FR2839604A1

FR2839604A1 - Induction module for electric cooking, comprises two inductors each having two independent windings associated with switches which may connect them directly or in series to the rectified supply

Info

Publication number: FR2839604A1
Application number: FR0205698A
Authority: FR
Inventors: Francois Forest; G Dominique Akel
Original assignee: Jaeger Controls
Current assignee: Jaeger Controls
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2003-11-14

Abstract

The cooking module has two inductors fed from inverters receiving rectified public supply. Each of the inductors has two independent windings (IND1,IND1') and (IND2,IND2') and the inverters have two arms (B1,B2) with electronic switching (T1,T1'T2,T2'). Electromagnetic switching (RL1,RL1'RL2,RL2') connects the inductor windings and capacitors (C1,C1'C2,C2') to the rectified supply either individually or in series.

Description

La presente invention concerne un module de cuisson elec trique aThe present invention relates to an electric cooking module with

induction comprenant deux inducteurs alimentes chacun par un induction comprising two inductors each supplied by a

generateur (onduleur) recevant le courant redresse du reseau electrique. generator (inverter) receiving the rectified current from the electrical network.

L'invention concerne egalement un procede de commande The invention also relates to a control method

s d'un tel module.s of such a module.

Etat de l'art - Solutions actuelles Les systemes de cuisson par induction a plusieurs foyers (2 ou 4) presents sur le marche grand public utilisent, pour la plupart, State of the art - Current solutions Most induction cooking systems (2 or 4) present on the general public market use, for the most part,

['architecture de la figure 1A.['architecture of Figure 1A.

o Le module elementaire est constitue de deux inducteurs I1, I2 et de deux generateurs G1, G2, chacun de ces generateurs alimentant un inducteur et un seul. Pour une plaque de cuisson a 4 foyers, on utilise deux modules. Sur les reseaux monophases dont les tensions vent supe rieures a 200 V (Europe), le generateur electronique indeniablement le plus approprie a ['application est l'onduleur a resonance G de la figure 1B. La resonance est introduite en associant a l'inducteur, de caractere natu rellement inductif, des condensateurs, C1 et C2, classiquement de quel ques centaines de nF, pour aboutir a une frequence de fonctionnement nominale d'une vingtaine de kHz, avec les technologies d'inducteurs ac o tuelles cites a pancake >. Le reglage de la puissance fournie a l'inducteur o The elementary module consists of two inductors I1, I2 and two generators G1, G2, each of these generators supplying one inductor and only one. For a 4-burner hob, two modules are used. On single-phase networks with wind voltages greater than 200 V (Europe), the electronic generator undeniably the most suitable for the application is the G resonance inverter of Figure 1B. Resonance is introduced by associating with the inductor, of a naturally inductive character, capacitors, C1 and C2, conventionally of some hundreds of nF, to result in a nominal operating frequency of around twenty kHz, with the technologies of current inducers cited in pancake>. Adjusting the power supplied to the inductor

s'opere par variation de la frequence de commande de l'onduleur. operates by varying the inverter control frequency.

Un probleme important apparat lorsque l'on veut realiser le module comportant deux inducteurs et deux generateurs. Les puissances delivrees par les deux foyers doivent pouvoir etre reglees independam s meet. Si l'on applique simultanement des frequences de commande dis tinctes aux deux parties de ce module, on fait appara^tre, du fait du couplage electrique des deux onduleurs par une ligne d'alimentation con tinue unique, des phenomenes de battement en frequence extremement An important problem appears when one wants to realize the module comprising two inductors and two generators. The powers delivered by the two households must be able to be regulated independently of each other. If separate control frequencies are applied simultaneously to the two parts of this module, it appears, due to the electrical coupling of the two inverters by a single continuous supply line, extremely high frequency beat phenomena

genant pour l'utilisateur et qui doivent etre elimines. inconvenient for the user and which must be eliminated.

