Brevet FR2357141A1 — publié le 19780127

L'invention concerne un dispositif de chauffage par induction, et plus particulièrement un foyer de cuisson par induction à usage domestique. On saint que le chauffage par induction consiste à appliquer un courant variable à fréquence relativement élevée, Jusqu'à quelques dizaines de kilohertz, à une bobine qui est placée à proximité d'un corps conducteur de l'électri- cité, pour que s'y développent des courants de Foucault engendrant par effet Joule dans le corps une quantité de chaleur importante. Le corps conducteur est soit le corps à chauffer lui-mEme, soit un récipient contenant le corps à chauffer et lui transmettant sa chaleur. Par exemple, dans le cas d'un foyer de cuisson, le corps métallique est une cassérole à fond métallique (cuivre, aluminium ou acier inoxydable), contenant des aliments à chauffer ; la chaleur se développe dans le fond de la casserole qui est placée à proximité de la bobine. Dans les dispositifs connus da chauffage de ce type, on applique à la bobine d'induction une tension continue que l'on hache au moyen d'un interrupteur commandé à une haute fréquence fixe, pour faire passer un courant alternativemeniy un sens puis dans l'autre et ainsi engendrer les variations de flux d'induction nécessaires à la production de courants de Boucault. Deux interrupteurs et deux bobines, fonctionnant en alternance selon un mode "push-pull", peuvent Entre prévus. L'inconvénient des dispositifs existants est que l'interruption et l'application du courant aux bobines sont forcés à des instants dépendant de la fréquence de commande des interrupteurs ; par conséquent, l'ouverture et la fermeture des interrupteurs peuvent s'effectuer à des instants ot le courant qui les traverse ou la tension à leurs bornes sont élevés, ce qui engendre une dissipation de puissance élevée dans les interrupteurs. Ceux-ci sont des éléments à semi-conducteurs, thyristors ou transistors de puissance par exemple, et la puissance qu'ils consomment doit être limitée autant que possible car leur cotit augmente très fortement avec l'accroissement de puissance qu'ils doivent supporter. Ceci est particulièrement vrai s'ils doivent fonctionner comme interrupteurs à des fréquences au-dessus de la dizaine de kilohertz Pour éliminer autant que possible cet inconvénient, la présente invention propose un dispositif de chauffage par induction comportant une bobine en parallèle avec-un condensateur pour constituer un circuit bouchon qui est alimenté par une tension continue hachée par un interrupteur,à un rythme qui n'est pas une fréquence quelconque mats.qui dépend de la période propre du circuit bouchon ainsi, la commutation n'est plus faite de façon complètement forcée mais au contraire elle s'opère en fonction d'un rythme naturel du circuit bouchon ; en particulier, on peut s'arranger alors pour que la commutation ait lieu à des instants où la tension aux bornes de l'interrupteur est pratiquement nulle, ce qui permet de réduire la puissance dissipée dans céluic'i. Plus précisément, le dispositif de chauffage par induction selon l'invention comprend une capacité en parallèle avec la bobine pour constituer un circuit bouchon de période propre sensiblement de l'ordre de grandeur de la période à laquelle on veut alimenter la bobine, et, en série avec le circuit bouchon et une source de tension continue, un interrupteur commandé, un moyen-de commande de l'interrupteur entant prévu pour alternativement fermer l'interrupteur, afin d'emma gasinerol'énergie dans le circuit bouchon, et l'ouvrir afin de mettre le, circuit en oscillation libre, l'instant de fermeture étant déterminé à partir du passage du système.dans un état particulier au cours de ladite oscillation libre, et la durée de fermeture de l'interrupteur étant suffisante pour que le circuit bouchon ait.le temps d'emmagasiner suffisamment d'énergie pour un fonctionnement périodique entretenu du dispositif. De façon particulièrement avantageuse, la fermeture de l'interrupteur est effectuée au moment où la tension à ses bornes revient pratiquement à zéro après que l'état du système ait subi un début d'oscillation libre déclenchée par l'ouverture précédente