EP2747514B1 - Procédé et dispositif d'alimentation en puissance des moyens d'induction - Google Patents

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EP2747514B1
EP2747514B1 EP13198656.4A EP13198656A EP2747514B1 EP 2747514 B1 EP2747514 B1 EP 2747514B1 EP 13198656 A EP13198656 A EP 13198656A EP 2747514 B1 EP2747514 B1 EP 2747514B1
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EP
European Patent Office
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power
frequency
induction
supply device
switching means
Prior art date
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EP13198656.4A
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German (de)
English (en)
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EP2747514A1 (fr
Inventor
Etienne Alirol
Cédric GOUMY
Didier Gouardo
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Groupe Brandt SAS
Original Assignee
Groupe Brandt SAS
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H05B6/062—Control, e.g. of temperature, of power for cooking plates or the like

Definitions

  • the present invention relates to a power supply method of the induction means.
  • It also relates to a power supply device adapted to implement the power supply method, and an induction cooking appliance adapted to integrate such a device.
  • the present invention relates more particularly to the power supply of the induction means of an induction cooking appliance.
  • each zone or cooking zone is associated with induction means.
  • the operation of each cooking zone is controlled by a power element integrated in an inverter supply device.
  • inverter power supply device is also described in the document WO 2007/042315 in which induction means integrated in a resonant circuit are fed from an inverter supply device comprising a switch, of the type of a voltage-controlled transistor, known under the name IGBT (acronym of the English term " Insulated Gate Bipolar Transistor ", connected in series with the resonant circuit.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • Such an inverter supply device operates at a switching frequency of the switch. By changing the switching frequency or working frequency of the inverter supply device, it is possible to adjust the instantaneous power delivered by the induction means to a cooking vessel disposed on a cooking zone.
  • the supply device powers the induction means from the rectified mains voltage by means of a rectifying circuit.
  • the induction means form part with the receptacle disposed on the cooking zone of a resonant circuit and that when the resonant frequency of this resonant circuit is equal to the frequency of working of the supply device, the current flowing through the resonant circuit is maximum.
  • the switching frequency of the switch or operating frequency of the inverter supply device is within an optimum operating range which is related to the operation of the switch.
  • the optimum operating range is thus defined between a minimum frequency corresponding to a maximum instantaneous power and a maximum frequency corresponding to a minimum instantaneous power.
  • the optimum frequency range is predetermined according to the parameters of the assembly formed by the induction means and the supply device.
  • the supply device When a user of the cooking appliance requests an instantaneous power, or nominal power, which is between the minimum instantaneous power and the maximum instantaneous power, the supply device operates in a continuous mode over a predetermined period called a program period. .
  • the program period corresponds to a period during which the power demanded by the user or the target power is restored.
  • This program period is predetermined in a manner known to those skilled in the art, in particular to comply with the EN-61000-3-3 standard on the electrical network (Flicker standard) setting a maximum number of authorized power variations in a minute.
  • a program period includes several alternating power grid periods.
  • the inverter supply device When the induction means must deliver a nominal power lower than the minimum instantaneous power, the inverter supply device operates in cut mode, that is to say that the power supply is cut in time.
  • the inverter supply device operates at the maximum frequency of continuous operation (frequency corresponding substantially to the frequency maximum of the optimum frequency range) during an interval of the program period.
  • the inverter supply device operates at a working frequency corresponding to the minimum instantaneous power, and during the remaining time of the program period, the inverter supply device does not operate. .
  • the minimum instantaneous power has a value of 500 W and the instantaneous power to be delivered in the induction means is 100 W
  • this instantaneous power of 100 W is restored by controlling the operation of the device in a maximum operating frequency so that the induction means deliver the minimum instantaneous power for an interval of 200 ms every second (the program time being in this example of one second).
  • This noise has a variable intensity depending in particular on the size, the material and the contents of the container, the parameters of the inductor (for example the size) and the value of the reconstituted power, and can be inconvenient for a user. an apparatus comprising such an inverter supply device.
  • the object of the present invention is to propose a method for controlling the induction means, making it possible to reduce, or even eliminate, the noise generated in a receptacle disposed on a cooking zone.
  • the present invention relates to a power supply method of the induction means, the induction means being associated with a cooking zone and being supplied to power values respectively by a power supply device.
  • inverter having switching means operating at a working frequency, in continuous mode when the target power value is greater than or equal to a minimum instantaneous power, and in the cut-off mode when the target power value is less than said power instantaneous minimum, said minimum instantaneous power corresponding to a maximum continuous operating frequency.
  • the switching means are operated for a predefined duration at a starting frequency higher than the maximum continuous operating frequency, at the beginning of a program period.
  • the current flowing in the container is lower than the current delivered when the switching means operate at a working frequency lower than the maximum continuous operating frequency.
  • the operation of the inverter supply device does not generate noise or at least generates a noise of low intensity and is not a nuisance for a user of the cooking appliance.
  • the switching means are operated for a predefined period of time at a starting frequency higher than the maximum continuous operating frequency when operating in cut mode.
  • the inverter supply device is capable of applying a mains voltage to the induction means, the predefined duration representing the time elapsed between a first instant from which the switching means are put into operation at a time. starting frequency and a second time from which switching means are operated at the working frequency substantially equal to the maximum continuous operating frequency.
  • the mains voltage is substantially zero.
  • the mains voltage is substantially zero.
  • the switching means are operated at the start frequency when the mains voltage has its peak value.
  • the mains voltage has its peak value.
  • the mains voltage changes between its peak value and a substantially zero value for the predetermined duration defined by the first instant (from which the switching means are operated at the start frequency) and the second instant (at from which the switching means are operated at the working frequency).
  • the switching means are operated at a starting frequency higher than the maximum continuous operating frequency at the beginning of each program period of the supply device in which the instantaneous power delivered by the induction means is restored.