Deux techniques d'association et de commande vent princi palement mises en ceuvre anjourdthui: - la premiere con siste a decoupler electriquement le s deux generateurs (onduleurs) a ['aide de filtres passifs (inductances et condensateurs), - la seconde est une option de commande qui conduit a faire fonctionner en alternance les deux generateurs a des frequences de quelques Hz (figure 2) en synchronisme avec la tension secteur redressee qui ali mente classiquement les generateurs. Il existe done deux frequences dans le systeme, la frequence de fonctionnement propre des onduleurs (>20kHz) et la frequence a laquelle on autorise cycliquement ce fonc tionnement. La figure 2 montre dans la ligne du haut la tension appli quee au generateur G1 et dans la ligne du teas la tension appliquee au ge nerateur G2. Si l'on envisage l'exemple typique d'un module a deux foyers connecte sur une prise normalisee 230V-16A, on peut theoriquement dis poser d'une puissance totale de 3,7kW. Parallelement, pour beneficier de performances de cuisson elevees, la tendance est de permettre o ['attribution quasi complete de cette puissance a un senl foyer (3kW). Les techniques precedentes necessitent alors l'utilisation de deux onduleurs de 3kW, soit une electronique installee d'une puissance globale de 6kW, a Two techniques of association and wind control mainly implemented today: - the first consists in electrically decoupling the two generators (inverters) using passive filters (inductors and capacitors), - the second is an option control which results in alternating operation of the two generators at frequencies of a few Hz (FIG. 2) in synchronism with the rectified mains voltage which conventionally supplies the generators. There are therefore two frequencies in the system, the operating frequency of the inverters (> 20kHz) and the frequency at which this operation is allowed cyclically. Figure 2 shows in the top line the voltage applied to the generator G1 and in the line of the teas the voltage applied to the generator G2. If we consider the typical example of a two-hearth module connected to a standardized 230V-16A socket, we can theoretically say that it has a total power of 3.7kW. At the same time, to benefit from high cooking performance, the tendency is to allow almost complete attribution of this power to a fire (3kW). The previous techniques then require the use of two 3kW inverters, an installed electronics with a total power of 6kW, at

comparer a la puissance maximale de 3,7kW gerable par le module. compare to the maximum power of 3.7kW manageable by the module.

Expose de ['invention s La presente invention a pour but de developper un module de cuisson electrique a induction du type correspondent ci-dessus, per mettant de mieux utiliser ltelectronique et surtout de pouvoir disposer au choix sur l'un ou l'autre des deux foyers dans le cas d'un module a deux Expose of the invention The aim of the present invention is to develop an electric induction cooking module of the type corresponding above, allowing better use of electronics and above all being able to have a choice of one or the other. two homes in the case of a two-person module

foyers, la puissance maximale disponible. fireplaces, the maximum power available.

o A cet effet ['invention concerne un module de cuisson par induction du type defmi ci-dessus caracterise en ce que - chaque inducteur est forme de deux bobinages independents, - chaque generateur est forme de deux bras d'onduleurs, * les deux bras d'un meme generateur etant associes aux deux bobi nages du meme inducteur, * chaque bras est muni d'un moyen de commutation, pour le relier directement a l'alimentation (etat direct) ou pour le relier en pont a l'autre bras du meme generateur (etat poet) * les moyens de commutation des deux inducteurs etant couples o To this end [the invention relates to an induction cooking module of the defmi type above, characterized in that - each inductor is formed from two independent coils, - each generator is formed from two inverter arms, * the two arms of the same generator being associated with the two bi-nages of the same inductor, * each arm is provided with a switching means, to connect it directly to the power supply (direct state) or to connect it in bridge to the other arm from the same generator (poet state) * the switching means of the two inductors being coupled

so pour ne pas prendre le meme etat en meme temps. so as not to take the same state at the same time.

Ainsi chaque foyer du modele de cuisson comporte un in Thus each hearth of the cooking model has an in

ducteur constitue de deux bobinages independents. conductor consists of two independent windings.

Cette formule peut etre generalisee comme cela sera indique ci-apres et l'on peut envisager de diviser ['inductance d'un foyer en un s5 nombre pair de bobinages independents commandes chaque fois par un This formula can be generalized as will be indicated below and one can consider dividing the inductance of a hearth into an even number of independent windings controlled each time by a

bras d'onduleur.inverter arm.

