WO2016062967A1 - Appareil electromenager basse tension et systeme associe - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système électroménager (1) comprenant un générateur à induction (2) et un appareil électroménager (3) approprié pour fonctionner sans fil sur le générateur à induction (2) caractérisé en ce que en fonctionnement l'appareil électroménager (3) est positionné sur le générateur à induction (2) de manière à ce que le système électroménager (1) forme un circuit LLC.
Description
APPAREIL ELECTROMENAGER BASSE TENSION ET SYSTEME ASSOCIE
La présente invention concerne un système qui comprend un appareil électroménager fonctionnant à faible puissance et alimenté sans fil en énergie et un générateur à induction qui fournit l'énergie.
Des systèmes comprenant des appareils électroménagers qui sont utilisés sur un générateur à induction et fonctionnant sur le principe de la transmission d'énergie sans fil sont connus. Les appareils électroménagers peuvent être des appareils de chauffage passifs comme des pots et des casseroles, des appareils de chauffage actifs comme des bouilloires, des machines à café, des grille-pains, des appareils électromécaniques comme des mélangeurs, des mixeurs, des hachoirs qui intègrent entre autre un moteur électrique, ou encore diverses combinaisons de ces différents appareils électroménagers.
Les circuits électroniques ou électromécaniques de ces différents appareils électroménagers doivent être alimentés avec une source d'alimentation stable au cours du temps. Lors de certaines utilisations de ces appareils électroménagers, cette source d'alimentation peut varier. Ainsi c'est le cas si la charge ou la puissance de l'appareil de cuisine varie au cours de son utilisation. Il en découle alors que si la tension de cette source d'alimentation varie de telle sorte qu'elle est supérieure ou inférieure à une tension requise, le fonctionnement des circuits électroniques ou électromécaniques peut être impacté soit en étant dégradé ; soit en étant interrompu et ainsi l'appareil électroménager ne peut pas être utilisé sur le générateur à induction de la manière souhaitée. Par exemple, si l'appareil électroménager est un hachoir muni d'un moteur électrique qui fonctionne à une tension de 42V, la charge ou la puissance du hachoir varient au cours d'une opération de hachage. En effet dans le cas d'un hachage de carottes par exemple, la charge ou la puissance requise est maximale au début de l'opération car les carottes sont entières et la résistance de celles-ci est importante. A la fin de l'opération, la résistance des carottes
est plus faible car elles ont été hachées et la charge ou la puissance requise est donc plus faible. Entre le début et la fin de l'opération de hachage on a bien une variation de charge ou de puissance ce qui entraine une variation de tension en sortie du hachoir. Cette variation de tension est d'autant plus grande lorsqu'un transformateur est utilisé et que celui-ci présente un couplage faible entre un premier inducteur positionné dans l'appareil électroménager et un second inducteur positionné dans le générateur à induction. Si cette variation de tension n'est pas compensée, le hachoir va moins bien fonctionner voire ne plus fonctionner du tout car la tension de 42V nécessaire au fonctionnement du moteur électrique n'est plus assurée.
Un autre problème qui peut découler de cette variation de tension liée à la variation de charge ou de puissance est que lorsque la charge ou la puissance du hachoir est faible ou nulle, la tension en sortie du hachoir peut devenir plus élevée. Si aucune sécurité pour limiter la tension n'est installée sur le système celle-ci peut devenir très élevée et devenir dangereuse si elle dépasse certains seuils. Dans ce cas de figure il est nécessaire de respecter des contraintes d'isolement entre l'utilisateur et les parties actives du hachoir. Par exemple ces contraintes d'isolement imposent d'avoir une distance minimale (de quelques millimètres) entre les parties actives et l'extérieur ou alors nécessitent l'utilisation de matériaux isolants coûteux qui permettent de ne pas mettre en contact l'utilisateur et les parties actives du hachoir. Ces contraintes d'isolement impactent alors le poids, la taille de l'appareil électroménager ainsi que le coût de fabrication.