de l'interrupteur. Pratiquement, c'est après environ une demi-période d'oscillation libre que l'interrupteur est refermé (la période de l'oscillation étant la période propre a du circuit bouchon comportant la bobine d'inductance L et la capacité C). De plus, c'est de préférence le passage de la tension par une valeur voisine de zéro qui déclenche lui-même la fermeture instantanée de l'interrupteur. La durée de fermeture de l'interrupteur doit titre choisie telle qu'elle permette le stockage d'une quantité d'énergie suffisante pour que le dispositif de chauffage fonctionne de façon entretenue tout en fournissant à chaque cycle la puissance nominale que l'on souhaite transmettre au corps à chauffer. En effet, c'est en présence d'un corps à chauffer que la puissance à fournir est la plus élevée, le circuit bouchon étant beaucoup plus amorti (du fait des courants de Poucault) qu'en lRabsence de corps conducteur à proximité de la bobine ; la puissance fournie au circuit bouchon est sensiblement celle qui est dissipée dans le corps à chauffer lorsqu'il est présent et la puissance consommée par l'interrupteur augmente aussi avec la durée de fermeture de l'interrupteur. On peut prévoir selon l'invention un choix approprié de la durée de fermeture, soit en présence soit en l'absence de corps à chauffer, pour que cette durée tienne compte de la puissance à fournir au circuit bouchon, en évitant par exemple de dissiper une trop grande puissance dans l'interrupteur s'il n'y a pas de corps à chauffer à proximité de la bobine. Par exemple, on peut prévoir selon l'invention que la durée de fermeture de l'interrupteur soit modifiée selon la présence ou l'absence de corps, c'est-à-dire selon la valeur de l'imductance de la bobine qui varie avec la proximité du corps conducteur ou selon la période propre du circuit bouchon qui varie également. Le circuit de commande de l'interrupteur peut comprendre alors un circuit de démarrage pour mettre en oscillation le circuit bouchon, un convertisseur fréquence-rapport cyclique qui, recevant à son entrée par l'intermédiaire d'un circuit de déphasage approprié, la fréquence d'alimentation du circuit bouchon, fournit à sa sortie un signal en créneau de rapport cyclique dépendant de cette fréquence. Le convertisseur commande un circuit d'attaque de la base i'un transistor servant d'interrupteur. Une méthode particulièrement avantageuse pour adapter le temps de fermeture de l'interrupteur à la puissance à fournir consiste à donner une durée fixe à la fermeture de l'interrupteur. En effet, on constate alors que du fait de. l'augmentation de période propre en l'absence d'un corps à chauffer, la durée relative du temps de fermeture à la période propre du circuit bouchon diminue et on peut en déduire que la puissance consommée par l'interrupteur est alors réduite par rapport à celle qui est consommée en présence d'un corps conducteur pour la meme durée de fermeture. D'autre part, la puissance consommée par le circuit bouchon lui-même et la charge qui lui est associée est réduite en l'absence de corps pas suite de la diminution du coefficient d'amortissement du circuit. La durée fixe de fermeture du transitor est produite par une bascule monostable et l'interrupteur commandé est de préférence un transistor ou un thyristor. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture de la description qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un schéma général du dispositif de chauffage par induction selon l'invention, - la figure 2 représente un schéma synoptique du circuit de commande de l'interrupteur associé au circuit bouchon, - la figure 3 représente un diagramme temporel de la tension aux bornes de l'interrupteur lors de l'oscillation libre du circuit bouchon, - la figure 4 représente un diagramme temporel de la tension aux bornes de l'interrupteur dans le fonctionnement périodique entretenu selon l'invention, - la figure 5 représente un diagramme temporel analogue à celui de la figure 4 en présence d'un corps à chauffer à proximité de la bobine, - la figure 6 représente un schéma électrique détaillé de la réalisation expérimentée. A la figure 1 le système de chauffage par induction