Le montage du module de cuisson selon ['invention est parfaitement symetrique a un double titre d'abord au niveau de chaque foyer et entre les deux foyers. Cela permet d'une part de realiser des cir cuits totalement identiques et interchangeables et d'autre part cela reduit la puissance du commutateur de commande associe a chaque demi on duleur (bras d'onduleur). Sur le plan industrial cela se traduit par une s economic considerable tent par le cout des composants que pour la fabri cation et le stockage. Malgre cela tout foyer peut fonctionner a la puis The mounting of the cooking module according to the invention is perfectly symmetrical for two reasons, first at each hearth and between the two hearths. This allows on the one hand to realize completely identical and interchangeable circuits and on the other hand it reduces the power of the control switch associated with each half of the inverter (inverter arm). From an industrial point of view, this translates into considerable economic costs in terms of the cost of the components used for manufacturing and storage. Despite this, any fireplace can operate at the same time.

sance maximale.maximum sance.

Suivant une autre caracteristique interessante les moyens de commutation vent commandes de la meme maniere dans une premiere io position de commutation, les bras de l'onduleur d'un foyer etant relies di rectement a l'alimentation et les bras de l'autre foyer vent montes en pont According to another interesting characteristic, the wind switching means controlled in the same way in a first switching position, the arms of the inverter of one hearth being directly connected to the supply and the arms of the other wind hearth go up in bridge

entre l'alimentation.between feeding.

Suivant une autre caracteristique interessante According to another interesting characteristic

l'alimentation est commandee en phase ou en opposition de phase. the power supply is controlled in phase or in opposite phase.

Suivant une autre caracteristique interessante les bras d'un onduleur vent realises par un meme circuit comprenant le condensateur de resonance, le commutateur de mode et le commutateur de commande ainsi que les protections (diode, condensateur) et une resistance de pas sage. Dessins La presente invention sera decrite ci-apres a ['aide d'un exemple de realisation represente dans les dessins annexes ainsi que des According to another interesting characteristic, the arms of a wind inverter produced by a same circuit comprising the resonance capacitor, the mode switch and the control switch as well as the protections (diode, capacitor) and a step resistance. Drawings The present invention will be described below using an exemplary embodiment shown in the accompanying drawings as well as

schemes expliquant l'art anterieur.schemes explaining the prior art.

- La figure 1A est un schema d'un module de cuisson par induction a - Figure 1A is a diagram of an induction cooking module a

2s deLx foyers selon l'art anterieur. 2s of Lx fireplaces according to prior art.

- la figure 1B est un schema d'un generateur elementaire associe a l'un des inducteurs des foyers de la figure 1, - la figure 2 est un diagramme montrant l'alternance de la commande de s deux generateurs du module de cuisson de la figure 1 selon l 'art anterieur, - la figure 3 montre le schema d'un bras d'onduleur associe a un induc teur, - la figure 4 montre l'etat de branchement direct du bras d'onduleur, - la figure 5 montre l'etat de branchement en pont de deux bras ss d'onduleurs, - la figure 6 represente la commande de l'alimentation des inducteurs en phase et en opposition de phase, - la figure 7 est un schema d'un module de cuisson a deux foyers selon un exemple de realisation de ['invention, - la figure 8 est un schema de la commande des bras de generateurs soit - Figure 1B is a diagram of an elementary generator associated with one of the hearth inductors of Figure 1, - Figure 2 is a diagram showing the alternation of the control of two generators of the cooking module of the Figure 1 according to the prior art, - Figure 3 shows the diagram of an inverter arm associated with an inductor, - Figure 4 shows the state of direct connection of the inverter arm, - Figure 5 shows the state of bridge connection of two arms ss of inverters, - Figure 6 represents the control of the supply of the inductors in phase and in phase opposition, - Figure 7 is a diagram of a cooking module a two fireplaces according to an exemplary embodiment of the invention, - Figure 8 is a diagram of the control of the generator arms either

en phase soit en opposition de phase. in phase or in phase opposition.