  • the present invention relates to a power supply device supplying power to setpoint power values for the induction means and comprising switching means operating at a working frequency in continuous mode when the value of setpoint power is greater than or equal to a minimum instantaneous power, and in cut mode when the target power value is lower than said minimum instantaneous power, said minimum instantaneous power corresponding to a maximum continuous operating frequency.
  • the power supply device comprises control means configured to implement a power supply method according to the invention.
  • the present invention relates to an induction cooking appliance comprising a power supply device supplying power to induction means and being in accordance with the invention and implementing a power supply method in accordance with the invention. to the invention.
  • the power supply device and the induction cooking appliance have features and advantages similar to those previously described in connection with the power supply method.
  • the present invention finds particular application in an induction hob.
  • this cooking appliance may be an induction hob 10 comprising at least one cooking zone associated with induction means.
  • the hob 10 has four cooking bursts F1, F2, F3, F4, each cooking zone being associated with induction means comprising one or more induction coils.
  • This hob 10 conventionally comprises a power supply 11, typically an AC power supply or mains supply.
  • the hob 10 is supplied with 32 A, which can provide a maximum power of 7200 W at the hob 10, a power of 3600 W per phase, for the case of a hob 10 comprising two power phases.
  • each cooking zone F1, F2, F3, F4 can in practice be made from one or several coils in which the electric current flows, mounted on a power phase.
  • a control and power control card 12 makes it possible to support all the electronic and computer means necessary for controlling the hob 10.
  • the set of induction means and the control and control board 12 are placed under a flat cooking surface, for example made from a glass-ceramic plate.
  • the cooking hobs can also be identified by screen printing vis-à-vis the induction coils placed under the cooking surface.
  • cooktop in which four cooking zones constituting cooking heaters F1, F2, F3, F4 are predefined in the hob, the present invention also applies to a cooktop having a variable number or different forms of cooking hearth, or having a cooking surface without predefined zones or cooking zones, the latter being defined on a case-by-case basis by the position of the container under with respect to a subset of induction coils arranged under the cooking plane.
  • the hob 10 also comprises control and interface means 14 with the user, in particular enabling the user to control in power and in duration the operation of each focus F1, F2, F3, F4.
  • the user can through the control and interface means 14 assign a set power to each cooking hearth covered with a container.
  • the induction means are powered by an inverter supply device comprising switching means operating at a working frequency.
  • the inverter supply device 20 is able to apply the voltage of the AC mains or mains voltage 30 to the induction means I1, I2, I3 respectively corresponding to the firing heaters F1, F2, F3.
  • the mains voltage or voltage of the electrical network has for example a value of 230 VRMS (peak value of 325V) for the French power grid.
  • mains voltage may have different values, depending on the power grid of the country in which we are located.
  • the power supply device comprises, in particular, rectifying means 21 capable of rectifying the mains voltage 30 and synchronization means 22 making it possible to generate a periodic digital signal whose at least one of the rising edge and the falling edge is synchronous with a zero volt crossing of the mains voltage 30.
  • a capacitor C bus is connected to the output of the rectifying means 21.
  • the capacitor C bus is charged by the rectified mains voltage.
  • the voltage V bus taken at the terminals of this capacitor C bus is substantially equal to the peak value of the rectified mains voltage as long as no power is delivered by an inductor, the capacitor C bus remaining charged at this peak value of the rectified mains voltage.
  • This value is for example 325V for an electrical network with a voltage value of 230V.
  • power bridges 23a, 23b, 23c are connected to inductors I1, I2, I3 respectively.
  • the power bridges 23a, 23b, 23c may be constructed in a half bridge or full bridge architecture.
  • the supply device 20 further comprises a processing unit 24 adapted to control, in particular, the operation of the supply device 20.
  • the processing unit is for example a microcontroller, a microprocessor or a programmable logic circuit.
  • the figure 3 represents a diagram of a supply device 20 with a half-bridge architecture.
  • a power bridge 23a feeds a cooking furnace (not shown in FIG. figure 3 ).
  • the power bridge 23a has switching means.
  • the switching means are two power components A, B connected in series and functioning as two switches.
  • the power components are IGBT transistors (acronym for the term “ Insulated Gate Bipolar Transistors ").
  • IGBT transistors A, B operate alternately, that is to say when one is passing, the other is blocked.
  • an inductance L represents both the inductance of the induction means and that of the container to be heated placed vis-à-vis.
  • Two switching capacitors Ca, Cb are connected in parallel between the inductor L and the IGBT transistors A, B.
  • the IGBT switches A, B are operated in operation at a working frequency to adjust the instantaneous power delivered by the induction means to a container disposed on a cooking zone at the desired power demanded by a user.
  • the Figure 4 shows the instantaneous power that can be delivered by the induction means to a container disposed on a cooking zone, depending on the switching frequency of the IGBT transistors.
  • the switching frequency of the IGBT transistor is within an optimum operating range defined by a minimum frequency F 1 and a maximum frequency F 2 .
  • the minimum frequency F 1 corresponds to the maximum instantaneous power and the maximum frequency F 2 corresponds to the minimum instantaneous power.
  • the definition of this frequency range is known to those skilled in the art.
  • the minimum frequency F 1 (corresponding to the maximum instantaneous power) corresponds to the resonance frequency of the resonant circuit LC.
  • the maximum frequency F 2 is in particular defined taking into account the operating constraints of the IGBT transistor, for example to maintain a satisfactory thermal behavior.
  • the optimum operating range is between 18 KHz and 50 KHz. Of course, this range can be between different values.
  • the feeder can operate in continuous mode or in chopping mode. These modes of operation will be described with reference to the figure 5 .
  • This figure 5 represents the continuous instantaneous power delivered by the induction means on a container located on a cooking zone, as a function of time.