selon l'invention est représenté de façon générale. Il comprend un pont de redressement classique 10 à quatre diodes, alimenté par la tension de secteur 220 volts 50 Hertz, pour fournir à sa sortie une tension redressée qui est ensuite filtrée dans un circuit de filtrage à capacités et inductance. A la sortie de ce filtre on recueille une tension continue U sensiblement égale à volts cette qui servira à alimenter une bobine électrique de chauffage par induction 12. La bobine 12 est disposée au-dessous d'un support diélectrique 14 qui constitue une plaque destinée par exemple à porter une casserole si le dispositif de chauffage par induction est utilisé en temps que foyer de cuisson. Un capteur de température 16 est par exemple disposé à proximité ou contre la plaque diélectrique 14 pour déterminer sa température. il transmet un signal. représentatif de la température à un thermostat électronique 18 qui est apte à commander un triac 20 intercalé entre l'alimentation 220 volts et le pont de redressement 10. Ainsi, on peut interrompre 11 alimentation de la bobine de chauffage 12 si la température au niveau de la plaque support 14 dépasse une valeur prédéterminée. Par exemple, le thermostat comprend un commutateur à plusieurs positions pour déterminer plusieurs températures de fonctionnement nominales. Les éléments ainsi décrits sont classiques pour des dispositifs de chauffage par induction. Selon l'invention on prévoit de plus une capacité 22 en parallèle avec la bobine 12 de manière à constituer un circuit bouchon dont la fréquence de résonance est un peu supérieure à la fréquence à laquelle on veut faire passer un courant variable dans la bobine 12. De plus un interrupteur 24 est connecté en série avec le circuit bouchon, et la tension continue U alimente cet ensemble en série. L'interrupteur est commandé par un circuit de commande 26. Pour chauffer la casserole et le contenu de la casserole par induction, c'est-à-dire par production de courants de Foucault dans le fond conducteur de la casserole, il est nécessaire d'alimenter la bobine 12 avec une fréquence relativement élevée, par exemple de l'ordre de 30 kilohertz. Par conséquent, on s'arrange pour hacher à l'aide de l'interrupteur 24 la tension continue U d'alimentation du circuit bouchon. Cependant on ne commande pas l'interrupteur 24 par le circuit 26 à une fréquence forcée fixe. Au contraire on s'arrange pour que la fréquence de commande de l'interrupteur soit liée à la fréquence d'oscillation que peut présenter le circuit bouchon dans certaines conditions. Lorsque l'interrupteur 24 est fermé, il fournit de l'énergie au circuit bouchon en chargeant la capacité à la tension U et en faisant passer un certain courant dans la bobine 12. Lorsque l'on ouvre l'interrupteur 24, le circuit bouchon qui a emmagasiné de l'énergie se met en oscillation libre, c'est-à-dire que la tension à ses bornes se met à varier sinusoidalement avec la fréquence propre de résonnance du circuit bouchon et avec une amplitude décroissante dépendant de l'amortissement du circuit bouchon. A un moment donné de cette oscillation libre du circuit bouchon, on ferme à nouveau l'interrupteur 24 pour réemmagasiner de l'énergie dans le circuit avant de relancer son oscillation libre par une nouvelle ouverture de l1inter- rupteur et ainsi de suite. Le circuit 26 de commande de l'interrupteur est donc d'une part20 agte pérer l'état de 11 oscillation du circuit bouchon pour décider de la fermeture de l'interrupteur 24 et d'autre part à fermer cet interrupteur pendant une durée suffisante pour emmagasiner dans le circuit bouchon au moins la quantité d'énergie qui a été perdue par suite de l'amortissement au cours de l'oscillation libre. Il faut noter que cet amortissement est d'autant plus grand qu'un corps conducteur est placé plus près de de bobine 12 puisque les courants de Foucault engendrés dans ce corps conducteur augmentent considérablement cet amortissement. En l'absence de casserole sur la plaque diélectrique 14, l'amortissement est relativement faible ; il dépend seulement de la résistance interne de la bobine 12 et des pertes diélectriques. Il est par conséquent nécessaire que la fermeture