s Description des modes de realisation s Description of the embodiments

Selon la figure 1, l'inducteur du module de cuisson est divi se en deux parties independantes dont l'une INDi est represente. Cet in ducteur INDi est relic par une borne aux composants de commande Tdi qui reOcoit le signal de commande S. Ce composant de commande comporte o en parallele un condensateur et une diode non references. L'autre borne de ['inductance est reliee au condensateur de riesonance Ci. En aval du condensateur Ci, le montage comporte un commutateur RLi qui, en posi tion S 1 relic directement l'inducteur a l'alimentation et en position S2 relic le bras de l'onduleur a la sortie S2 c'est-a-dire a la sortie homologue S2 du ts commutateur de l'inducteur associe au meme foyer. I1 s'agit alors d'un montage en pont entre les deux alimentations et le fonctionnement de ce montage depend de la difference des tensions d'alimentation. La figure 4 montre le premier cas de branchement direct d'un inducteur ID 1 qui peut alors recevoir toute la puissance disponible. La figure 5 montre le cas du branchement en pont de deux bras d'onduleur, associes aux deux parties ID 1, ID 1' d'un meme inducteur. Le chronogramme de la figure 6 repre sente la commande des tensions VA, VB soit en phase soit en position de phase concerne surtout le fonctionnement du branchement des bras d'onduleur en poet. Pour une commande en phase les bornes du montage 2s en pont regoivent la meme tension de sorte que le pont n'est traverse par aucun courant. Les inducteurs ID 1, ID 1' ne fournissent alors aucune According to FIG. 1, the inductor of the cooking module is divided into two independent parts, one of which INDi is represented. This inductor INDi is connected by a terminal to the control components Tdi which receives the control signal S. This control component comprises o in parallel a capacitor and a non-reference diode. The other terminal of the inductance is connected to the resonance capacitor Ci. Downstream of the capacitor Ci, the assembly comprises a switch RLi which, in position S 1 directly connects the inductor to the power supply and in position S2 connects the arm of the inverter at output S2, that is to say at homologous output S2 of the switch switch of the inductor associated with the same focus. It is then a bridge arrangement between the two power supplies and the operation of this arrangement depends on the difference in the supply voltages. Figure 4 shows the first case of direct connection of an inductor ID 1 which can then receive all the available power. FIG. 5 shows the case of the bridge connection of two inverter arms, associated with the two parts ID 1, ID 1 'of the same inductor. The timing diagram of FIG. 6 represents the control of the voltages VA, VB either in phase or in phase position relates above all to the operation of the connection of the inverter arms in poet. For a phase control, the terminals of the 2s bridge installation receive the same voltage so that no current crosses the bridge. The inductors ID 1, ID 1 'then do not provide any

energie de chauffage.heating energy.

Pour une commande en opposition de phase l'alimentation For an order in phase opposition the power supply

en pont sera continue (VA).bridge will be continuous (VA).

La combinaison d'un bras d'onduleur a une partie d'inducteur d'un foyer permet de realiser un module de cuisson a deux foyers parfaitement symetrique ce qui est tres interessant pour la realisa tion pratique car le composant de puissance commandant le fonctionne ment du bras peut etre dimensionne de moitie de la puissance maximale d'un foyer puisque l'autre moitie de la puissance est fournie par l'autre The combination of an inverter arm with an inductor part of a hearth makes it possible to produce a perfectly symmetrical two-hearth cooking module which is very interesting for practical realization since the power component controlling the operation of the arm can be dimensioned by half of the maximum power of a hearth since the other half of the power is provided by the other

bras de l'onduleur associe au meme foyer mais a son autre inducteur. arm of the inverter associated with the same hearth but with its other inductor.

Le principe decrit ci-dessus peut se generaliser a la division The principle described above can be generalized to the division

de l'inducteur d'un foyer en 2n bobinages independents. the inductor of a hearth in 2n independent windings.