  • the IGBT transistors A, B operate (each in turn) in continuous mode according to a working frequency.
  • This working frequency is such that in a program period T prog (illustrated on the figure 5 ) the output power is substantially equal to the desired power demanded by the user.
  • the IGBT transistors A, B When the desired power demanded by the user is less than the minimum power (corresponding to a maximum continuous operating frequency), the IGBT transistors A, B operate in cut mode. In the split mode, the IGBT transistors A, B operate at the maximum frequency during an interval T dec of the program period T prog .
  • This interval T dec is determined so that the requested reference power is restored over the program period T prog . This determination being known to those skilled in the art will not be described in detail here.
  • the figure 6 shows curves illustrating schematically the evolution over time of different signals during the implementation of the feeding method according to the invention.
  • the voltage V bus represents the voltage across the capacitor C bus .
  • This voltage corresponds to the mains voltage V mains when at least one power bridge 23a, 23b, 23c of the inverter supply device is operated.
  • the voltage V bus is continuous and equal to the peak value of the mains voltage V mains .
  • the frequency of the mains voltage in France is 50 Hz (its period being thus 20 ms). Of course, the frequency has different values depending on the country in which you are.
  • the signal V com represents the control of the IGBT switches A, B. It will be noted that the voltage V bus is also represented superimposed on the signal V com .
  • This program period T prog includes several sector periods, all of which are not represented here.
  • the program period T prog has a value belonging to a range of values between 1 and 15 seconds.
  • the power supply device operates in cut mode.
  • the desired power demanded by the user is less than the minimum instantaneous power.
  • the IGBT transistors A, B are operated at a start frequency F d greater than the maximum continuous operating frequency F 2 for a predefined duration T X.
  • this working frequency has a value of 100 KHz.
  • this start frequency F d could have other values.
  • each time the IGBT transistors A, B are put into operation that is to say at the beginning of a program period T prog , they are operated at a starting frequency F d greater than maximum continuous operating frequency F 2 .
  • the circulating current I ind in the inductor is not very high and the noise generated in the container is reduced or even zero.
  • the current I ind circulating in the inductor does not exceed 16.5 A for a frequency of 100 KHz, whereas for a frequency of 50 KHz (maximum continuous operating frequency F2), the current I ind reaches 26A.
  • the predefined duration T x represents the time elapsed between a first instant t1 from which the switching means are put into operation and a second instant t2 from which the switching means are put into operation at the working frequency F T equal to the maximum continuous operating frequency F 2 .
  • the second instant t2 corresponds to a time when the mains voltage is substantially zero.
  • the IGBT transistors A, B are operated when the mains voltage V bus has its maximum value or peak value.
  • the predefined duration Tx has a value of between 2 and 5 ms.
  • the transistors IGBT A, B operate at this start frequency F d until the end of the interval Tx.
  • the IGBT transistors A, B each in turn operate at a working frequency F T substantially equal to the maximum continuous operating frequency F 2 until the end of the interval T dec .
  • the IGBT transistors A, B do not work until the end of the program period T prog .
  • the operation of the switching means A, B according to a starting frequency F d greater than the maximum continuous operating frequency F 2 is implemented for a predetermined period Tx located at the beginning of each program period. T prog .
  • the operation of the switching means A, B according to a starting frequency F d greater than the maximum continuous operating frequency F 2 is implemented for a predetermined period Tx located at the beginning of a program period T prog over several program periods, for example located in one program period T prog out of two.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé d'alimentation en puissance des moyens d'induction.
  • Elle concerne également un dispositif d'alimentation en puissance adapté à mettre en oeuvre le procédé d'alimentation en puissance, ainsi qu'un appareil de cuisson à induction adapté à intégrer un tel dispositif.
  • La présente invention concerne plus particulièrement l'alimentation en puissance des moyens d'induction d'un appareil de cuisson à induction.
  • Dans un tel appareil de cuisson, chaque zone ou foyer de cuisson est associée à des moyens d'induction. Le fonctionnement de chaque zone de cuisson est piloté par un élément de puissance intégré dans un dispositif d'alimentation à onduleur.
  • Un dispositif d'alimentation en puissance est décrit dans le document EP 2 341 757 A1 qui divulgue le préambule de la revendication 1.
  • Un tel dispositif d'alimentation à onduleur est aussi décrit dans le document WO 2007/042315 dans lequel des moyens d'induction intégrés à un circuit résonant sont alimentés à partir d'un dispositif d'alimentation à onduleur comportant un interrupteur, du type d'un transistor commandé en tension, connu sous l'appellation IGBT (acronyme du terme anglais "Insulated Gate Bipolar Transistor"), monté en série avec le circuit résonant.
  • Un tel dispositif d'alimentation à onduleur fonctionne selon une fréquence de commutation de l'interrupteur. En modifiant la fréquence de commutation ou fréquence de travail du dispositif d'alimentation à onduleur, il est possible d'ajuster la puissance instantanée délivrée par les moyens d'induction à un récipient de cuisson disposé sur une zone de cuisson.
  • Le dispositif d'alimentation alimente en puissance les moyens d'induction à partir de la tension de secteur redressée au moyen d'un circuit de redressement.
  • On notera que les moyens d'induction forment partie avec le récipient disposé sur la zone de cuisson d'un circuit résonant et que lorsque la fréquence de résonance de ce circuit résonant est égale à la fréquence de travail du dispositif d'alimentation, le courant circulant à travers le circuit résonant est maximal.
  • Par conséquent, la puissance instantanée générée par les moyens d'induction est maximisée.
  • La fréquence de commutation de l'interrupteur ou fréquence de travail du dispositif d'alimentation à onduleur est comprise dans une plage optimale de fonctionnement qui est liée au fonctionnement de l'interrupteur.
