ITMI20000770A1 - Piano di cottura ad induzione comprendente focolari ad induzione alimentati da generatori - Google Patents

Description

La presente invenzione si riferisce ad un piano di cottura ad induzione avente dei focolari ad induzione alimentati da generatori.

La cottura ad induzione o, più generalmente, il riscaldamento ad induzione utilizza le correnti di Foucault indotte in un pezzo da riscaldare, in materiale elettricamente conduttore, da un campo magnetico ad alta frequenza. Questo pezzo è, per esempio, una casseruola. Il campo magnetico è generato da un induttore alimentato in corrente alternata ad alta frequenza da un generatore che adatta la frequenza e l'intensità della corrente in funzione del riscaldamento desiderato. La frequenza adattata per il riscaldamento dipende da un certo numero di parametri ed in particolare dalla permeabilità magnetica relativa μr del recipiente e dalla sua conduttività elettrica σ. Partendo con uno spessore della parete che si considera, per esempio, uguale alla metà dello spessore del fondo del recipiente da riscaldare, si determina la pulsazione ω utilizzando la formula:

da cui si deduce la frequenza per mezzo della formula:

Si ottiene così una frequenza ottimale da utilizzare nell'ordine da 10 a 50 kHz.

Il generatore è alimentato tramite la rete elettrica la cui tensione di alimentazione viene raddrizzata e filtrata. Il generatore alimentato da questa tensione raddrizzata U è in generale un generatore a risonanza. In effetti, gli induttori sono tipicamente realizzati avvolgendo a spirale un conduttore elettrico in modo che il carico relativo, vale a dire il pezzo da riscaldare, comporta per questi induttori, alla frequenza di funzionamento, una resistenza R compatibile con la potenza da trasmettere al carico. Questi stessi induttori sono generalmente isolati meccanicamente, elettricamente e termicamente dal carico da riscaldare il che comporta un traferro di vari millimetri tra il carico e l'induttore. A questa distanza ed in questa gamma di frequenze, l'impedenza dell'induttore caricato è fortemente reattiva, il che comporta un fattore di qualità dell'induttore È quindi sufficiente aggiungere uno o più condensatori C all'induttore di induttanza L per creare un circuito risonante alla frequenza:

Per questa ragione, i generatori sono principalmente ondulatori a risonanza. Poiché l'impedenza Z ed in particolare l'induttanza L dell'induttore dipendono dalle caratteristiche del carico, le frequenze di funzionamento in un piano di cottura per induzione avente più focolari non sono in generale identiche ma prossime. Questo fenomeno è d'altra parte accentuato dal fatto che, per conservare modi di commutazione morbida, le regolazioni di potenza si ottengono in generale regolando la frequenza di lavoro, e quindi due focolari destinati a riscaldare dei carichi identici a potenze differenti utilizzeranno frequenze diverse. Occorre notare che questa modalità di regolazione presenta l'inconveniente di far lavorare l'ondulatore a frequenze lontane dalla sua frequenza naturale di risonanza, il che genera perdite elevate. Il miglior compromesso consiste nel lavorare con un tiristore doppio operando per la potenza massima la più vicina possibile alla risonanza che è la frequenza di lavoro più bassa e per abbassare questa potenza aumentare la frequenza di lavoro.

Queste frequenze prossime generano dei battimenti che sono trasmessi al recipiente da riscaldare e che, per la loro debole differenza, cadono nel campo dell'udibile (da qualche Hz a qualche kHz). Questi battimenti di frequenza, al di là del rumore che generano nei carichi, creano difficoltà per il controllo dei generatori indipendenti.

Per evitare questo fenomeno che, per la sua intensità, può rendere l'utilizzazione del prodotto molto sgradevole, è necessario separare bene le differenti coppie (generatori - focolare ad induzione), il che genera evidenti difficoltà con riferimento alla modularità dei prodotti; per la stessa ragione è impossibile, per esempio, riscaldare un grande recipiente su più focolari vicini alimentati da generatori differenti.

Una soluzione nota consiste nell'alimentare ciclicamente dei focolari vicini per un periodo variabile dal secondo, per dispositivi di commutazione meccanica, a decine di millisecondi per soluzioni completamente elettroniche. In questi due casi, i generatori devono essere sovradimensionati in potenza poiché la potenza non viene trasmessa permanentemente al focolare ma alternativamente con un rapporto ciclico variabile a seconda delle potenze richieste su ciascun focolare collegato al generatore. Inoltre, questa alimentazione ciclica può essere avvertita come una difficoltà per l'utilizzazione dell'apparecchiatura in considerazione delle variazioni di potenza, brutali, nel carico se il periodo è dell'ordine del secondo o in considerazione del rumore connesso alla commutazione se questo periodo è dell'ordine di qualche millisecondo corrispondente a frequenze di qualche centinaio di Hertz.