de l'interrupteur soit plus longue, au moins par rapport à la période propre de résonnance du circuit bouchon? dans le cas où un corps conducteur à chauffer est présent qu'en l'absence d'un tel corps. Sn fait la période propre du circuit bouchon est égale à si L est l'inductance de la bobine et C la capacité du condensateur 22, mais l'inductance de la bobine 12 dépend fortement de la présence ou de l'absence d'un corps conducteur à proximité d'elle. L'inductance est en effet diminuée du fait de la présence de ce corps conducteur et la période propre est donc également diminuée. Le schéma synoptique fonctionnel du circuit de commande du circuit bouchon est représenté à la figure 2, l'interrupteur étant ici constitué par un transistor de puissance T p dont la base est commandée par un circuit d'attaque 30, lui-même commandé par un convertisseur fréquence-rapport cyclique 32 qui a pour fonction de fournir un signal en créneau dont le rapport cyclique varie automatiquement selon la fréquence du signal qu'il reçoit. Ce signal reçu provient d'un circuit de démarrage 34 destiné à lancer initialement l'oscillation du circuit bouchon. Ce circuit de démarrage fournit d'abord un signal de rapport cyclique 50 ffi et est ensuite synchronisé sur une fréquence qu'on amende à son entrée par un circuit de réaction 36 dont le ralle est de boucler l'ensemble du circuit pour faire osciller le système à une fréquence stable dépendant de la présence ou de l'absence d'une casserole à proximité de la bobine 12. Le circuit de réaction 36 est connecté au point de jonction entre l'interrupteur et le circuit bouchon, et il produit une rotation de phase convenable de la tension présente à ce point, de telle façon que la fermeture ou ltouverture du transistor T se fasse toujours lorsque la tension à ses bornes p est nulle. Pour augmenter le rapport de la durée de fermeture de l'interrupteur 24 à la période propre du circuit bouchon dans le cas où un corps à chauffer est présent par rapport au cas où aucun corps n'est présent, on peut se contenter de fermer l'interrupteur 24 pendant une durée fixe, indépendamment de la présence ou de l'absence du corps puisque clest alors la période propre elle-même qui varie et modifie le rapport en question. Selon l'inventlon, l'instant plus particulièrement choisi pour commander la fermeture de l'interrupteur 24 (dont on a dit qutil dépendait de l'état doscillation libre du circuit bouchon engendré par ltouverture précédente de l'interrupteur) est l'instant auquel la tension aux bornes de l'interrupteur passe sensiblement par zéro après avoir fortement augmenté et passé par un maximum à la suite de l'ouverture de l'interrupteur.En effet, si on s'arrange pour fermer l'interrupteur pendant que la tension à ses bornes est nulle, la puissance dissipée par l'interrupteur sera diminuée, Ceci est particulièrement important dans la réalisation pratique où l'interrupteur commandé est un élément à semi-conducteur, par exemple un transistor ou un thyristor, qui est mieux capable qu'un simple relais de fonctionner aux fréquences désirées. Le circuit 26 de commande de l'interrupteur est donc connecté aux bornes de ce dernier pour détecter à chaque instant la tension à ces bornes0 On a représenté à la figure 3 le diagramme temporel de la tension V aux bornes de l'interrupteur 24 à partir dTun instant tl où l'interrupteur est ouvert et le circuit bouchon est mis en oscillation libre. La tension V croit fortement compte tenu du facteur de surtension du circuit bouchon puis redescend en oscillant sinusoTdalement autour de sa valeur finale U qu'elle atteindrait plus ou moins rapidement selon l'amortissement du circuit bohcon.La période de la sinusolde est la période propre du circuit bouchon. On voit donc qu'au bout d'un temps légèrement supérieur à tu/2, la tension V aux bornes de l'interrupteur redescend jusqu'à zéro, en supposant évidemment que l'amortissement n'est pas trop grand. A cet instant, t2 où la tension V repasse par zéro, on s'arrange, selon l'invention, pour refermer l'interrupteur pendant une durée T avant de relancer l'oscillation libre. On voit alors sur la figure 4 comment le système fonctionne de façon