  • La plage optimale de fonctionnement est ainsi définie entre une fréquence minimale correspondant à une puissance instantanée maximale et une fréquence maximale correspondant à une puissance instantanée minimale.
  • De manière générale, la plage optimale de fréquences est prédéterminée en fonction des paramètres de l'ensemble formé par les moyens d'induction et le dispositif d'alimentation.
  • Lorsqu'un utilisateur de l'appareil de cuisson demande une puissance instantanée, ou puissance de consigne, qui est comprise entre la puissance instantanée minimale et la puissance instantanée maximale, le dispositif d'alimentation fonctionne en mode continu sur une période prédéterminée nommée période programme.
  • La période programme correspond à une période pendant laquelle la puissance demandée par l'utilisateur ou puissance de consigne est restituée.
  • Cette période programme est prédéterminée de manière connue par l'homme du métier, notamment pour être conforme à la norme EN-61000-3-3 sur le réseau électrique (norme Flicker) fixant un nombre maximal de variations de puissance autorisé dans une minute.
  • En général, une période programme comprend plusieurs périodes de réseau électrique alternatif.
  • Lorsque les moyens d'induction doivent délivrer une puissance de consigne inférieure à la puissance instantanée minimale, le dispositif d'alimentation à onduleur fonctionne en mode découpé, c'est-à-dire que l'alimentation en puissance est découpée dans le temps. Ainsi, le dispositif d'alimentation à onduleur fonctionne à la fréquence maximale de fonctionnement continu (fréquence correspondant sensiblement à la fréquence maximale de la plage optimale de fréquences) pendant un intervalle de la période programme.
  • Ainsi, pendant cet intervalle de la période programme, le dispositif d'alimentation à onduleur fonctionne selon une fréquence de travail correspondant à la puissance instantanée minimale, et pendant le temps restant de la période programme, le dispositif d'alimentation à onduleur ne fonctionne pas.
  • Ainsi, par exemple, si la puissance instantanée minimale présente une valeur de 500 W et que la puissance instantanée qui doit être délivrée dans les moyens d'induction est de 100 W, cette puissance instantanée de 100 W est reconstituée en commandant le fonctionnement du dispositif d'alimentation selon une fréquence de travail maximale de manière à ce que les moyens d'induction délivrent la puissance instantanée minimale pendant un intervalle de 200 ms toutes les secondes (le temps programme étant dans cet exemple d'une seconde).
  • Lorsque le dispositif d'alimentation à onduleur fonctionne en mode découpé, à chaque mise en fonctionnement du dispositif d'alimentation, c'est-à-dire au début de chaque période programme, un courant élevé est généré dans le circuit résonant formé par les moyens d'induction et le récipient disposé sur la zone de cuisson associée aux moyens d'induction.
  • L'apparition soudaine de ce courant élevé génère un bruit audible dans le récipient disposé sur la zone de cuisson. Ce bruit présente une intensité variable en fonction notamment de la taille, du matériau et du contenu du récipient, des paramètres de l'inducteur (par exemple la taille) et de la valeur de la puissance reconstituée, et peut être gênant pour un utilisateur d'un appareil comportant un tel dispositif d'alimentation à onduleur.
  • Il existe des circuits électriques, par exemple résistifs, qui permettent de réduire ce bruit périodique.
  • Néanmoins, ces circuits électriques ne sont pas satisfaisants dès lors qu'il s'agit de circuits assez onéreux, qui occupent une place importante sur la ou les cartes électroniques destinées à la commande des moyens d'induction et qui génèrent des pertes Joules assez importantes.
  • La présente invention a pour but de proposer un procédé de commande des moyens d'induction, permettant de réduire, voire d'éliminer, le bruit généré dans un récipient disposé sur une zone de cuisson.
  • A cet effet, la présente invention concerne un procédé d'alimentation en puissance des moyens d'induction, les moyens d'induction étant associés à une zone de cuisson et étant alimentés à des valeurs de puissance de consigne respectivement par un dispositif d'alimentation à onduleur comportant des moyens de commutation fonctionnant selon une fréquence de travail, en mode continu lorsque la valeur de puissance de consigne est supérieure ou égale à une puissance instantanée minimale, et en mode découpé lorsque la valeur de puissance de consigne est inférieure à ladite puissance instantanée minimale, ladite puissance instantanée minimale correspondant à une fréquence maximale de fonctionnement continu.
  • Selon l'invention, les moyens de commutation sont mis en fonctionnement pendant une durée prédéfinie à une fréquence de démarrage supérieure à la fréquence maximale de fonctionnement continu, au début d'une période programme.
  • Ainsi, dès lors que la fréquence de démarrage est supérieure à la fréquence maximale de fonctionnement continu, le courant circulant dans le récipient est inférieur au courant délivré lorsque les moyens de commutation fonctionnent selon une fréquence de travail inférieure à la fréquence maximale de fonctionnement continu.
  • Par conséquent, la mise en fonctionnement du dispositif d'alimentation à onduleur ne génère pas de bruit ou du moins génère un bruit d'intensité faible et qui n'est pas gênant pour un utilisateur de l'appareil de cuisson.
  • Avantageusement, les moyens de commutation sont mis en fonctionnement pendant une durée prédéfinie à une fréquence de démarrage supérieure à la fréquence maximale de fonctionnement continu lorsqu'ils fonctionnent en mode découpé.
  • On notera que lorsque les moyens de commutation fonctionnent en mode découpé, ils sont mis en fonctionnement régulièrement.
  • Ainsi, il est particulièrement avantageux de mettre en fonctionnement les moyens de commutation à la fréquence de démarrage pendant une durée prédéfinie lorsqu'ils fonctionnent en mode découpé.