Un'altra soluzione nota nel campo dei comandi e dell'elettronica di potenza consiste nell'alimentare induttori alla stessa frequenza utilizzando generatori a commutazione dura, per esempio un interruttore la cui modalità di regolazione della potenza può quindi essere eseguita a frequenza fissa in modo di modulazione di ampiezza di impulso (MLI). Tuttavia non è conveniente utilizzare questo tipo di generatore per alimentare induttori classici, specialmente in considerazione del fattore di qualità elevato delle bobine alla frequenza di lavoro. Questo comporta in effetti una difficoltà per far circolare la corrente nelle bobine di autoinduttanza (correnti triangolari) e perdite importanti quando si interrompe la corrente in queste bobine, il che comporta un sovradimensionamento notevole del generatore di potenza.

Scopo della presente invenzione è quello di ovviare a tale inconveniente e di sviluppare un piano di cottura ad induzione con potenza debole o forte e, in generale, un'apparecchiatura di riscaldamento per induzione che funziona con una sola frequenza o a frequenze multiple per evitare i battimenti, e soprattutto che permetta di utilizzare i generatori con potenza debole e specialmente generatori modulari .

A questo scopo l'invenzione si riferisce ad un piano di cottura del tipo suddetto, caratterizzato dal fatto che gli induttori vicini o che costituiscono uno stesso focolare sono alimentati ad una stessa frequenza o a frequenze multiple e dal fatto che comprende almeno un focolare di forte potenza composto da almeno due induttori che hanno una impedenza sul carico pressoché identica, applicata su questi induttori qualunque sia il carico posato sul focolare. Un comando unico pilota quindi i generatori che funzionano in modo risonante a commutazione morbida.

Vantaggiosamente questo piano di cottura comprende due focolari ad induzione dotati di induttori, almeno uno dei focolari (primo focolare) essendo di forte potenza con almeno due induttori aventi una impedenza nel carico pressoché identica qualunque sia la natura, la forma e la posizione del carico posato su questo focolare. Un generatore ad ondulazione è associato a ciascun focolare e funziona in commutazione morbida, con un comando unico che pilota i due generatori. Un dispositivo di commutazione è associato al generatore del secondo focolare e possiede due stati:

-uno stato normale, per il quale il dispositivo di commutazione collega il generatore all'induttore del secondo focolare,

-uno stato di potenza, nel quale il dispositivo di commutazione collega il generatore del secondo focolare al secondo induttore del primo focolare.

I generatori ondulatori a risonanza, quando sono sincronizzati in frequenza, permettono di realizzare un focolare di forte potenza con generatori di bassa potenza particolarmente economici poiché funzionano permanentemente in modalità di commutazione morbida. Un dispositivo di commutazione permette di indirizzare la potenza di due o più generatori su focolari differenti ma è anche possibile non utilizzare questo dispositivo di commutazione e collegare permanentemente più generatori ad un focolare aumentando cosi la sua potenza.

Grazie al dispositivo di commutazione, il piano di cottura permette di approfittare del fatto che, in un uso normale delle apparecchiature, non è necessario per l'utilizzatore disporre continuamente di potenze elevate tanto più con sistemi ad induzione, in cui la potenza è trasmessa direttamente al carico, ed il rendimento è particolarmente elevato. Queste potenze sono utili in fasi di preparazioni particolari e di breve durata (bollitura dell'acqua, riscaldamento di quantità importanti di liquido, portare un grosso grill in temperatura) . In regime permanente, le potenze necessarie a mantenere una cottura (mantenimento all'ebollizione, cottura a fuoco lento) sono molto più basse e possono essere fornite da un solo generatore.

In questo piano di cottura, i due focolari possono essere costituiti ciascuno da due o più induttori aventi, per ciascun focolare, una impedenza sul carico quasi identica dovuta agli induttori; ciascun focolare essendo associato ad un generatore, con dispositivi di commutazione che permettono di collegare i generatori di altri focolari con gli induttori di uno stesso focolare per disporre così di una potenza importante fornita da più generatori di bassa potenza e non da un generatore unico di potenza elevata. Questo permette in particolare una fabbricazione modulare ed in grande scala di generatori ondulatori a risonanza, di debole potenza, utilizzabili peraltro in numerosi altri campi.

Il mercato dell'elettronica di potenza e dei convertitori di frequenza è in piena espansione e certe applicazioni sono o saranno prossimamente prodotte a milioni di esemplari come i convertitori di frequenza per il comando dei motori o le alimentazioni di potenza destinate, per esempio, ai magnetron dei forni a microonde. È quindi economicamente molto interessante potersi avvantaggiare da questo effetto di scala, sia sui componenti di potenza, sia nei microcontrollori di comando, sia negli stessi generatori. Le produzioni in grande serie vengono fatte per convertitori la cui potenza è minima. Il modo di realizzazione descritto permette di disporre di generatori di diverse potenze accoppiando questi convertitori di bassa potenza su dei focolari la cui potenza sarà uguale alla somma delle potenze dei convertitori collegati al focolare.

