième de 500 W.
Dans un tel cas, la puissance nominale P du générateur correspondant est donc de 3000 W.
Etant donné qu'en pratique, chaque circuit 1₁, B₁ ou 1₂, B₂ ... doit pouvoir être utilisé seul ou simultanément suivant le nombre des ustensiles à chauffer à la fois, un tel impératif est facilement obtenu conformément à l'installation selon l'invention ainsi que cela ressort du schéma électrique détaillé faisant l'objet de la figure 4, figure qui représente en détail les circuits de deux foyers, les autres foyers (3, 4) n'étant pas représentés.
Si l'on se reporte à cette figure 4, la tension d'alimentation secteur U est établie ou interrompue par l'intermédiaire d'un relais reactionnant un contact R en série avec l'un des conducteurs d'entrée 50 Hz, 60 Hz du générateur G.
Ce relais r est actionnée grâce à des interrupteurs i₁, i₂, i₃ ... placés ensemble en dérivation. Ainsi, r est commande par l'un quelconque de ces interrupteurs i₁, i₂, i₃.
les interrupteurs i₁, i₂, i₃ peuvent par exemple être commandés par un axe rotatif actionnant également le curseur d'un potentiomètre p₁, p₂, p₃.
La fermeture du contact R du relais r par action de il par exemple provoque:

-l'alimentation du générateur G,
-l'apparition d'une tension V continue obtenue par redressement et filtrage du secteur.

Cette tension V sert à l'alimentation des circuits de commande de puissance des inducteurs 1₁, 1₂, 1₃ ... réalisés conformément à l'invention et qui sont tous identiques. Si l'on considéré le circuit de l'inducteur Il, le circuit comporte donc l'élément B₁ (bobine), illustré en détail à la figure 5, et permettant de faire varier la puissance à l'intérieur dudit inducteur 1₁. Il comporte également un contact R₁ du relais r₁. Ce contact R₁ est en position ouverture au repos.
La bobine B₁ (figure 5) comporte un enroulement de commande b₁ fonctionnant en courant continu. La self L_B1 est constituée par la mise en série de deux enroulements de sens contraire autour de deux jambes extrêmes d'un circuit magnétique à faible perte pour la fréquence de fonctionnement 30 kHz environ. Cet enroulement de commande b₁ est constitué par un bobinage placé autour de la jambe centrale du circuit magnétique.
Le contact R₁ se ferme, mettant en service le foyer I₁, lorsque l'on commence à tourner l'axe du potentiomètre P₁. En effet, entre les deux bornes extrêmes de P₁, existe une tension fixe égale à une fraction de V (par exemple 100 V pour V=300 V). Dès que l'on déplace le curseur du potentiomètre apparait sur celui-ci une tension non nulle égale à une fraction de la tension totale (100 V par exemple). La zéner Z₁ conduit dès que la tension sur le curseur dépasse sa tension de zéner; cela entraîne le passage à l'état haut de la sortie du comparateur Ci et la conduction du transistor t₁. La conduction de t₁ excite la bobine du relais r₁ qui ferme le contact R₁, et allume la diode électroluminescente LED, indiquant que le foyer I₁ est en fontionnement.
Si parallèlement le potentiomètre p₂ du circuit de l'inducteur (2) (ou foyer n° 2) n'est pas actionné, seul le circuit de l'inducteur I₁ fonctionne.
L'action sur le curseur du potentiomètre P₁ à également pour conséquence d'augmenter la tension continue sur l'enroulement de commande b₁ de la bobine B₁ grâce à la conduction du transistor T₁ monté en émetteur suiveur; la tension sur l'émetteur de T₁ et donc sur la bobine b₁ est égale à la tension sur sa base qui est déterminée par la position du curseur du potentiomètre.
Le passage du courant continu qui en découle, dans l'enroulement b₁, provoque une magnétisation du circuit magnétique de la bobine B₁ qui se traduit par une diminution de la self induction L_B1. Plus la tension sur l'enroulement de commande est élevée, plus la self L_B1 a une valeur faible et plus sera élevée la puissance délivrée par I₁.
Ainsi, à chaque position du curseur du potentiomètre, P₁ correspond une valeur de la puissance délivrée par l'inducteur I₁; la puissance maximale fournie est obtenue lorsque le curseur est au maximum, c'est-à-dire, dans l'exemple illustré à la figure 4, pour une tension continue sur b₁ égale à 100 V.
On voit dont que le choix de la tension maximale appliquée limite de façon simple la puissance maximale délivrée pour l'inducteur.
Pendant qui I₁ est en fonctionnement, on peut mettre en route 1₂ de la même façon en tournant l'axe de commande du potentiomètre P₂, de même pour P₃.
Il est évident que l'exemple illustré à la figure 4 et qui a été décrit précédemment n'est pas limitatif et que d'autres variantes de schémas électriques de commande permettant les mêmes fonctions pourraient être imaginées. Ainsi, si l'on veut que l'inducteur 1₂ puisse délivrer plus de puissances que I₁, on établira aux deux bornes extrêmes du potentiomètre P₂ un tension supérieure à 100 V; inversement, si l'on veut que 1₂ ait une puissance plus faible, on établira une tension sur P₂ inférieure à 100 V.
Il en est de même pour les autres circuits que peut comporter la plaque chauffante.
L'exemple qui précède montre bien les avantages apportés par l'invention et notamment le fait que par ce simple ajustage de la tension maximale aux bornes de chaque enroulement de commande des bobines B_i, 8₂, B₃ on possède un moyen simple de différencier les foyers de la plaque de cuisson les uns des autres.
Il est donc possible dans ces conditions d'avoir des inducteurs I₁, I₂, 1₃ ainsi que des bobines de réglage B_i, B₂, B₃ absolument identiques.
Par rapport aux solutions antérieures, l'invention présente non seulement le fait de n'avoir qu'un seul générateur pour alimenter l'ensemble des foyers, ce qui diminue notablement le coût, ainsi que l'encombrement mais également, élimine certains risques de pannes.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation donnés précédemment mais elle en couvre toutes les variantes réalisées dans le même esprit. Ainsi, au lieu d'un seul condensateur dans le générateur, il pourrait être envisagé d'avoir un condensateur pour chaque circuit inducteur I₁, 1₂, 1₃....
De même, les contacts R_i, R₂ et R₃... des relais r₁, r₂, r₃... pourraient aussi être avantageusement commandés par des organes thermostatiques; dans ces conditions, la puissance de l'inducteur serait asservie à l'écart de température existant entre le capteur de l'organe thermostatique (bulbe, bilame, sonde, CTN, thermocouple ...) placé par exemple sous le fond de l'ustensile et la consigne affichée par l'axe de commande.
La régulation de puissance serait alors du type boucle fermée.
Les mêmes contacts R_i, R₂, R₃... pourraient aussi obéir à des cycles de marche/arrêt dictés par un doseur d'énergie cyclique. Le fonctionnement serait alors du type tout ou rien en boucle ouverte avec rapport de cycle variable.
Une combinaison d'une action sur les contacts R_i, R₂ et R₃ ... telle que définie et la variation de self-induction L_B1, L_B2, L_B3 des bobines de réglage B₁, B_2, B₃ ... est également possible. Ces différentes actions restent toujours au niveau du circuit de l'inducteur et rentrent donc de ce fait dans le cadre de la présente invention.