entretenue : au bout du temps T l'interrupteur est à nouveau ouvert, l'oscillation libre est relancée pendant un peu plus d'une demi-période, et ainsi de suite. Pendant la période de fermeture de l'interrupteur, le circuit bouchon emmagasine à nouveau de énergie. Plus exactement il commence pas fonctionner en récupération, ctest-à-dire en fournissant de l'énergie à la source pendant une première partie de la durée T à savoir celle pendant laquelle la tension V aurait été négative si on avait laissé l'oscillation libre se poursuivre.Pendant unedeuxième partie de la durée T, le circuit bouchon réemmagasine de l'énergie pour préparer la relance de ltoscilla- tion. Les figures 3 et 4 ont été représentées en supposant qu'aucun corps métallique conducteur n'dst placé à proximité de la bobine 12, c'est-à-dire que le dispositif de chauffage fonctionne à vide. La période propre du circuit bouchon est alors 20. A la figure 5, on a représenté le fonctionnement du système, de manière analogue à la figure 4, mais en présence d'un corps à chauffer, la période propre du circuit bouchon étant alors comme on l'a dit plus faible que T0. Soit T' cette nouvelle période propre. La durée T n'ayant pas varié, le rapport T/2to est augmenté et la durée de réénergisation du circuit bouchon est plus grande relativement à la période propre que dans le cas précédent. De plus, la deuxième partie de la durée X, celle pendant laquelle le circuit bouchon reçoit effectivement de l'énergie et ne fonctionne plus en récupération, est maintenant plus grande en valeur absolue que dans le cas de la figure 4. On obtient donc, en donnant à la durée de fermeture de l'interrupteur une valeur fixe indépendante de la présence ou de l'absence d'un corps à chauffer, une adaptation automatique de la quantité d'énergie fournie au circuit bouchon et par là meme une adaptation de la puissance dissipée dans l'interrupteur. Comme on peut le voir sur les figures 4 et 5, la durée T doit être suffisante pour que le circuit bouchon réemmagasine be l'énergie après avoir fonctionné en récupération, c'est-à-dire que cette durée doit titre légèrement supérieure à la demipériode propre du circuit bouchon dans le cas de l'absence d'un corps à chauffer. En effet, dans ce cas, l'énergie à fournir au circuit bouchon est relativement faible puisqutil est très peu amorti.Par ailleurs la durée T doit etre suffisante compte tenu de la puissance qu'on veut dissiper dans la casserole, par l'intermédiaire des pertes du circuit bouchon, dans le cas de la présence de cette casserole, pour que le circuit bouchon ait le temps d'emmagasiner cette énergie au cours de la deuxième partie de la durée de fermeture 2. On notera que pendant la durée T, le courant dans l'interrupteur croît d'une valeur négative au'il présente au moment de la fermeture jusqu'à une valeur positive. Le passage par zéro définit la limite entre la première et la deuxième partie dè la durée T. A la figure 6, on voit un schéma de la réalisation détaillée du circuit de commande-26 de l'interrupteur 24. Cet interrupteur est ici constitué par un transistor de puissance p p commandé par la base. Un circuit à quatre transistors Ti, 2, T3, T4 est prévu pour amplifier un signal de commande de fermeture de l'interrupteur appliqué à la base du transitor TI, pour rendre franchement conducteur le transistor Tp, lors de l'application d'un créneau de tension positif à la base du transistor TI. Ce créneau de tension est fourni pendant une durée fixe T par une bascule mono stable constituée de manière tout à fait classique par deux transitors 25, 26, une capacité CI et une résistance Ri, la durée du créneau de la bascule monostable étant déterminée par la constante de temps R1C1. Le créneau de la bascule mono stable est déclenché par une impulssion fournie à la base du transistor T5 par un transistor de commande 7 qui reçoit à cet effet sur sa base une tension qui le rend conducteur. Cette tension peut titre appliquée soit par l'intermédiaire d'un bouton-poussoir pour déclencher initialement le dispositif soit par une diode D1 lors du régime permanent. La diode D1 est connectée par ailleurs au collecteur du transistor de puissance 1. Sa polarisation