  • Selon une caractéristique, le dispositif d'alimentation à onduleur est apte à appliquer une tension de secteur sur les moyens d'induction, la durée prédéfinie représentant le temps écoulé entre un premier instant à partir duquel les moyens de commutation sont mis en fonctionnement à une fréquence de démarrage et un second instant à partir duquel des moyens de commutation sont mis en fonctionnement à la fréquence de travail sensiblement égale à la fréquence maximale de fonctionnement continu.
  • Par exemple, au second instant, la tension de secteur est sensiblement nulle.
  • Ainsi, lorsque les moyens de commande sont mis en fonctionnement à la fréquence de travail (qui a une valeur sensiblement égale à la fréquence maximale de fonctionnement continu), la tension de secteur est sensiblement nulle.
  • Grâce à cette caractéristique, la possible génération de courants importants dans les inducteurs, lors de la mise en fonctionnement des moyens de commutation à la fréquence de travail, est évitée.
  • Avantageusement, les moyens de commutation sont mis en fonctionnement à la fréquence de démarrage lorsque la tension de secteur présente sa valeur crête.
  • Ainsi, lorsque les moyens de commutation sont mis en fonctionnement au premier instant, la tension de secteur présente sa valeur de crête.
  • Par conséquent, la tension de secteur évolue entre sa valeur crête et une valeur sensiblement nulle pendant la durée prédéterminée définie par le premier instant (à partir duquel les moyens de commutation sont mis en fonctionnement à la fréquence de démarrage) et le second instant (à partir duquel les moyens de commutation sont mis en fonctionnement à la fréquence de travail).
  • Selon une caractéristique, les moyens de commutation sont mis en fonctionnement à une fréquence de démarrage supérieure à la fréquence maximale de fonctionnement continu au début de chaque période programme du dispositif d'alimentation dans lequel la puissance instantanée délivrée par les moyens d'induction est restituée.
  • La présente invention concerne selon un deuxième aspect, un dispositif d'alimentation en puissance alimentant en puissance à des valeurs de puissance de consigne les moyens d'induction et comportant des moyens de commutation fonctionnant selon une fréquence de travail en mode continu lorsque la valeur de puissance de consigne est supérieure ou égale à une puissance instantanée minimale, et en mode découpé lorsque la valeur de puissance de consigne est inférieure à ladite puissance instantanée minimale, ladite puissance instantanée minimale correspondant à une fréquence maximale de fonctionnement continu.
  • Selon l'invention, le dispositif d'alimentation comporte des moyens de commande configurés pour mettre en oeuvre un procédé d'alimentation en puissance conforme à l'invention.
  • La présente invention concerne selon un troisième aspect, un appareil de cuisson à induction comprenant un dispositif d'alimentation en puissance alimentant en puissance des moyens d'induction et étant conforme à l'invention et mettant en oeuvre un procédé d'alimentation en puissance conforme à l'invention.
  • Le dispositif d'alimentation en puissance et l'appareil de cuisson à induction présentent des caractéristiques et avantages analogues à ceux décrits précédemment en relation avec le procédé d'alimentation en puissance.
  • La présente invention trouve en particulier son application dans une table de cuisson à induction.
  • D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après.
  • Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs :
    • la figure 1 est une vue schématique d'un appareil de cuisson à induction adapté à mettre en oeuvre le procédé d'alimentation en puissance conforme à l'invention ;
    • la figure 2 est un schéma illustrant un dispositif d'alimentation en puissance selon un mode de réalisation ;
    • la figure 3 est un schéma plus détaillé du mode de réalisation du dispositif d'alimentation de la figure 2 ;
    • la figure 4 est une courbe représentant la puissance instantanée en fonction de la fréquence ;
    • la figure 5 illustre la puissance instantanée en fonction du temps ; et
    • la figure 6 représente des courbes illustrant l'évolution dans le temps de certains signaux lorsque le procédé d'alimentation conforme à l'invention est mis en oeuvre.
  • On va décrire tout d'abord en référence à la figure 1 un appareil de cuisson à induction adapté à mettre en oeuvre la présente invention.
  • Dans cet exemple, cet appareil de cuisson peut être une table de cuisson à induction 10 comprenant au moins un foyer de cuisson associé à des moyens d'induction.
  • Dans cet exemple, la table de cuisson 10 comporte quatre foyers de cuisson F1, F2, F3, F4, chaque foyer de cuisson étant associé à des moyens d'induction comprenant une ou plusieurs bobines d'induction.
  • Cette table de cuisson 10 comprend de manière classique une alimentation électrique 11, typiquement une alimentation du réseau électrique alternatif ou alimentation secteur.
  • A titre d'exemple, la table de cuisson 10 est alimentée en 32 A, pouvant fournir une puissance maximale de 7200 W à la table de cuisson 10, soit une puissance de 3600 W par phase, pour le cas d'une table de cuisson 10 comprenant deux phases de puissance.
  • On notera que les moyens d'induction associés à chaque foyer de cuisson F1, F2, F3, F4 peuvent en pratique être réalisés à partir d'une ou plusieurs bobines dans lesquelles circule le courant électrique, montées sur une phase de puissance.
  • Une carte de contrôle et de commande de puissance 12 permet de supporter l'ensemble des moyens électroniques et informatiques nécessaires au contrôle de la table de cuisson 10.
  • En pratique, des liaisons électriques 13 sont prévues entre cette carte de contrôle et de commande de puissance 12 et chaque foyer de cuisson F1, F2, F3, F4.
  • De manière classique, dans une telle table de cuisson 10, l'ensemble des moyens d'induction et la carte de contrôle et de commande 12 sont placés sous une surface plane de cuisson, par exemple réalisée à partir d'une plaque en vitrocéramique.
  • Les foyers de cuisson peuvent en outre être identifiés par une sérigraphie en vis-à-vis des bobines d'induction placées sous la surface de cuisson.