La figure 7 montre le circuit d'un module selon ['invention compose de deux foyers ayant chacun deux inducteurs IND1, IND1', IND2, FIG. 7 shows the circuit of a module according to the invention composed of two homes each having two inductors IND1, IND1 ', IND2,

IND2' et les bras d'onduleur installes sur ce montage parfaitement syme- IND2 'and the inverter arms installed on this perfectly synonymous assembly

trique permettent de fournir toute la puissance a un quelconque des foyers. Selon la figure 7, chaque inducteur d'un foyer est divise en deux inducteurs aux bobinages IND1, IND1', IND2, IND2' et un bras d'onduleur qui leur est respectivement associe. Dans cet exemple les commutateurs vent des relais electromecaniques RL1, RL1', RL2, RL2'. En parallele aux condensateurs de resonance on a une resistance R pour permettre to d'initialiser correctement les tensions aux bornes du condensateur. Enfin la commande des bras d'onduleur est associee par les composants de can provide all the power to any of the homes. According to FIG. 7, each inductor of a hearth is divided into two inductors with the windings IND1, IND1 ', IND2, IND2' and an inverter arm which is respectively associated with them. In this example the wind switches of electromechanical relays RL1, RL1 ', RL2, RL2'. In parallel to the resonance capacitors there is a resistor R to allow to correctly initialize the voltages across the capacitor. Finally, the control of the inverter arms is combined by the components of

commande TD1, TD1', TD2, TD2'. Le changement de mode de fonctionne- command TD1, TD1 ', TD2, TD2'. Changing the operating mode-

ment par le s relais ne se fait que lorsque le s onduleurs vent inactifs c'e st- via the relay only occurs when the inverters are inactive.

a-dire bloques. Les deux positions de fonctionnement possible vent don- to say blocks. The two possible operating positions give wind

nees ci-apres: - RL1, RL1' en position 1, RL2, RL2' en position 2: chaque partie de l'inducteur 1 est alimentee independamment par chacun des bras a travers les condensateurs de resonance C1 et C1', tandis que les deux parties de l'inducteur 2, en serie avec C2 et C2', vent alimentees si o multanement par la structure en pont constituee des deux bras. La fi born below: - RL1, RL1 'in position 1, RL2, RL2' in position 2: each part of the inductor 1 is supplied independently by each of the arms through the resonance capacitors C1 and C1 ', while the two parts of the inductor 2, in series with C2 and C2 ', wind supplied if o multanement by the bridge structure consisting of the two arms. The fi

gure 8 fait apparatre plus precisement cette premiere configuration. gure 8 shows this first configuration more precisely.

- RL2, RL2' en position 1, RL1, RL1' en position 2: inversement, chaque partie de l'inducteur 2 est maintenant alimentee independamment par chacun des bras a travers les condensateurs de resonance C2 et C2', :5 tandis que les deux parties de l'inducteur 1, en serie avec C1 et C1' vent alimentees simultanement par la structure en pont constituee des - RL2, RL2 'in position 1, RL1, RL1' in position 2: conversely, each part of the inductor 2 is now supplied independently by each of the arms through the resonance capacitors C2 and C2 ',: 5 while the two parts of inductor 1, in series with C1 and C1 'wind supplied simultaneously by the bridge structure consisting of

deux bras.two arms.

A partir de ces configurations de l'etage de puissance, c'est la commande qui permet ensuite d'obtenir les differents modes de fonc o tionnement desires. Pour cela, on definit tout d'abord la notion de matre et d'esclave. L'ensemble inducteur-generateur matre est celui sur lequel l'utilisateur demande la puissance la plus elevee. I1 est place dans la con figuration ou les deux parties vent alimentees independamment (induc From these configurations of the power stage, it is the control which then makes it possible to obtain the different modes of operation desired. For this, we first define the concept of master and slave. The master inductor-generator assembly is the one on which the user requests the highest power. It is placed in the configuration where the two parts are supplied independently (induc

teur 1 sur la figure 7).1 in Figure 7).

s5 La commande des deux bras s'opere alors de la fagon sui vante: la frequence de commande est la meme (commande synchrone) pour les deux bras et est reglee en fonction de la puissance desiree sur l'inducteur matre. Par contre, les deux bras peuvent etre commandes soit en phase soit en opposition de phase (figure 6), a l'echelle de la frequence s5 The control of the two arms then operates as follows: the control frequency is the same (synchronous control) for both arms and is adjusted according to the desired power on the master inductor. On the other hand, the two arms can be controlled either in phase or in phase opposition (figure 6), on the frequency scale

de decoupage (>20kHz).decoupage (> 20kHz).