Dans l'état de la technique, certains systèmes sont conçus pour compenser une chute de tension et/ou réguler une variation de tension liée à un changement de charge ou de puissance d'un appareil électroménager alimenté par un générateur à induction. Cependant des inconvénients se présentent avec de tels systèmes comme par exemple la nécessité d'ajouter des composants tels qu'une inductance, un interrupteur et un régulateur dans l'appareil électroménager pour compenser ou réguler la chute ou la variation de tension. Outre que ce rajout de composants élève le cout du système, il ne permet pas d'avoir un système qui permet d'assurer une tension constante de
manière stable mais il compense en permanence les variations de tension afin d'assurer un fonctionnement satisfaisant de l'appareil électroménager.
Le document WO2013098016 concerne un système comprenant divers appareils électroménagers qui fonctionnent sans fil à différents niveaux de charges ou de puissances sur un générateur à induction. Il décrit une méthode et un dispositif électronique pour compenser la baisse de tension liée à une variation de charge ou de puissance sur l'appareil électroménager et pour ensuite asservir la tension ainsi relevée. Le système conserve ainsi une tension relativement constante. Afin d'obtenir cela, un transformateur est intégré dans les appareils électroménagers et il comprend un inducteur, un interrupteur ainsi qu'un régulateur pour asservir la tension.
Le but de la présente invention est de proposer un système comprenant un générateur à induction et un appareil électroménager fonctionnant sans fil sur le générateur à induction avec une tension en sortie de l'appareil électroménager qui est insensible aux variations de charges ou de puissances de l'appareil électroménager et cela tout en restant d'une part en dessous d'un seuil de tension acceptable pour la sécurité des utilisateurs et tout en s'affranchissant d'autre part de l'utilisation de moyens annexes tels que des régulateurs utilisés pour assurer une tension de sortie du hachoir constante. En d'autres termes l'invention vise à proposer un système qui comprend un générateur à induction qui assure une disponibilité de la puissance à l'appareil électroménager avec une relative constance de la tension de sortie et ceci afin d'avoir un système fonctionnel très tolérant aux variations de charge imposées par l'utilisateur et qui lui assure de rester dans un fonctionnement sécuritaire. Afin d'atteindre cet objectif l'invention concerne un système électroménager comprenant un générateur à induction et un appareil électroménager approprié pour fonctionner sans fil sur le générateur à induction, le générateur à induction comprend une bobine d'induction émettrice, l'appareil électroménager comprend une bobine d'induction réceptrice caractérisé en ce que en fonctionnement l'appareil électroménager est positionné sur le générateur à induction et le système électroménager forme un transformateur
à air comprenant un premier et un second circuits électroniques mobiles l'un par rapport à l'autre et où :
- le premier circuit électronique est contenu dans le générateur à induction et est formé de la bobine d'induction émettrice branchée avec un ou plusieurs condensateurs (Cr) et/ou interrupteurs, et la bobine d'induction émettrice est caractérisée par au moins deux inductances (Lm, Lr) ;
- le second circuit électronique est formé par au moins la bobine d'induction réceptrice branchée avec une ou plusieurs diodes, et le second circuit électronique est contenu dans l'appareil électroménager ; - la bobine d'induction émettrice et la bobine d'induction réceptrice associées aux un ou plusieurs condensateurs (Cr) forment un circuit LLC ;
- la bobine d'induction émettrice et la bobine d'induction réceptrice et les un ou plusieurs condensateurs (Cr) sont dimensionnés de telle sorte que le circuit LLC comprend un point de fonctionnement (Pn) permettant de garantir une stabilité et une insensibilité d'une tension aux bornes d'une charge R et un niveau de tension maximal en tous points de l'appareil électroménager qui soit strictement inférieur à une tension de sécurité de 42V.
Le circuit LLC est un circuit convertisseur résonant LLC. L'avantage apporté par un tel circuit par rapport à un circuit convertisseur résonant classique est qu'il a une efficacité bien meilleure qu'un circuit convertisseur résonant classique.
Un autre avantage d'avoir un circuit convertisseur résonant LLC (appelé circuit LLC par la suite) est que l'on a deux fréquences de résonnances dans le cas d'un tel circuit. Selon une caractéristique de l'invention la bobine d'induction émettrice est excitée à une fréquence fixe comprise entre 20kHz et 100kHz et cette fréquence d'excitation correspond au point de fonctionnement (Pn) qui est indépendant des variations de charges du système électroménager.