  • Bien entendu, bien qu'on ait illustré un exemple de réalisation de table de cuisson dans laquelle quatre zones de cuisson constituant des foyers de cuisson F1, F2, F3, F4 sont prédéfinies dans le plan de cuisson, la présente invention s'applique également à une table de cuisson ayant un nombre variable ou des formes différentes de foyer de cuisson, ou encore, présentant un plan de cuisson sans zones ou foyers de cuisson prédéfinis, ces derniers étant définis au cas par cas par la position du récipient en vis-à-vis d'un sous-ensemble de bobines d'induction disposées sous le plan de cuisson.
  • Finalement, la table de cuisson 10 comporte également des moyens de commande et d'interface 14 avec l'utilisateur permettant notamment à l'utilisateur de commander en puissance et en durée le fonctionnement de chaque foyer F1, F2, F3, F4.
  • En particulier, l'utilisateur peut par le biais des moyens de commande et d'interface 14 assigner une puissance de consigne à chaque foyer de cuisson recouvert d'un récipient.
  • La structure d'une telle table de cuisson et le montage des moyens d'induction n'ont pas besoin d'être décrits plus en détails ici.
  • Les moyens d'induction sont alimentés par un dispositif d'alimentation à onduleur comportant des moyens de commutation fonctionnant selon une fréquence de travail.
  • On a illustré à la figure 2 un exemple de réalisation d'un dispositif d'alimentation à onduleur adapté à alimenter plusieurs foyers de cuisson F1, F2, F3, F4 (trois foyers de cuisson F1, F2, F3 dans l'exemple représenté).
  • Le dispositif d'alimentation à onduleur 20 est apte à appliquer la tension du réseau électrique alternatif ou tension de secteur 30 sur les moyens d'induction I1, I2, I3 correspondant respectivement aux foyers de cuisson F1, F2, F3.
  • La tension de secteur ou tension du réseau électrique présente par exemple une valeur de 230 VRMS (valeur de crête de 325V) pour le réseau électrique français.
  • Bien entendu, la tension de secteur peut présenter des valeurs différentes, en fonction du réseau électrique du pays dans lequel on se situe.
  • Le dispositif d'alimentation comporte notamment des moyens de redressement 21 aptes à redresser la tension de secteur 30 et des moyens de synchronisation 22 permettant de générer un signal digital périodique dont au moins l'un d'entre le front montant et le front descendant est synchrone avec un passage par zéro volts de la tension de secteur 30.
  • Un condensateur Cbus est connecté à la sortie des moyens de redressement 21. Le condensateur Cbus est chargé par la tension de secteur redressée. La tension Vbus prise aux bornes de ce condensateur Cbus est sensiblement égale à la valeur crête de la tension de secteur redressée tant qu'aucune puissance n'est délivrée par un inducteur, le condensateur Cbus restant chargé à cette valeur crête de la tension de secteur redressée.
  • Cette valeur est par exemple de 325V pour un réseau électrique avec une valeur de tension efficace de 230V.
  • Dans le dispositif d'alimentation 20 des ponts de puissance 23a, 23b, 23c sont reliés à des inducteurs I1, I2, I3 respectivement. Les ponts de puissance 23a, 23b, 23c peuvent être construits selon une architecture en demi pont ou en pont complet.
  • Le dispositif d'alimentation 20 comporte en outre une unité de traitement 24 apte à commander, en particulier, le fonctionnement du dispositif d'alimentation 20. L'unité de traitement est par exemple un microcontrôleur, un microprocesseur ou un circuit logique programmable.
  • La figure 3 représente un schéma d'un dispositif d'alimentation 20 avec une architecture en demi-pont. Sur ce schéma, un pont de puissance 23a alimente un foyer de cuisson (non représenté sur la figure 3).
  • On notera que le fonctionnement d'une architecture en pont complet est similaire, et ne sera pas décrite ici.
  • La tension de secteur 30, les moyens de redressement 21, le condensateur Cbus, les moyens de synchronisation 22, ainsi que l'unité de traitement 24 qui ont été décrits en référence à la figure 2, sont représentés sur la figure 3.
  • Le pont de puissance 23a comporte des moyens de commutation.
  • Dans cet exemple, les moyens de commutation sont deux composants de puissance A, B connectés en série et fonctionnant comme deux interrupteurs.
  • Par exemple, les composants de puissance sont des transistors IGBT (acronyme du terme anglais "Insulated Gate Bipolar Transistors").
  • Dans le cas d'une architecture en pont complet, deux autres transistors connectés entre eux en série sont montés en parallèle avec les transistors IGBT A, B.
  • On notera que les deux transistors IGBT A, B fonctionnent en alternance, c'est-à-dire lorsque l'un est passant, l'autre est bloqué.
  • Dans ce schéma, une inductance L représente à la fois l'inductance des moyens d'induction et celle du récipient à chauffer placé en vis-à-vis.
  • Deux condensateurs de résonance C1, C2 sont montés en parallèle avec l'inductance L formant avec elle un circuit résonant.
  • Deux condensateurs Ca, Cb d'aide à la commutation sont montés en parallèle entre l'inductance L et les transistors IGBT A, B.
  • Comme décrit ci-dessous, les interrupteurs IGBT A, B sont commandés en fonctionnement selon une fréquence de travail afin d'ajuster la puissance instantanée délivrée par les moyens d'induction à un récipient disposé sur une zone de cuisson, à la puissance de consigne demandée par un utilisateur.
  • La Figure 4 montre la puissance instantanée pouvant être délivrée par les moyens d'induction à un récipient disposé sur une zone de cuisson, en fonction de la fréquence de commutation des transistors IGBT.
  • Il est connu de l'homme du métier que la puissance instantanée délivrée par les moyens d'induction au récipient est ajustée en modifiant la fréquence de commutation des transistors IGBT.