A frequence donnee, la puissance fournie a l'inducteur matre est independante du mode en phase ou en opposition de phase, chaque bobinage etant alimente independamment par un bras (tensions At a given frequency, the power supplied to the master inductor is independent of the mode in phase or in phase opposition, each winding being supplied independently by an arm (voltages

VA et VB).VA and VB).

Dans le cas de l'inducteur esclave, ses deux bobinages en serie avec les condensateurs de resonance vent alimentes par le pont constitue des deux bras, done par la tension VA - VB. En opposition de to phase, cette tension sera un creneau d'amplitude egale a la tension In the case of the slave inductor, its two windings in series with the wind resonance capacitors supplied by the bridge constitutes two arms, therefore by the voltage VA - VB. In opposition to phase, this tension will be a niche of amplitude equal to the tension

d'alimentation continue des bras et de frequence egale a la frequence im- continuous supply of arms and frequency equal to the frequency

posee par le matre. En phase, la tension VA - VB sera nulle. I1 suffit alors d'alterner, sur quelques periodes du reseau alternatif, le mode en phase et le mode en opposition de phase pour regler la puissance sur l'inducteur esclave. A la limite, si l'on veut totalement arreter ce dernier, on maintient asked by the master. In phase, the voltage VA - VB will be zero. It is then sufficient to alternate, over a few periods of the AC network, the phase mode and the phase opposition mode to adjust the power on the slave inductor. Ultimately, if we want to completely stop the latter, we maintain

en permanence le mode en phase.permanently in phase mode.

En resume, la puissance sur l'inducteur matre est reglee par la frequence de decoupage des bras d'onduleur, la puissance sur l'inducteur esclave par le choix du nombre de periodes reseau sur lequel In summary, the power on the master inductor is regulated by the cutting frequency of the inverter arms, the power on the slave inductor by the choice of the number of network periods on which

o on autorise le mode en opposition de phase. o the mode in phase opposition is authorized.

Cette technique presente deux avantages principaux: - l'electronique (constituee des deux bras) est globalement dimensionnee pour la puissance totale susceptible d'etre fournie aux deux inducteurs simultanement, soit 3,7kW, - il existe une seule frequence de commande du systeme, ce qui elimine This technique has two main advantages: - the electronics (consisting of the two arms) are globally dimensioned for the total power capable of being supplied to the two inductors simultaneously, ie 3.7 kW, - there is only one frequency for controlling the system, which eliminates

tout risque de battement de frequence. any risk of frequency beat.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S

1) Electric induction cooking module comprising two inductors each supplied by a generator (inverter) receiving the rectified current from the electrical network, characterized in that - each inductor (I1, I2) is formed by two independent coils (IND1, INDi, IND2, IND21, - each generator is made up of two inverter arms, * the two arms (G1, G1 ', G2, G2') of the same generator being o associated with the two windings (IND1, IND1 ', IND2, IND2] of the same inductor (I1, I2), * each arm is provided with a switching means (RL1, RL2 ') to connect it directly to the power supply (direct state) or to connect it in bridge to the '' other arm of the same generator (poet state) * the switching means of the two inductors (I1, I2) being neck

ples not to take the same state at the same time.

2) Electric cooking module according to claim 1, characterized in that the switching means (RL1, RL1 'and RL2, RL21 are controlled in the same way in a first switching position, the arms of the inverter of a hearth being directly connected to the power supply (VA, VB) and

the arms of the other fireplace are bridged between the power supply (VA, VB).

2s 3) Electric cooking module according to claim 1, characterized in that

the power supply is controlled in phase or in opposite phase.

4) Electric cooking module according to claim 1, characterized in that the arms of an inverter (G1, G1 ', G2, G23 wind produced by the same cooked circuit comprising the resonance capacitor, the mode switch and the switch and protections (diode, conden

sator) and a passage resistance.

3s) electric cooking module according to claim, characterized in that