Brevet FR2447640A1 — publié le 19800822

La présente invention concerne les appareils électriw ques de puissance commandés par modulation en tout ou rien pour effectuer une variation de puissance sur une charge destinée a être alimentée à haute fréquence, et en particulier les cuisinières électriques à induction dont la charge est une bobine inductive. TJn problème qui se pose dans les appareils de puissance subissant une commutation périodique, est l'apparition de modulations à basse fréquence, réinjectées dans le réseau de distribution ou rayonnées et d'autant plus gênantes que les commutations sont plus fréquentes et que la puissance commutée est plus élevée.Ces perturbations sont souvent appelées "flicker", d'un mot anglais signifiant tremblotement et évoquant concrb- tement la modulation parasite basse fréquence, Si on effectue une modulation de puissance par une commande au moyen de trains d'ondes de durée variable, on est obligé de prévoir une période de trains élevée (d'autant plus élevée que la puissance de l'appareil commandé est plus grande) et cette longue période (30 secondes pour une charge de 2 kW environ) peut être gênante pour l'utilisateur à cause de l'irré- gularité de chauffage qui en résulte. Pour reméiver à cet inconvénient, la présente invention propose d1effectuer une modulation d'une manière non uniforme, c'est-à-dire selon deux modes différents selon la puissance qui est à fournir, le passage d'un mode à l1autre se faisant automatiquement lorsque la puissance à fournir monte au-dessus (ou descend au dessous) d'une puissance intermédiaire déterminée entre la puissance minimale et la puissance maximale susceptible. entre fournies. Plus précisément, on fait varier la puissance fournie entre la puissance minimale et ladite puissance intermédiaire par une modulalsion par trains dlonae répétés de durée variable et de période constante, cette période étant au moins égale à celle qui est nécessaire selon les normes en vigueur pour réduire suffisamment les perturbations de type "flicker". Comme cette période minimale augmente avec la puissance fournie, on choisira la valeur de la puissance intermédiaire de telle zanis que la période, minimale correspondant à cette puissance intermédiaire ne soit pas g8nante pour l'usager. La période des trains d'onde peut titre par exemple de deux secondes, auquel cas la puissance intermédiaire pourra être de 1 kilowatt. Pour les puissances comprises entre la puissance intermédiaire et la puissance maximale, on effectue la modulation de puissance selon un deuxième mode, à savoir par découpage de la tension alternative haute fréquence parcourant la charge de l'appareil, pour ne laisser passer le courant, à chaque alternance, que pendant une fraction de période, la modulation se faisant par action sur ce temps de conduction à chaque alternance. Le passage du premier mode (trains d'onde de durée variable) au deuxième (temps de conduction variable) steffec- tue automatiquement. En pratique, on prévoira dans le dispositif d'alimentation un organe de réglage unique (manuel par exemple) et le changement de mode de modulation s > effectuera directement par simple action sur cet organe qui, dans une première plage de fonctionnement commandera une variation de durée de trains d'ondes et, dans une deuxième plage, commandera une variation de temps de conduction cyclique dfun commutateur en série avec la charge à alimenter à haute fréquence. D'autre part, selon une caractéristique importante de l'invention, il est souhaitable d'éviter de prévoir deux commutateurs séparés commandés par l'organe de réglage (pour une question de cotit et de complexité de réalisation), et on prévoit de préférence que la charge haute fréquence est placée en série avec un commutateur commandé unique, pour chaque charge à commander individuellement, l'ensemble étant alimenté par un pont redresseur en amont duquel est placé un filtre, lui-mEme alimenté par une tension de secteur à fréquence industrielle (50 Hertz par exemple). Le commutateur est alors commandé (dans le premier mode de fonctionnement) de tellemanière qu'il ne se ferme que lorsque la tension du secteur passe sensiblement par zéro. Par ailleurs, plus précisément dans le cas d'une cuisinière à