  • La fréquence de commutation du transistor IGBT est comprise dans une plage optimale de fonctionnement définie par une fréquence minimale F1 et par une fréquence maximale F2.
  • Comme on peut l'observer sur la figure 4, la fréquence minimale F1 correspond à la puissance instantanée maximale et la fréquence maximale F2 correspond à la puissance instantanée minimale.
  • La définition de cette plage de fréquences est connue de l'homme du métier. La fréquence minimale F1 (correspondant à la puissance instantanée maximale) correspond à la fréquence de résonance du circuit résonant LC. La fréquence maximale F2 est notamment définie en tenant en compte des contraintes de fonctionnement du transistor IGBT, par exemple pour conserver un comportement thermique satisfaisant.
  • A titre d'exemple nullement limitatif, la plage optimale de fonctionnement est comprise entre 18 KHz et 50 KHz. Bien entendu, cette plage peut être comprise entre des valeurs différentes.
  • Comme décrit ci-dessous, le dispositif d'alimentation peut fonctionner en mode continu ou en mode de découpage. Ces modes de fonctionnement vont être décrits en référence à la figure 5. Cette figure 5 représente la puissance instantanée continue délivrée par les moyens d'induction sur un récipient situé sur une zone de cuisson, en fonction du temps.
  • Lorsque la puissance de consigne demandée par l'utilisateur est comprise entre les puissances minimale et maximale, les transistors IGBT A, B fonctionnent (chacun leur tour) en mode continu selon une fréquence de travail.
  • Cette fréquence de travail est telle que dans une période programme Tprog (illustrée sur la figure 5) la puissance restituée soit sensiblement égale à la puissance de consigne demandée par l'utilisateur.
  • Lorsque la puissance de consigne demandée par l'utilisateur est inférieure à la puissance minimale (correspondant à une fréquence maximale de fonctionnement continu), les transistors IGBT A, B fonctionnent en mode découpé. Dans le mode découpé, les transistors IGBT A, B fonctionnent selon la fréquence maximale pendant un intervalle Tdec de la période programme Tprog.
  • La durée de cet intervalle Tdec est déterminée de sorte que la puissance de consigne demandée soit restituée sur la période programme Tprog. Cette détermination étant connue de l'homme du métier ne sera décrite en détail ici.
  • La figure 6 montre des courbes illustrant schématiquement l'évolution dans le temps de différents signaux pendant la mise en oeuvre du procédé d'alimentation conforme à l'invention.
  • La tension Vbus représente la tension aux bornes du condensateur Cbus.
  • Cette tension correspond à la tension de secteur Vsecteur lorsqu'au moins un pont de puissance 23a, 23b, 23c du dispositif d'alimentation à onduleur est mis en fonctionnement.
  • Lorsqu'aucun des ponts de puissance 23a, 23b, 23c est mis en fonctionnement, la tension Vbus est continue et égale à la valeur crête de la tension de secteur Vsecteur. La fréquence de la tension de secteur en France est de 50Hz (sa période étant donc de 20 ms). Bien entendu, la fréquence présente des valeurs différentes selon le pays dans lequel on se trouve.
  • Le signal Vcom représente la commande des interrupteurs IGBT A, B. On notera que la tension Vbus est aussi représentée superposée au signal Vcom.
  • Sur la figure 6, on a aussi représenté la puissance dans l'inducteur dans laquelle on peut visualiser la période programme Tprog.
  • Cette période programme Tprog comprend plusieurs périodes secteur, dont la totalité n'est pas représentée ici.
  • A titre d'exemple nullement limitatif, la période programme Tprog présente une valeur appartenant à une plage de valeurs comprise entre 1 et 15 secondes.
  • On notera que les échelles dans lesquelles chacun des signaux sont représentés sont différentes.
  • Dans l'exemple représenté sur la figure 6, le dispositif d'alimentation en puissance fonctionne en mode découpé.
  • Ainsi, la puissance de consigne demandée par l'utilisateur est inférieure à la puissance instantanée minimale.
  • Au début de la période programme Tprog, les transistors IGBT A, B sont mis en fonctionnement à une fréquence de démarrage Fd supérieure à la fréquence maximale de fonctionnement continu F2 pendant une durée prédéfinie TX.
  • A titre d'exemple nullement limitatif cette fréquence de travail présente une valeur de 100KHz.
  • Bien entendu, cette fréquence de démarrage Fd pourrait présenter d'autres valeurs.
  • Ainsi, à chaque fois que les transistors IGBT A, B sont mis en fonctionnement, c'est-à-dire à chaque début d'une période programme Tprog, ils sont mis en fonctionnement à une fréquence de démarrage Fd supérieure à la fréquence maximale de fonctionnement continu F2.
  • Par conséquent, le courant circulant Iind dans l'inducteur n'est pas très élevé et le bruit généré dans le récipient est réduit ou même nul.
  • A titre d'exemple nullement limitatif, le courant Iind circulant dans l'inducteur ne dépasse pas 16,5 A pour une fréquence de 100 KHz, alors que pour une fréquence de 50 KHz (fréquence maximale de fonctionnement continu F2), le courant Iind atteint 26A.
  • La durée prédéfinie Tx représente le temps écoulé entre un premier instant t1 à partir duquel les moyens de commutation sont mis en fonctionnement et un second instant t2 à partir duquel les moyens de commutation sont mis en fonctionnement à la fréquence de travail FT égale à la fréquence maximale de fonctionnement continu F2.
  • Dans le mode de réalisation décrit, le second instant t2 correspond à un instant où la tension de secteur est sensiblement nulle.
  • Ainsi, à l'instant t2 où les transistors IGBT A, B commencent à fonctionner selon une fréquence de travail FT sensiblement égale à la fréquence maximale de fonctionnement continu F2, le condensateur Cbus est déchargé.