Selon une caractéristique de l'invention le système électroménager comprend un espace entre la bobine d'induction émettrice et la bobine d'induction réceptrice et l'espace entre la bobine d'induction émettrice et la bobine d'induction réceptrice est au moins composé d'un matériau non conducteur électrique et amagnétique.
Selon une caractéristique de l'invention l'espace comprend au moins une bande d'air.
Selon une caractéristique de l'invention le système électroménager comprend une sécurité de fonctionnement. Selon une caractéristique de l'invention le système électroménager comprend un dispositif d'alignement de la bobine d'induction émettrice et de la bobine d'induction réceptrice.
Selon une caractéristique de l'invention le générateur à induction comprend une interface Homme-Machine. Selon une caractéristique de l'invention, l'appareil électroménager comprend une interface Homme-Machine.
On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode particulier de réalisation de l'invention présenté à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue générale en perspective d'un système électroménager conforme à l'invention ;
- la figure 2 représente une modélisation électronique du système électroménager de la figure 1 ; - les figures 3a à 3c représentent des variantes d'architecture du circuit électronique du générateur à induction ;
- la figure 4 représente un graphique des fonctions de transferts de la tension
du système électroménager pour différentes charges appliquées au système électroménager de la figure 1 .
Comme visible à la figure 1 , le système électroménager (1 ) comprend un appareil électroménager (3) et un générateur à induction (2). L'appareil électroménager (3) est approprié pour fonctionner sans fil sur le générateur à induction (2).
Le générateur à induction (2) est alimenté par une tension du secteur. Cette tension peut être de 220V-240V à une fréquence de 50Hz ou 60Hz mais la tension peut également être de 1 10V-127V à une fréquence de 50Hz ou 60Hz. Le générateur à induction (2) est doté d'une bobine d'induction émettrice (4). L'appareil électroménager (3) destiné à être alimenté en énergie sans fil par le générateur à induction (2) comprend une bobine d'induction réceptrice (5).
Le générateur à induction (2) comprend une carte électronique destinée à contrôler le générateur à induction (2) et la bobine d'induction émettrice (4). Le générateur à induction (2) comprend en outre une interface Homme- Machine (10) qui permet à un utilisateur de visualiser des informations concernant l'état du système électroménager (1 ). Cette interface Homme- Machine (10) permet également à l'utilisateur de piloter le système électroménager (1 ). Cette interface Homme-Machine (10) peut comprendre des boutons sur lesquels l'utilisateur peut agir et ainsi piloter notamment des fonctions d'allumage, de consigne de puissance, de consigne de température, ou de vitesse de rotation d'un moteur. L'interface Homme-Machine (10) peut également comprendre des dispositifs lumineux ou des dispositifs sonores pour avertir l'utilisateur d'un risque, de la fin d'une action, ou de l'état d'un appareil électroménager (3).
L'appareil électroménager (3) peut être de différents types comme des appareils de chauffage passifs tels que des pots et des casseroles, des appareils de chauffage actifs comme des bouilloires, des machines à café, des
grille-pains, des appareils électromécaniques comme des mélangeurs, des mixeurs, des hachoirs qui intègrent entre autre un moteur électrique, ou encore diverses combinaisons de ces différents appareils électroménagers.
En outre l'appareil électroménager (3) peut comprendre une base à propriétés ferromagnétiques permettant de chauffer l'appareil électroménager (3) à partir de la base et au moyen de l'énergie magnétique transférée par le générateur à induction (2).
L'appareil électroménager (3) comprend également une carte électronique (20) qui est alimentée par la bobine d'induction réceptrice (5) elle-même alimentée par l'énergie magnétique transférée par le générateur à induction (2). L'appareil électroménager (3) peut aussi comprendre une interface Homme-Machine (12).