est telle qu'elle est bloquée si la tension aux bornes du transistor T est positive et qu'elle est passante si cette tension est négative. En fait, si le transit or T7 est polarisé par une source de tension -5 volts, + 5 volts, on voit sur le montage de la figure 6 que la diode D1 deviendra conductrice dès que la tension aux bornes du transistor T descendra au-dessous de 5 volts, ce qui déclenchera le créneau du monostable. Par ailleurs, on a prévu en parallèle sur le transistor T une diode de récupération D2 pour permettre le passage du courant dans le sens inverse de conduction normale du transistor Appendant la première partie de la durée de fermeture de celui-ci où le courant est dans un sens de récupération d'énergie. Le fonctionnement est donc le suivant : initialement l'opérateur appuie sur le bouton-poussoir P ce qui rend instantanément conducteur le transistor T7 et déclenche le début du créneau du monostable T5, 26. La polarisation des transistors TI, T2, T3, 4 est telle que le transistor T p qui est commandé par ces transistors se ferme instantanément de sorte que le circuit bouchon reçoit maintenant la tension U et emmagasine de l'énergie en chargeant la capacité C et en faisant passer un courant dans l'inductance L.Lorsque le créneau du mono stable arrive à sa fin, le transistor S se bloque instantanément, ce qui a pour effet de mettre le circuit bouchon en oscillation libre sur lui-mEme. La tension V aux bornes du transistor T augmente donc selon une sinusoSde amortie dont la période et l'amplitude sont déterminées par la période propre du circuit bouchon et son coefficient de surtension. Pendant tout le temps que la tension V est positive, la diode de réaction D1 est polarisée en sens inverse. Lorsque la tension V redescend au cours de l'oscillation libre et atteint une valeur sensiblement comprise entre + 5 volts et zéro, la diode D1 se met à conduire ce qui.a pour effet de déclencher à nouveau l'apparition du créneau du monostable et donc de rendre à nouveau conducteur le transistor p,sensiblement lorsque la tension à ses bornes passe par zéro. C'est initialement la diode de récupération D2,facultative,qui assure le passage du courant dans le circuit bouchon dans un sens de récupération d'énergie jusqu'à ce que la tension U appliquée à l'inductance L renverse le courant dans celle-ci et permette à nouveau l'emmagasinement d'énergie dans le circuit bouchon. Le système fonctionne donc de façon périodique autoentrenue, et la puissance fournie au circuit bouchon (donc à l'objet à chauffer), ainsi que la puissance consommée par l'interrupteur dépendent de la durée de fermeture de l'interrupteur relativement à la durée de la période propre du circuit bouchon ; elles diminuent en l'absence de corps à chauffer, à cause de l'augmentation de période propre du circuit - bouchon. On peut prévoir aussi que la durée 2 n'est pas fixe de manière à agir également sur elle pour diminuer ou augmenter les puissances consommées. il est possible par exemple de prévoir deux durées X, une en l'absence, l'autre en présence de corps à chauffer, ou encore une durée 2 continue ment variable selon la proximité du corps à chauffer (ou selon sa nature, de telle façon que la durée dépende des courants de Foucault engendrés). RSVEI-DICADIONS 1. Dispositif de chauffage par induction au moyen d'une bobine électrique alimentée en courant variable, placée à proximité d'un corps métallique à chauffer, une capacité étant connectée en parallèle avec la bobine pour constituer un circuit bouchon et un interrupteur commandé étant placé en série entre ce circuit bouchon et une source de tension continue, caractérisé par le fait qu'il est prévu un moyen de commande de l'interrup- teur comprenant un circuit de réaction relié au point de jonction entre l'interrupteur et le circuit bouchon, pour déclencher la fermeture de l'interrupteur lors du passage de la tension à ses bornes par une valeur sensiblement égale à zéro, le circuit de réaction comprenant une diode en série avec une bascule mono stable. 2. Dispositif de chauffage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'interrupteur est constitué par un transistor ou un thyristor.