La frequenza dei differenti generatori collegati ad un focolare deve dunque essere identica o multipla di un'unica e stessa frequenza. La fase dei differenti generatori è in generale nulla (generatore in fase) ma può essere vantaggioso pilotare generatori in opposizione di fase allo scopo di accumulare il flusso magnetico di induttori vicini il che ha pure per effetto la diminuzione del campo magnetico in prossimità immediata degli induttori. Nel caso di induttori aggrovigliati che costituiscono un medesimo focolare e ciascuno dei quali apporta una impedenza sul carico pressoché identica, se lo stesso numero di induttori aggrovigliati è in fase ed in opposizione, il focolare genererà un campo magnetico e quindi una potenza pressoché nulla. Facendo variare le rispettive fasi dei generatori collegati al focolare da 180° a 0°, si giunge molto facilmente a far variare la potenza del focolare da 0 alla potenza totale di tutti i generatori collegati al focolare quando sono tutti in fase. Questo è particolarmente interessante poiché la regolazione della potenza si può in questo caso fare ad una frequenza fissa che può essere scelta ad un valore sufficientemente vicino alla risonanza naturale del convertitore in modo da minimizzare le perdite in quest'ultimo. La regolazione della potenza è molto più fine poiché è difficile aumentare indefinitamente la frequenza di lavoro del generatore rispetto alla sua risonanza naturale per diminuire la sua potenza ed al di là di una certa potenza si devono adottare tecniche di separazione per raggiungere potenze sufficientemente basse. Infine, annullare il campo di un induttore per mezzo del comando dei convertitori che vi sono collegati può essere anche particolarmente interessante allo scopo di minimizzare il campo magnetico di fuga nel caso di induttori non accoppiati o mal accoppiati a dei carichi.

Secondo altre caratteristiche vantaggiose, - il piano comporta più generatori di piccola potenza collegati ad uno o più induttori; - il comando unico richiede un sensore che rivela la presenza di un carico su un induttore per autorizzare la sua alimentazione con uno o più generatori;

- il comando unico comanda gli induttori vicini affinché i loro campi elettromagnetici siano a flusso cumulativo tra gli induttori e sotto il carico;

- il comando unico comanda gli induttori di un medesimo focolare regolando la fase relativa delle correnti fornite dai generatori associati a questi induttori in un campo di sfasatura compreso tra 0° e 180° per regolare la potenza del focolare o limitare l'irradiazione del focolare stesso;

- il piano è formato da generatori di debole potenza prodotti in grande serie con dispositivi che permettono di collegarli e di realizzare dei focolari di potenza notevole;

- le bobine di induzione sono atte a sopportare le temperature elevate e sono disposte il più vicino possibile al carico pur essendone elettricamente isolate, cosicché la resistenza della bobina prossima al carico sia molto superiore alla sua induttanza;

- il generatore comprende un condensatore di disaccoppiamento frammentato, così da creare un divisore capacitivo a tensione quasi fissa;

- il dispositivo di commutazione è costituito da un commutatore per collegare il generatore del secondo focolare al secondo induttore del primo focolare;

- il dispositivo di commutazione comprende un interruttore tra il punto di collegamento delle induttanze del primo focolare ed i condensatori del circuito risonante della prima induttanza del primo focolare, per chiudere (aprire) il circuito risonante del primo induttore del primo focolare ed un commutatore per collegare l'induttore del secondo focolare sul suo generatore o per collegare il secondo generatore sul secondo induttore del primo focolare, in serie con il primo induttore di questo primo focolare ed in serie con un condensatore comune.

La presente invenzione verrà descritta in quanto segue in modo più dettagliato con riferimento ai disegni allegati, in cui la:

- Figura 1 è uno schema di un primo modo di realizzazione di un piano di cottura con due focolari secondo l'invenzione, in modo di funzionamento normale ed indipendente dei due focolari; la - Figura 1A presenta lo schema della Figura 1 in modo di funzionamento di potenza sul focolare, costituito da induttori aggrovigliati che portano una impedenza in carico identica; la

- Figura 2 mostra lo schema di una prima variante di realizzazione di un piano di cottura con due focolari, in modo di funzionamento normale ed indipendente dei due focolari; la

- Figura 2A mostra lo schema del piano di cottura della Figura 2 in modo di funzionamento di potenza; la

- Figura 3 mostra una seconda variante di realizzazione di un piano di cottura a due focolari secondo l'invenzione, in modo di funzionamento normale; la

- Figura 3A mostra lo schema del piano di cottura della Figura 3 in modo di funzionamento di potenza; la

- Figura 4 mostra un modo di realizzazione di un piano di cottura a tre induttori che portano una impedenza.in carico qualsiasi; la

- Figura 5 mostra una generalizzazione del piano di cottura della Figura 4 che può lavorare con più induttori che portano una impedenza in carico qualsiasi.