En lien avec la figure 2 qui représente le schéma électronique du système électroménager (1 ) de la figure 1 , le mode de fonctionnement du système électroménager (1 ) correspond au cas où l'appareil électroménager (3) est positionné sur le générateur à induction (2). Dans ce cas, la bobine d'induction émettrice (4) est en vis-à-vis et alignée par rapport à la bobine d'induction réceptrice (5), et le système électroménager (1 ) forme alors un transformateur à air. Ce transformateur à air comprend au niveau de la bobine d'induction réceptrice (5), une tension de sortie (Vo).
Dans le cadre de l'invention ce transformateur à air est formé par un circuit LLC. Le circuit LLC comprend un premier (6) et un second (7) circuits électroniques, visibles à la figure 2, et ces deux circuits (6, 7) électroniques sont mobiles l'un par rapport à l'autre. Afin que ces deux circuits (6, 7) soient mobiles l'un part rapport à l'autre, le premier (6) circuit électronique est contenu dans le générateur à induction (2)
Le second (7) circuit électronique est quant à lui positionné dans l'appareil électroménager (3). Ce second (7) circuit électronique comprend la bobine d'induction réceptrice (5) branchée en série avec un redresseur (25) ainsi qu'avec au moins un condensateur (C).
Le premier (6) circuit électronique contenu dans le générateur à induction (2) comprend au moins la bobine d'induction émettrice (4) et cette bobine d'induction émettrice (4) peut être modélisée par au moins deux inductances (Lm, Lr) positionnées en série. La première inductance (Lm) est une inductance magnétisante et est positionnée en série avec un condensateur (Cr) de résonance et la seconde inductance (Lr) est une inductance de fuite totale et est positionnée en série avec le condensateur (Cr) de résonance et la première inductance (Lm).
Ces inductances sont données par les formules suivantes : ·ι&· ψ-
L p M * L t'
L'inductance (Lp) représente la somme des deux inductances (Lm) et (Lr).
Le premier (6) circuit électronique comprend également un redresseur (26), un dispositif de filtrage (27) qui peut être passif ou actif. Ce premier (6) circuit électronique est alimenté par une tension AC comme la tension secteur mentionnée ci-dessus.
La construction du premier (6) circuit électronique peut également varier comme visible à la figure 3 où au moins trois modes de réalisations produisant le même résultat peuvent être envisagés. Ainsi dans un premier mode de réalisation 3a, deux inductances (Lr, Lm) en série sont montées en série avec un condensateur (Cr), et l'ensemble est monté en série et/ou parallèle avec au moins quatre interrupteurs (I). Dans un deuxième mode de réalisation 3b, les deux inductances (Lr, Lm) sont montées en série avec un condensateur (Cr) et l'ensemble est monté en série et/ou parallèle avec au moins deux interrupteurs (I). Dans un troisième mode de réalisation 3c, les deux inductances (Lr, Lm) sont montées en série et elles sont ensuite montées en série/parallèle avec au moins deux condensateurs (Cr, Cr') et au moins deux interrupteurs (I).
En lien avec les inductances (Lm) et (Lr), le transformateur à air comprend des fréquences de résonances, (fo, fp) qui sont obtenues classiquement par les
formules suivantes :
Ainsi la fréquence de résonance (fp) correspond à la résonance due à l'inductance (Lm) magnétisante et au condensateur (Cr) de résonance. La fréquence de résonance (fo) correspond à la résonnance entre l'inductance (Lr) de fuite totale du transformateur et du condensateur (Cr) de résonance. Cette inductance (Lr) de fuite totale, qui correspond généralement à un composant parasite indésirable du transformateur, doit dans le cadre de l'invention, être maîtrisée car c'est à cette fréquence de résonance (fo) due à l'inductance (Lr) de fuite que le point de fonctionnement (Pn) sera situé. L'invention propose d'utiliser directement l'inductance (Lr) de fuite du transformateur à air mais il est également possible d'ajouter une autre inductance en série avec la bobine afin d'imposer de façon plus précise l'inductance (Lr) du système.