induction à plusieurs foyers, l'invention propose une caractéristique supplémentaire permettant d'éviter d'avoir à allonger la période des trains d'onde (dans le premier mode de modulation) lorsque plusieurs foyers sont en service, chacun d'eux pouvant consommer la puissance intermédiaire pour laquelle on a calculé la période minimale des trains d'onde qui permet de rester au-dessous du taux acceptable de "fliker". A cet effet, on prévoit que les trains d'ondes des différents foyers sont accolés d'une manière telle que le courant soit mis en service dans un foyer juste au moment où un autre foyer vient de cesser d'entre alimenté. Ceci revient à dire que sur la ligne d'alimentation globale de la cuisinière, on ne rajoute-pas de fronts de variation de puissance, qui sont cause de "flicker", lorsque l'on met plusieurs foyers en service. L'invention sera décrite plus en détail ci-après, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un diagramme temporel schématisant un système de modulation par trains d'ondes; - la figure 2 représente un diagramme temporel schématisant une modulation par variation du temps de conduction du courant alternatif circulant dans la charge. - la figure 3 représente sous forme de schéma bloc un exemple de réalisation d'un dispositif pour mettre en oeuvre le. procédé de l'invention. - a figure 4 représente une réalisation pratique de circuit de modulation pour deux foyers de cuisson d'une cuisinière à induction. A la figure 1, on voit schématiquement comment s'opère une modulation par trains d'ondes : pendant des créneaux périodiques de durée t et de période T, on laisse passer un courant alternatif de fréquence fO nettement supérieure à la fréquence des créneaux, ce courant étant celui qui alimente l'appareil. En dehors des créneaux de durée t, on ne laisse pas passer le courant. La forme d'onde du courant d'alimentation des appareils électriques est donc une succession de trains d'ondes de durée t, apparaissant à des intervalles de temps T. La modulation de la puissance fournie aux appareils électriques s'effectue par variation de la durée t des créneaux entre une valeur nulle (puissance nulle fournie) et la valeur T (puissance maximale fournie). Pour ne pas geler l'utilisateur, on s'impose selon l'invention une valeur maximale Tmax de la période des créneaux; cette valeur étant choisie de manière que la non-uniformité de fonctionnement des appareils électriques ne soit pas perceptible ou pas gênante pour l'atilisateur. A titre d'exemple, dans le cas d'une cuisiniFeà induction, on peut choisir la valeur Tmax égale à deux secondes, un foyer de la cuisinière recevant donc toutes les deux secondes une série d'alternances de signal sinusordal à fréquence 0. La présence de cette modulation en trains d'ondes provoque l'apparition d'une modulation à basse fréquence dite 11fliker11. Les normes en vigueur actuellement imposent que pour une fréquence donnée des créneaux de la modulation en trains d'ondes, la puissance fournie lors de ces créneaux soit limitée à une valeur maximale déterminée. Plus la fréquence d'apparition des créneaux est élevée, plus la puissance fournie en moyenne doit Autre faible. Dans l'exemple de réalisation choisie, si la période des créneaux est de deux secondes, la puissance fournie doit entre limitée à environ 1 kW . Ceci signifie que même si la durée t des créneaux s'étend sur pratiquement toute la longueur de la période T, la puissance maximum fournie ne sera que d'un kilowatt.Or, un foyer de cuisson d'une cuisinière à induction doit pouvoir consommer åusqutà deux kilowatts en position de chauffage maximum. Pour alimenter les appareils électriques entre une puissance comprise entre la puissance intermédiaire 1 kW, et la puissance maximale (2 kW), on cesse de produire des créneaux de durée variable, et on laisse passer en permanence un signal à basse fréquence f0, et pour faire varier la puissance fournie, on découpe chaque alternance haute fréquence pour ne laisser passer du courant que pendant une fraction, de durée déterminée de toutes les alternances à haute fréquence-9 Cette modulation est représentée schématiquement à la figure 2, sur laquelle on voit le signal fréquence 1. Chaque alternance du signal de durée T1 se