Secondo la Figura 1, l'invenzione si riferisce ad un piano di cottura ad induzione non rappresentato, avente due focolari F1 e F2. Uno dei focolari F1 o primo focolare è previsto per fornire una forte potenza mentre l'altro focolare F2 è previsto solo per fornire una potenza media.

Il focolare F1 di forte potenza presenta due induttori L1, L'1 aventi una impedenza nel carico portata in modo quasi identico su entrambi gli induttori. Questa impedenza nel carico identica è ottenuta secondo il concetto degli induttori, non descritta in questa sede. Questa impedenza nel carico è la stessa qualsiasi sia la natura, la forma e la posizione del carico, vale a dire il pezzo da riscaldare, posto sul focolare F1 dotato dei suoi due induttori.

Questi focolari vengono alimentati con corrente ad alta frequenza come è noto in via generale, partendo da una fonte di tensione continua schematizzata da E. questa fonte rappresenta in effetti un gruppo raddrizzatore e filtro collegato alla rete di distribuzione elettrica e che fornisce in uscita una tensione raddrizzata che possiede una componente continua.

Questa tensione continua alimenta due generatori a ondulatore in risonanza G1, G2. Il generatore G1 è associato al focolare F1 ed il generatore G2 al focolare F2. Questi generatori funzionano in commutazione morbida. Essi sono costituiti ciascuno da due transistori T1, T2 o T3, T4 muniti in modo abituale di diodi e di condensatori non indicati. Questi generatori alimentano ciascuno un circuito oscillante formato da una induttanza ed una capacità, le resistenze portate dal carico sugli induttori non sono rappresentate e sono implicitamente incluse nei termini Li, in serie con le resistenze.

Il circuito oscillante del generatore Gl è formato dall'induttanza L1 dell'induttore I1 del focolare F1 e dai condensatori di carico C1, C2.

Il circuito oscillante del generatore G2 è formato dall'induttanza L2 dell'induttore I2 del focolare F2 e dai condensatori di carico C3, C4.

I transistori T1, T2 e T3, T4 dei due generatori G2, Gl sono collegati ad un comando unico CU che li pilota sia in modo indipendente sia in sincronismo.

Il focolare di potenza F1 è costituito da due induttori L1, L'1 combinati affinché la loro impedenza portata al carico sia identica; ed il loro accoppiamento è rappresentato nella Figura 1.

L'alimentazione E viene disaccoppiata da un condensatore di disaccoppiamento Cd.

Il circuito presenta pure un dispositivo di commutazione a due stati, allo stato normale ed allo stato di potenza. Nell'esempio, il dispositivo di commutazione è costituito da un commutatore K1 a due posizioni associato al generatore G2 del secondo focolare F2. Questo commutatore Kl può mettersi in stato normale (Figura 1) in cui chiude il circuito del generatore G2 poiché questo è allora collegato all'induttanza L2 dell'induttore I2 e permette l'alimentazione del focolare F2. Questo commutatore Kl può anche passare ad un secondo stato o stato di potenza (Figura 1A) in cui assicura il collegamento dell'induttanza L'1 del primo focolare F1, cosicché in questa posizione l'induttanza L1 viene alimentata dal generatore Gl e l'induttanza L'1 dal generatore G2, l'induttanza L2 del secondo focolare F2 essendo scollegata. Nell'ipotesi in cui, in questa seconda posizione, le impedenze e quindi le induttanze L1, L'1 sono identiche sul carico, i due induttori I1, I'1 del focolare F1 potranno essere comandati in sincronismo e lavorare in modo sincrono in modalità di commutazione morbida.

I due generatori forniscono una potenza variabile tra 0 ed una potenza massima P uguale o diversa per i due nella posizione normale, quando il commutatore Kl assicura il collegamento dell'induttore I2 i focolari F1 e F2 possono ricevere ambedue una potenza che va fino alla potenza massima P di ciascuno dei generatori G1, G2 ai quali sono collegati in modo indipendente. I due generatori possono anche essere dimensionati per potenze differenti.

Nel secondo stato, detto di potenza, il focolare F1 riceve una potenza doppia, che può giungere fino alla potenza massima 2P.

Si fa notare che, essendo le induttanze L1, L'1 accoppiate per la loro disposizione nel loro induttore del focolare F1, è necessario che le correnti che le attraversano siano sincrone. Questo è assicurato dal comando unico CU dei due generatori G1, G2 e dal fatto che il carico che è loro applicata è il medesimo.