La figure 4 représente les fonctions de transferts du système électroménager (1 ) (tension de sortie divisée par la tension d'entrée) pour différentes charges (R) appliquées au système électroménager (1 ) en fonction de la fréquence de fonctionnement du générateur à induction (2). La figure 4 positionne également les fréquences de résonance (fp, fo) obtenues précédemment c'est- à-dire pour une construction mécanique et magnétique définies préalablement. Dans le cadre de l'exemple, la fréquence de résonance fp vaut environ 17,6 kHz alors que la fréquence de résonance fo vaut environ 28 kHz.
Le transformateur à air formé par le circuit convertisseur résonant LLC comprend plusieurs points de fonctionnement visibles sur la figure 4 et notamment un point de fonctionnement (Pn) particulier qui est indépendant
des variations de charges (R) du système électroménager (1 ) lorsque celui-ci est excité à une fréquence qui est la fréquence de résonance (fo).
Nous verrons par la suite comment est obtenue cette fréquence de résonance (fo) dans le cadre de l'invention. Dans le mode de fonctionnement privilégié du système électroménager (1 ) on positionne l'appareil électroménager (3) sur le générateur à induction (2) afin qu'il récupère l'énergie du générateur à induction (2).
Afin de bien positionner la bobine d'induction émettrice (4) en vis-à-vis de la bobine d'induction réceptrice (5), le système électroménager (1 ) peut comprendre un système de centrage, (non représenté). Ce système de centrage peut être un système mécanique, optoélectronique, magnétique ou d'autres systèmes adaptés à réaliser une fonction de centrage.
L'ensemble forme alors le transformateur à air comme précédemment décrit. La tension de sortie (Vo) prise au niveau de la bobine d'induction réceptrice (5) ne dépasse pas 42V pour des raisons de sécurité. C'est le dimensionnement optimal des composants magnétiques (nombre de spires, du diamètre externe/interne, du nombre de couches, des matériaux magnétiques, la forme mécanique) des bobines d'induction émettrices (4) et réceptrices (5) et du circuit résonant (condensateurs de résonances) qui va permettre de conserver une tension inférieure à 42V quelle que soit la charge (R) imposée par l'utilisateur sur le système électroménager (1 ).
Avec une telle construction, la tension (Vo) est inférieure à 42 V, mais les tensions prises en tous points de l'appareil électroménager (3) sont également strictement inférieures à une tension de sécurité de 42V. Lors du fonctionnement du système électroménager (1 ), l'objectif est de se placer à la fréquence de résonance (fo) créée entre l'inductance (Lr) de fuite et le condensateur (Cr) de résonance. L'inductance (Lr) de fuite est fixée et imposée par la conception mécanique des bobines d'induction émettrices (4) et réceptrices (5), ainsi que par la valeur du condensateur (Cr) de résonance, ce qui fait que la fréquence de résonance (fo) à laquelle il faut exciter le
générateur à induction (2) pour qu'on se place au point de fonctionnement (Pn) est définie par la construction mécanique du système électroménager (1 ).
Dans le cas de la figure 4 qui représente un graphique des fonctions de transferts de la tension suivant un dimensionnement particulier du système électroménager (1 ), la fréquence de résonance (fo) doit être de 28 kHz afin de se situer au point de fonctionnement (Pn) qui est insensible aux variations de charges du système électroménager (1 ) comme cela a été décrit avant.
Le système électroménager (1 ) peut aussi être excité à une fréquence de résonance (fo) qui peut être comprise entre 20kHz et 100 kHz, ce qui implique de dimensionner différemment les bobines d'induction (modification du nombre de spires, du diamètre externe/interne, du nombre de couches, des matériaux magnétiques, de la forme mécanique...) et le circuit résonant (condensateurs de résonances).
Toujours suivant la figure 4 on comprend bien l'intérêt de faire fonctionner le système électroménager (1 ) à la fréquence de résonance (fo) et non pas à la fréquence de résonance (fp) due à l'inductance magnétisante car lorsque la charge (R) change, la fréquence de résonance (fp) se déplace et pour une même fréquence d'excitation, les tensions prises en différents points de l'appareil électroménager (3) notamment en (Vo), varieront. Il serait donc dans ce cas impératif de disposer d'une régulation dont le rôle va être de compenser les variations de tension, notamment la tension (Vo), dues aux variations de charge (R), ce que l'on souhaite précisément éviter.