Claims

1. Installation utilisable pour la réalisation de plaques de cuisson à chauffage par induction, comportant plusieurs foyers réglables séparément ainsi qu'un seul générateur (G) dont la puissance de sortie est constante pour alimenter l'ensemble des foyers, caractérisé en ce que lesdits foyers sont constitués par des inducteurs (11, 12 ...) à puissance variable disposés dans des circuits selfiques connectés en dérivation à la sortie du générateur unique (G), soit du type oscillant bouchon soit du type oscillant série, le circuit selfique de chaque inducteur (1) étant composé de l'inducteur (1) en série avec une bobine (B), dont la self induction est ajustable, et un contact de relais.

2. Installation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le contact de ce relais peut agir sous l'action d'un organe thermostatique, d'un doseur d'énergie cyclique ou tout simplement d'un interrupteur de mise en marche et d'arrêt ou son équivalent.

3. Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le condensateur d'accord C) du générateur (G) est commun à l'ensemble des circuits selfiques.

4. Installation selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que chaque bobine à self induction ajustable variable comporte un circuit magnétique saturable par un champ magnétique continu et variable créé par le passage d'un courant continu ajustable dans un enroulement de commande bobiné sur le même circuit magnétique.

5. Installation selon la revendication 4, caractérisée par le fait que le courant continu ajustable précité est obtenu à partir de la tension secteur redressée et filtrée grâce à un transistor monté en émetteur suiveur, la tension sur l'enroulement de commande étant sensiblement égale à la tension sur la base du transistor, variable grâce au déplacement du curseur du potentiomètre.

6. Installation selon la revendication 5, caractérisée par le fait que les potentiomètres ont entre leurs bornes extrêmes une tension fixe égale à une fraction de la tension secteur redressée filtrée, le curseur déterminant donc sur la base des transistors, une fois dé passée la position minimum, une tension non nulle qui permet grâce à une diode zéner déterminant un seuil, de faire basculer le comparateur et d'entraîner la conduction du transistor assurant ainsi, grâce à l'excitation du relais et à la fermeture de son contact la mise en service de l'inducteur et l'allumage de la diode électroluminescente.

7. Installation selon la revendication 6, caractérisée par le fait que l'axe de commande du curseur du potentiomètre permet en-dessous de la position minimum du curseur de commander un interrupteur.

8. Installation selon la revendication 7, caractérisée par le fait que les interrupteurs sont placés électriquement en dérivation et l'un quelconque d'entre eux assure la commande d'un relais de mise en marche du générateur (G).

9. Installation selon la revendication 8, caractérisée par le fait que le contact du relais permet également la mise en service simultanée du générateur et de la tension redressée filtrée (+V).