Questo montaggio della Figura 1 può essere generalizzato con un numero (n) di ondulatori che permettono di trasmettere ad un focolare una potenza che va da 0 a n.Ρ. Questo permette, come già si è detto, di realizzare un focolare di forte potenza con dei generatori di potenza debole. A titolo di esempio, per certi impieghi professionali, sono necessari dei focolari con una potenza dell'ordine da 7 a 8 kW. Si può così realizzare un focolare con una potenza di 7,2 kW utilizzando quattro generatori ciascuno dei quali ha una potenza di 1,8 kW collegati ad un focolare con quattro induttori parzialmente sovrapposti. Questo montaggio è pure applicabile a combinazioni di induttori embricati, questi dovendo allora portare una impedenza sul carico identica o multipla, affinché le frequenze di funzionamento dei differenti generatori siano identiche o multiple. Nel caso di (n) ondulatori, questi possono anche vantaggiosamente possedere (η') dispositivi di commutazione cosicché, in posizione di potenza, un focolare possa ricevere la potenza di (n) generatori o più focolari possano ricevere una potenza superiore alla potenza di un solo generatore e che in posizione normale gli (n) generatori sfocino ciascuno su un focolare del piano di cottura ad induzione, certi focolari avendo la possibilità di funzionare permanentemente con più generatori.

Lo schema della Figura 1 può anche essere generalizzato per essere completamente simmetrico, vale a dire avere due focolari ciascuno dei quali ha due induttori, così da permettere l'alimentazione indipendente di ciascuno dei focolari con il suo generatore e l'attivazione di uno solo dei due induttori, oppure collegare i due generatori sui due induttori di un medesimo focolare. Questo può essere necessario in certe configurazioni di superfici di riscaldamento per avere dei focolari potenti nella parte anteriore della piastra riscaldante e non unicamente nella parte posteriore come è tradizionalmente il caso.

Poiché i piani di cottura comprendono in generale quattro focolari, è in effetti sufficiente proporre due focolari potenzialmente molto potenti. L'arresto temporaneo del focolare anteriore durante la utilizzazione a forte potenza del focolare posteriore non crea problemi purché la potenza di ciascun generatore sia relativamente elevata, per esempio da 1400 a 1800 W al massimo, e restino ancora due focolari supplementari disponibili sul piano di cottura. Questo è infine particolarmente interessante poiché le superfici dei focolari sono differenti e corrispondono meglio ad un uso normale ove si utilizzano casseruole di dimensioni differenti, quelle grandi su dei focolari grandi che possono essere molto potenti e quelle piccole su focolari piccoli la cui potenza è sufficiente rispetto alla dimensione del carico da riscaldare.

Nel montaggio secondo la Figura 1, bisogna che i carichi siano molto simili. Questo impone non solamente vincoli nella concezione degli induttori I1, I1', ma pure nelle tolleranze dei condensatori di risonanza.

La Figura 2 mostra una variante di realizzazione del piano di cottura secondo l'invenzione, che permette di evitare i vincoli imposti ai componenti dei circuiti oscillanti.

Gli elementi di questo circuito identici a quelli del circuito di Figura 2 portano gli stessi riferimenti .

Questo circuito si distingue per un condensatore di carico supplementare C5 ed un dispositivo di commutazione che comprende, oltre ad un interruttore K2 anche un commutatore K3.

I due induttori I1, I1' sono anch'essi parzialmente sovrapposti ed una doppia linea schematizza il loro accoppiamento elettromagnetico nel focolare F1.

L'interruttore K2 può essere posto in posizione di chiusura (Figura 2) ed in posizione di apertura (Figura 2A) . Il commutatore K3 si può mettere in una posizione a (Figura 2) o una posizione b (Figura 2A).

Quindi, seguendo la posizione dell'interruttore K2 e del commutatore K3, è possibile far funzionare i due focolari F1, F2 separatamente alimentando ciascuno di essi per mezzo del suo generatore G1, G2, o far funzionare il focolare F1 in potenza alimentandolo con i due generatori G1, G2. Nel primo caso, i circuiti risonanti sono costituiti, per il focolare F1, dall'induttanza L1 ed i condensatori di carico C1, C2 e per il focolare F2 dall'induttanza L2 ed i condensatori di carico C3, C4. Quando i due generatori G1, G2 sono collegati alle due induttanze I1, I1' del focolare F1, il circuito risonante è costituito dalle induttanze L1, L'1 in serie con il condensatore di carico C5.

La Figura 2 mostra, indicando con la linea in grassetto gli elementi di commutazione (interruttore K2, commutatore K3) l'alimentazione dell'induttore I1 del focolare F1 poiché il circuito risonante L1, C1, C2 è collegato all'alimentazione ed il funzionamento del focolare F2 poiché il circuito risonante L2, C3, C4 è collegato all'alimentazione.

In questo modo di funzionamento, i comandi dei due ondulatori sono indipendenti in funzione degli ordini di comando e dei rispettivi carichi; come per lo schema della Figura 1, le frequenze di funzionamento sono completamente asincrone, il che richiede una sufficiente distanza dei due focolari distinti.