  • Dans le mode de réalisation décrit, les transistors IGBT A, B sont mis en fonctionnement lorsque la tension de secteur Vbus présente sa valeur maximale ou valeur crête.
  • Ainsi, si les transistors IGBT A, B sont mis en fonctionnement lorsque la tension secteur présente sa valeur crête, la tension secteur Vsecteur et la tension aux bornes du condensateur Cbus évoluent de manière similaire.
  • A titre d'exemple nullement limitatif, la durée prédéfinie Tx présente une valeur comprise entre 2 et 5 ms.
  • Les transistors IGBT A, B fonctionnent à cette fréquence de démarrage Fd jusqu'à la fin de l'intervalle Tx.
  • A la fin de cet intervalle Tx, c'est-à-dire à l'instant t2, les transistors IGBT A, B fonctionnent chacun leur tour à une fréquence de travail FT sensiblement égale à la fréquence maximale de fonctionnement continu F2 jusqu'à la fin de l'intervalle Tdec. A la fin de cet intervalle Tdec, les transistors IGBT A, B ne fonctionnent pas jusqu'à la fin de la période programme Tprog.
  • Dans un mode de réalisation, la mise en fonctionnement des moyens de commutation A, B selon une fréquence de démarrage Fd supérieure à la fréquence maximale de fonctionnement continu F2 est mise en oeuvre pendant une période prédéterminée Tx située au début de chaque période programme Tprog.
  • Selon un autre mode de réalisation, la mise en fonctionnement des moyens de commutation A, B selon une fréquence de démarrage Fd supérieure à la fréquence maximale de fonctionnement continu F2 est mise en oeuvre pendant une période prédéterminée Tx située au début d'une période programme Tprog sur plusieurs périodes programme, par exemple située sur une période programme Tprog sur deux.
  • On notera que dans cet exemple (mise en fonctionnement des moyens de commutation A, B à la fréquence de démarrage Fd pendant une période prédéterminée Tx située sur une période programme Tprog sur deux), au moins l'un des moyens de commutation A, B doit être en fonctionnement au début de la période programme Tprog ne comportant pas de période prédéterminée Tx au début.

Claims (8)

  1. Procédé d'alimentation en puissance des moyens d'induction, les moyens d'induction (I1, I2, I3) étant associés à une zone de cuisson (F1, F2, F3, F4) et étant alimentés en puissance à des valeurs de puissance de consigne respectivement par un dispositif d'alimentation à onduleur (20) comportant des moyens de commutation (A, B) fonctionnant selon une fréquence de travail (FT), en mode continu lorsque la valeur de puissance de consigne est supérieure ou égale à une puissance instantanée minimale, et en mode découpé lorsque la valeur de puissance de consigne est inférieure à ladite puissance instantanée minimale, ladite puissance instantanée minimale correspondant à une fréquence maximale de fonctionnement continu (F2), le procédé d'alimentation étant caractérisé en ce que les moyens de commutation (A, B) sont mis en fonctionnement pendant une durée prédéfinie (Tx) à une fréquence de démarrage (Fd) supérieure à la fréquence maximale de fonctionnement continu (F2), au début d'une période programme (Tprog).
  2. Procédé d'alimentation conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commutation (A, B) sont mis en fonctionnement pendant une durée prédéfinie (Tx) à une fréquence de démarrage (Fd) supérieure à la fréquence maximale de fonctionnement continu (F2) lorsqu'ils fonctionnent en mode découpé.
  3. Procédé d'alimentation conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation à onduleur (20) est apte à appliquer une tension de secteur (Vsecteur) sur les moyens d'induction (I1, I2, I3), la durée prédéfinie (Tx) représentant le temps écoulé entre un premier instant (t1) à partir duquel les moyens de commutation (A, B) sont mis en fonctionnement à une fréquence de démarrage (Fd) et un second instant (t2) à partir duquel des moyens de commutation (A, B) sont mis en fonctionnement à la fréquence de travail (FT) sensiblement égale à la fréquence maximale de fonctionnement continu (F2).
  4. Procédé d'alimentation conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'au second instant (t2), la tension de secteur (Vsecteur) est sensiblement nulle.
  5. Procédé d'alimentation conforme à l'une des revendications 2 à 4, dans lequel les moyens de commutation (A, B) sont mis en fonctionnement à la fréquence de démarrage (Fd) lorsque la tension de secteur (Vsecteur) présente sa valeur crête.
  6. Procédé d'alimentation conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commutation (A, B) sont mis en fonctionnement à une fréquence de démarrage (Fd) supérieure à la fréquence maximale de fonctionnement continu (F2) au début de chaque période programme (Tprog) du dispositif d'alimentation à onduleur (20) dans lequel la puissance instantanée délivrée par les moyens d'induction (I1, I2, I3) est restituée.
  7. Dispositif d'alimentation en puissance des moyens d'induction, les moyens d'induction (I1, I2, I3) étant associés à une zone de cuisson, le dispositif d'alimentation en puissance alimentant en puissance à des valeurs de puissance de consigne les moyens d'induction (I1, I2, I3) et comportant des moyens de commutation (A, B) fonctionnant selon une fréquence de travail (FT) en mode continu lorsque la valeur de puissance de consigne est supérieure ou égale à une puissance instantanée minimale, et en mode découpé lorsque la valeur de puissance de consigne est inférieure à ladite puissance instantanée minimale, ladite puissance instantanée minimale correspondant à une fréquence maximale de fonctionnement continu (F2), caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation comporte des moyens de commande configurés pour mettre en oeuvre un procédé d'alimentation en puissance conforme à l'une des revendications 1 à 6.
  8. Appareil de cuisson à induction caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'alimentation en puissance alimentant en puissance des moyens d'induction et étant conforme à la revendication 7 et mettant en oeuvre un procédé d'alimentation en puissance conforme à l'une des revendications 1 à 6.
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