divise en une partie de repos de durée T r et une partie de conduction de durée Ec La modulation effectue en faisant varier le rapport de la durée de conduction Tc à la période T1, rapport que lton peut appeler rapport cyclique de conduction. On fait varier la puissance moyenne fournie aux appareils électriques entre la puissance intermédiaire déjà mentionnée et la puissance maximale en faisant varier le rapport cyclique entre une valeur intermédiaire et une valeur maximale de 100 %. La figure 3 montre un appareillage permettant de réaliser les deux types de modulation (respectivement des figures 1 et 2) avec un passage automatique de ltune des modulations à l'autre en fonction de la puissance fournie aux appareils commandés. Dans cet exemple, l'appareil commandé est un foyer de cuisson d'une cuisinière à induction, désigné par la référence 10. Il est commandé par un interrupteur électronique qui peut titre à transistor12 dont la base est commandée de manière classique par un circuit 14 de commande de conduction capable de faire varier le rapport cyclique de conduction du transistor. Lut action sur le circuit 14 en vue de faire varier le rapport cyclique de conduction, est exercee par un organe manuel 16, en l'occurence un bouton de commande de puissance du foyer de cuisson 10 de la cuisinière à induction. Ce bouton de commande 16 possède en plus une autre fonction : il fait varier la durée t d'une bascule monostable 18 servant à créer des créneaux de durée t variable, et de période T déterminée par une horloge 20 qui déclenche régulièrement le basculement du mono stable 18. Les créneaux de durée t et de période T sont appliqués au commutateur à transistor 12 qui stouvre pendant la durée des créneaux et qui laisse passer un signal de fréquence f0, produit par la coopération d'une source 24 à tension alternative redressée et de la charge du foyer 10, qui est un circuit oscillant comprenant une bobine inductive. Le commutateur à transistor 12 est en série entre la source et la charge. Pour que le passage d'un mode de modulation de puis sance à l'autre s'effectue automatiquement lorsquton atteint une puissance intermédiaire, sans que l'utilisateur ait à actionner plusieurs boutons de commande, on prévoit que le bouton de modulation de puissance 16 agit sur un circuit de changement de mode de modulation 26 de la manière suivante - lorsqu'on tourne le bouton 16 pour passer dune puissance minimale vers la puissance intermédiaire, le circuit 26 agit, selon la position du bouton 16 sur la durée t du monostable 18 et celui-ci rend le transistor 12 périodiquement conducteur pendant la durée t. La modulation se fait selon le schéma de la figure 1 par variation de t. Au-dessus'de la puissance intermédiaire, le circuit 26 qui constitue un circuit de changement de mode de modulation autorise l'action de modulation par découpage du circuit 14, la durée de conduction à chaque alternance variant en fonction de la position du bouton 16 dans sa deuxième plage de fonctionnement. La modulation se fait alors selon le schéma de la figure 2. Pour conserver une période T suffisamment faible pour la modulation en trains d'ondes de la figure 1 de manière à ne pas genet l'utilisateur, mEme dans le cas où plusieurs foyers de cuisson d'une puissance d'environ 2 kWatts doivent pouvoir btre commandés simultanément, ce qui est le cas pour la plupart des cuisinières, l'invention prévoit que les créneaux sont engendrés successivement pour chacun des foyers de cuisson, et non simultanément. Ainsi, la bascule monostable 18 du circuit de commande d'un foyer de cuisson se déclenche au moment où se termine le créneau correspondant à l'alimentation d'un autre foyer. On évite ainsi la multiplication des temps d'arrdt entre trains d'ondes successifs, avec l1augmen- tation importante de modulation parasite llflicker!1 qui en résulterait. Pour cela, on interconnecte les circuits de commande (tels que celui de la figure 3) en prévoyant qu'or premier foyer de cuisson comporte un circuit d'alimentation dans lequel le mono stable 18 est déclenché par une horloge de période T, qu'un deuxième foyer de cuisssn comprend un circuit de commande dans lequel le monostable 181 est commandé non pas par une horloge séparée mais par