La Figura 2A mostra la posizione degli elementi di commutazione K2, K3 per il funzionamento del focolare F1 in potenza, il focolare F2 essendo scollegato.

Gli interruttori e commutatori K2, K3 occupano la posizione seguente: l'interruttore K2 è aperto ed il commutatore K3 è sulla posizione b, mettendo in serie gli induttori {induttanze L1 L'1) sul condensatore C5 e tagliando il circuito risonante dell'induttore I2 del focolare F2. Le correnti che circolano nelle induttanze L1, L'1 sono allora perfettamente identiche e questo qualunque sia la tolleranza sui componenti, specialmente i condensatori di risonanza, poiché queste induttanze sono alimentate in serie.

La condizione di commutazione dei due modi di funzionamento del circuito di Figura 2 si riassume nel modo seguente:

Stato normale

Funzionamento normale ed indipendente dei focolari F1 e F2:

Stato di potenza

Funzionamento in forte potenza del focolare FI:

La Figura 3 mostra una semplificazione del circuito della Figura 2, minimizzando il numero di condensatori utilizzati.

In questa variante, si utilizzeranno i medesimi riferimenti precedenti per indicare gli stessi elementi.

La modifica consiste nella trasformazione del condensatore di disaccoppiamento Cd che è separato in due condensatori Cd1, Cd2 che formano un divisore capacitivo che dà una tensione quasi fissa. Per questo, bisogna rispettare le condizioni tra i condensatori Cd1, Cd2, C1 e C2 seguenti:

Separare il condensatore di disaccoppiamento in due condensatori è particolarmente interessante per ridurre lo spessore globale del generatore.

Come in precedenza, questo piano di cottura può funzionare secondo un modo normale a due focolari indipendenti ed un modo ad un solo focolare di forte potenza.

Questi due modi sono rispettivamente rappresentati dalla posizione dell'interruttore e del commutatore K2, K3 che costituiscono il dispositivo di commutazione nella Figura 3 e nella Figura 3A.

Il condensatore C5 della seconda variante (Figura 2) in questo caso non esiste.

I due modi di funzionamento sono i seguenti: Stato di funzionamento normale (stato normale) ai focolari F1, F2 indipendenti:

L'interruttore K2 è chiuso ed il commutatore K3 è sulla posizione a. Le induttanze L1, L2 degli induttori dei due focolari F1, F2 sono collegate separatamente, ciascuno al suo generatore Gl, G2.

L'induttanza L'1 non è collegata.

Il circuito oscillante dell'induttore I1, unico avviato per il focolare F1, è costituito dall'induttanza L1 e dai condensatori C1, Cd1, Cd2.

Il circuito oscillante del generatore G2 è formato dall'induttanza L2 e dai condensatori Cd1, Cd2.

Questo modo di funzionamento si può schematizzare come segue:

La seconda condizione di funzionamento corrisponde al funzionamento in forte potenza del solo focolare F1, il focolare F2 non essendo alimentato. L'interruttore K2 è quindi aperto ed il commutatore K3 si trova sulla posizione b.

In questo caso, le induttanze L1, L'1 degli induttori I1, I1' del focolare F1 sono collegate in serie sui condensatori C1, C2 e costituiscono il carico del ponte in H formato dai due convertitori elementari-G1, G2.

Questo modo di funzionamento è schematizzato come segue:

Questa soluzione presenta il vantaggio di ridurre sensibilmente il volume globale dei condensatori per un funzionamento pressoché identico al funzionamento precedente.

In modo generale, i montaggi 2 e 3 non obbligano più ad utilizzare induttori particolari che portano una impedenza identica al carico. È quindi possibile estendere le configurazioni di disposizione degli induttori realizzando focolari con forme e dimensioni diverse associando gli induttori elementari. È possibile, per esempio, realizzare dei focolari di forma allungata destinati a riscaldare piatti per pesce, questi focolari allungati essendo formati, per esempio, da due focolari posti l'uno vicino all'altro. La frequenza di funzionamento è allora unica come le strutture impiegate.

Questo impone tuttavia una corrente identica in questi focolari e quindi l'impossibilità di regolare separatamente la potenza dei due focolari vicini. È tuttavia possibile, conservando una frequenza unica o frequenze multiple, regolare separatamente le potenze dei focolari vicini, ma è necessario utilizzare strutture particolari che fanno comparire la nozione di generatore principale e generatori asserviti, il cui funzionamento sarà legato al funzionamento del generatore principale. La Figura 4 mostra una realizzazione per alimentare, per esempio, tre induttori I1, I2, Ι3, le cui induttanze rispettive L1, L2, L3 sono qualsiasi.

Questo circuito può essere utilizzato per l'alimentazione di da 2 a n induttori; per un induttore, si ritrova lo schema di un semiponte a risonanza di tipo classico.