Le système électroménager (1 ) travaille à une fréquence fixe mais il existe une incertitude minime sur la fréquence exacte à appliquer. Cette incertitude est augmentée par les incertitudes présentes sur tous les composants du montage et il faut donc s'assurer que le système électroménager (1 ) final tolère toutes les variations pouvant exister. Afin que ces variations n'induisent pas de variations de tension trop grande et significative, la fréquence de résonance (fo) due à l'inductance (Lr) de fuite doit être suffisamment éloignée de la fréquence de résonance (fp) due à l'inductance (Lm) magnétisante. Afin d'éloigner suffisamment les deux fréquences de résonances (fp) et (fo), la
bobine d'induction émettrice (4) et la bobine d'induction réceptrice (5) sont dimensionnées de telle sorte qu'une variation de la fréquence de +/- 5 kHz induit une variation maximum de +/- 10% de la tension en sortie du transformateur à air, notamment de la tension (Vo). Ainsi grâce à ce dimensionnement du transformateur à air et à l'excitation du générateur à induction (2) à une fréquence fixe, on obtient en sortie du transformateur une tension, notamment une tension (Vo), en sortie du transformateur à air qui est stable et indépendante des variations de charge (R) du système électroménager (1 ). On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées au mode de réalisation de l'invention décrit dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées.
Claims
REVENDICATIONS
Système électroménager (1 ) comprenant un générateur à induction (2) et un appareil électroménager (3) approprié pour fonctionner sans fil sur le générateur à induction (2), le générateur à induction (2) comprend une bobine d'induction émettrice (4), l'appareil électroménager (3) comprend une bobine d'induction réceptrice (5) caractérisé en ce que en fonctionnement l'appareil électroménager (3) est positionné sur le générateur à induction (2) et le système électroménager (1 ) forme un transformateur à air comprenant un premier (6) et un second (7) circuits électroniques, mobiles l'un par rapport à l'autre et où : le premier (6) circuit électronique est contenu dans le générateur à induction (2) et est formé de la bobine d'induction émettrice (4) branchée avec un ou plusieurs condensateurs (Cr) et/ou interrupteurs (I), et la bobine d'induction émettrice (4) est caractérisée par au moins deux inductances (Lm, Lr) ; le second (7) circuit électronique est formé par au moins la bobine d'induction réceptrice (5) branchée avec une ou plusieurs diodes (Z), et le second (7) circuit électronique est contenu dans l'appareil électroménager (3) ; la bobine d'induction émettrice (4) et la bobine d'induction réceptrice (5) associées aux un ou plusieurs condensateurs (Cr) forment un circuit LLC ; la bobine d'induction émettrice (4) et la bobine d'induction réceptrice (5) et les un ou plusieurs condensateurs (Cr) sont dimensionnés de telle sorte que le circuit LLC comprend un point de fonctionnement (Pn) permettant de garantir une stabilité et une insensibilité d'une tension aux bornes d'une charge R et un niveau de tension maximal en tous points de l'appareil électroménager (3) qui soit strictement inférieur à
une tension de sécurité de 42V.
2. Système électroménager (1 ) selon la revendication précédente caractérisé en ce que la bobine d'induction émettrice (4) est excitée à une fréquence fixe comprise entre 20 kHz et 100 kHz et qui correspond au point de fonctionnement (Pn) indépendant des variations de charges du système électroménager (1 ).
3. Système électroménager (1 ) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un espace (8) entre la bobine d'induction émettrice (4) et la bobine d'induction réceptrice (5) et l'espace (8) entre la bobine d'induction émettrice (4) et la bobine d'induction réceptrice (5) est au moins composé d'un matériau non conducteur électrique et amagnétique.
4. Système électroménager (1 ) selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'espace (8) comprend au moins une bande d'air.
5. Système électroménager (1 ) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'alignement de la bobine d'induction émettrice (4) et de la bobine d'induction réceptrice (5).
6. Système électroménager (1 ) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le générateur à induction (2) comprend une interface Homme-Machine (10).
7. Système électroménager (1 ) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'appareil électroménager (3) comprend une interface Homme-Machine (12).
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