I circuiti oscillanti sono ogni volta formati dalle induttanze L1, L2, L3 e dai condensatori (C10, C'10), (C20, C'20), (C30, C'30) associati. Questo circuito comprende più ondulatori a risonanza su una frequenza di base comune. Si ritrovano differenti generatori.

Quindi, quando i transistori T30, T40 sono bloccati, si alimenta l'induttanza Li attraverso il semiponte (T10, T20).

Quando i transistori T10 e T20 sono bloccati, i transistori T30, T40 alimentano l'induttanza L3. Infine, quando i transistori T10, T40 sono bloccati, si alimenta l'induttanza L2 attraverso il semiponte (T20, T30). È pure possibile alimentarli simultaneamente comandando un induttore come induttore principale e comandando gli altri induttori con la stessa tensione ma con un rapporto ciclico regolabile secondo la tecnica di modulazione di ampiezza dell'impulso MLI. In questo caso, si adatta la capacità dei condensatori di risonanza affinché tutti gli interruttori lavorino secondo un modo di commutazione in tiristore duplice. In questo caso, si ha ugualmente una commutazione morbida partendo da una sola frequenza per carichi tuttavia differenti associati a ciascuno degli induttori I1, I2, I3 che possono essere utilizzati simultaneamente e posti in prossimità gli uni degli altri senza rischio di generare battimenti di frequenza, pur autorizzando potenze differenti sugli induttori vicini alimentati da ondulatori differenti, le regolazioni delle potenze essendo fatte in funzione dell'ampiezza degli impulsi (MLI). Si noterà che un modo di interruttore MLI senza passare attraverso questo artificio comporterebbe un sovradimensionamento molto importante del generatore in ragione del carattere molto legato all'autoinduttanza degli induttori. Questo carattere molto legato all'autoinduttanza può essere attenuato avvicinando al massimo l'induttore al suo carico, per esempio sostituendo i materiali in vetroceramica con un materiale più resistente con uno spessore minimo che assicuri l'isolamento elettrico dell'induttore e del suo carico.

La Figura 5 mostra una variante del circuito della Figura 4 per un numero più importante di induttori da pilotare secondo questo stesso principio con un induttore principale ed induttori asserviti, operando in commutazione al passaggio da 0 della tensione (commutazione ZVS) per tutti i generatori che alimentano gli induttori asserviti.

Il circuito è costituito da un circuito principale nella parte alta L, (CO, C'O) e circuiti asserviti formati dalle induttanze LA, LB, LC, LD ed i condensatori associati (CA, C'A), (CB, C'B), (CC, C'C), (CD, C'D). Ciascun circuito oscillante così formato è comandato da commutatori (T2i, T3i) (T21, T22, T23, T24..., T31, T32, T33, T34).

L'interruttore T1 è comandato da una tensione classica e ciascuna delle diramazioni T2i, T3i è comandata secondo un rapporto ciclico variabile all'interno di questa tensione, regolabile separatamente per ciascun generatore.

Le condizioni di commutazione in modo ZVS sono le seguenti:

-all'apertura di un interruttore T2i, la corrente Ii deve essere superiore a 0,

-per poter aprire gli interruttori T3i (che devono essere aperti tutti simultaneamente), bisogna che Io > I1 12 ...+ Ii-1.

Parallelamente, si può generare la corrente Io in modo fisso e controllato alimentando non un induttore ma per esempio una induttanza pura di valore fisso; i valori di cresta della corrente saranno fissati e calcolati per permettere la commutazione ZVS di tutti i generatori. Questa struttura modulare è molto adatta al pilotaggio di un sistema di induttori con gran numero di avvolgimenti elementari. La potenza di ciascun generatore è allora bassa.

Questa struttura secondo l'invenzione permette quindi di utilizzare su uno stesso piano di cottura induttori separati e ravvicinarli a sufficienza affinché possano formare una grande superficie di cottura che può riscaldare sia un recipiente unico di grande dimensione con forte potenza, sia differenti recipienti a potenze che possono essere diverse. Poiché i convertitori "asserviti" sono di bassa potenza, è possibile utilizzare componenti molto economici come precedentemente indicato, poiché sono peraltro utilizzati in grandissima serie

Claims (14)

1. Rivendicazioni 1. Piano di cottura ad induzione avente focolari ad induzione alimentati da generatori, caratterizzato dal fatto che: - i focolari hanno almeno un induttore, - gli induttori vicini o che costituiscono un medesimo focolare vengono alimentati alla stessa frequenza o a frequenze multiple.
2. 2. Piano di cottura secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che - almeno uno dei focolari è di forte potenza ed è costituito da almeno due induttori aventi una impedenza sul carico pressoché identica portata su questi induttori qualunque sia il carico posato su questo focolare, - un comando unico (CU) pilota i generatori, - i generatori funzionano in modo risonante a commutazione morbida.
3. 3. Piano di cottura secondo la rivendicazione 1, comprendente almeno un generatore, caratterizzato dal fatto che - il generatore è costituito da un ondulatore principale che serve almeno un induttore potente o una induttanza pura ed almeno un altro ondulatore che funziona in modo asservito ed è collegato ad almeno un induttore, - il generatore asservito utilizza la frequenza del generatore principale, - la potenza dell'ondulatore asservito è regolabile in modo MLI.
4. 4. Piano di cottura secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che comprende almeno due focolari distinti ed almeno due generatori ed un dispositivo di commutazione (K) a due stati, associato ad uno dei generatori: - uno stato normale per il quale il dispositivo di commutazione collega il secondo generatore al secondo induttore che compone il secondo focolare, - uno stato di potenza per il quale il dispositivo di commutazione collega il secondo generatore al secondo induttore del primo focolare in modo da aumentare la potenza di questo focolare, il comando (CU) pilotando i due generatori (Gl, G2) per alimentare i due induttori (I1, I1,) alla stessa frequenza o a frequenze multiple.
5. 5. Piano di cottura secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che esso presenta più generatori di piccola potenza collegati ad uno o più induttori.
6. 6. Piano di cottura secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il comando unico (CU) comprende un sensore che riveli la presenza di un carico su un induttore per autorizzare la sua alimentazione da uno o più generatori.
7. 7. Piano di cottura secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il comando unico (CU) comanda gli induttori vicini affinché i loro campi elettromagnetici siano a flusso cumulativo tra gli induttori e sotto il carico.
8. 8. Piano di cottura secondo le rivendicazioni 1, 2 e 6, caratterizzato dal fatto che il comando unico (CU) comanda gli induttori di uno stesso focolare regolando la fase relativa delle correnti fornite dai generatori associati a questi induttori in un campo di sfasatura compreso tra 0° e 180°, per regolare la potenza del focolare o limitare l'irradiazione del focolare.
9. 9. Piano di cottura secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che è formato da generatori di debole potenza prodotti in grande serie con dei dispositivi che permettono di associarli e di realizzare dei focolari di potenza notevole.
10. 10. Piano di cottura secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le bobine ad induzione sono atte a sopportare le temperature elevate e sono disposte il più possibile vicino al carico pur essendo elettricamente isolate di modo che la resistenza della bobina prossima al carico sia elevata in presenza della sua induttanza.
11. 11.Piano di cottura secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende un condensatore di disaccoppiamento frammentato, così da creare un divisore capacitivo a tensione quasi fissa.
12. 12. Piano di cottura secondo le rivendicazioni 1, 2 e 4, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di commutazione è costituito da un commutatore (K1) per collegare il generatore (G2) del secondo focolare (F2) al secondo induttore (F'1) del primo focolare (F1).
13. 13. Piano di cottura secondo le rivendicazioni 1, 2 e 4, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di commutazione comprende un interruttore (K2) tra il punto di giunzione delle induttanze (I1, I'1) del primo focolare ed i condensatori (C1, C2) del circuito risonante della prima induttanza (I1) del primo focolare (F1) per chiudere (aprire) il circuito risonante del primo induttore del primo focolare (F1) ed un commutatore (K3) per collegare l'induttore (12) del secondo focolare (F2) al suo generatore (G2) o per collegare il secondo generatore (G2) al secondo induttore (I'1) del primo focolare in serie con il primo induttore (I1) di questo primo focolare (F1) ed in serie con un condensatore (C5) comune.
14. 14. Piano di cottura secondo la rivendicazione 1 caratterizzato da • un condensatore di disaccoppiamento (Cd1, Cd2) frammentato per formare un divisore di tensione capacitivo che fornisce una tensione quasi fissa, • un condensatore (C1) in serie con la prima induttanza (L1) del primo focolare (Fi) e che forma con il condensatore frammentato il circuito oscillante della prima induttanza, • un conduttore (C2) in serie con la seconda induttanza (I'1) del primo focolare (F1), • il circuito del primo induttore (I1) e quello del secondo induttore (I'I) collegati dopo i due condensatori (C1, C2), • il dispositivo di commutazione costituito da un interruttore (K2) che collega (aprendo) il punto di giunzione dei circuiti del primo e secondo induttore (I1, Ι1) al punto di tensione quasi fissa del divisore e di un commutatore (K3) che collega il secondo generatore (G2) sia: • all'induttore (12) del secondo focolare (F2) ed ai condensatori (Cd1, Cd2) e, attraverso l'interruttore (K2) chiuso, al condensatore (C1) e all'induttore (L1) del primo focolare, • alla seconda induttanza (L'1) del primo focolare, in serie con il primo induttore (I1) ed i loro condensatori (C1, C2), l'interruttore (K2) avendo interrotto il collegamento con il punto di tensione quasi fissa del condensatore frammentato.