la sortie du monostable 18 du premier foyer, et ainsi de suite, le troisième foyer de cuisson ayant son monostable 18" déclenché par la sortie du monostable 18' du deuxième foyer etc. À la figure 4, on a représenté un exemple de réalisation pratique d'un circuit de modulation de puissance selon l'invention pour la commande de plusieurs foyers de cuisson d'une cuisinière à induction. Sur cette figure 4, l'horloge 20 est constituée par une bascule stable de période T (environ Z secondes). B commande périodiquement le déclenchement d'une bascule monos table 18 produisant des créneaux de durée t variable et comprise entre O et 2 secondes, la variation de durée t du monostable 18 s'effectuant selon un circuit conforme au schéma bloc de la figure 3 dans lequel l'organe de réglage manuel de la puissance est un potentiomère P qui agit par l'inter médiaire d'un circuit de changement de mode de modulation 26 sur le monostable 18. Par ailleurs le circuit 26 agit sur une autre bascule mono stable 19 de durée beaucoup plus courte que celle-de la bascule 18 puisqu'elle est destinée à commander le rapport cyclique de conduction de chaque alternance haute fréquence du courant parcourant la bobine d'induction B1 du premier foyer de cuisson. Le déclenchement de la bascule monostable 19 n'est pas provoqué par l'horloge 20 mais est synchronisé avec le début des alternances de tension apparaissant aux bornes de la bobine d'induction 31. Des sorties des monostables 18 et 19 sont appliquées au circuit de commande de conduction 14 qui agit sur un transistor 1 qui est le commutateur 12 du circuit de la figure 3. Le transistor TI est en série avec le circuit oscillant servant à la production d'une haute fréquence de chauffage, ce circuit oscillant comprenant la bobine 31 et un condensateur en parallèle, L'ensemble de B1, Cl et T1 est alimenté par un pont redresseur P1 lequel reçoit une tension alternative issue d'un filtre de haute fréquence qui reçoit une tension alternative provenant du secteur à fréquence indus- trielle.Ce filtre est constitué par exemple d'une inductance L en série avec une capacité C, la sortie du filtre étant prise aux bornes dç la capacité C et étant connectée aux entrées du pont redresseur P1. Le filtre LC est donc placé en amont (dans le sens d'écoulement de l'énergie) du pont redresseur P1, et on peut ainsi utiliser un transistor unique Tî pour commander la conduction et l'interruption de courant dans la-bobine d'induction B1, aussi bien pour le mode de fonctionnement en modulation par trains d'onde (commande par le mono stable 18) que pour le mode de fonctionnement en modulation du rapport cyclique de conduction à haute fré- quence. Le circuit de changement de mode de modulation, 26, est constitué simplement par une résistance RI et deux diodes Zener D1 et D2. La diode Zener D1 est insérée entre le curseur du potentiomètre de réglage de puissance P et le monostable 19. La résistance R1 est insérée entre ce curseur et le monostable 18 et la diode Zener D2 relie l'extrémité non connectée au curseur de la résistance R1 à la masse. Le potentioubtre P reçoit une tension continue d'alimentation V. Les diodes Zener D7 et D2 ont une tension nominale de conduction directe choisie égale à T/2 de telle sorte que dans une première plage du potentiomètre P, la tension sur son curseur est inférieure à V/2 et ne peut agir, par l'intermédiaire de la résistance RI, que sur le monostable 18, tandis que dans la deuxiiite moitié du potentiomètre P, le curseur reçoit une tension supérieure à V/2 et agit sur le monostabla 19 sans pouvoir faire varier la tension appliquée au monostable 18 qui ne peut dépasser V/2 à cause de la diode Zener D2. La cuisinière à induction comportant dans l1 exemple choisi à la figure 4 deux foyers de cuisson, le deuxième foyer est construit exactement de la méme maniàre que le premier, avec un potentiomètre doseur de puissance P', un circuit de changement de mode de modulation 26' exactement analogue au circuit 26, une première bascule mono stable 18t et une seconde 19' connectées à un circuit de commande 14' d'un transistor T' servant au commutateur pour interrompre ou autoriser le passage d'un courant à haute fréquence dans un circuit oscillant B'1, C'1 alimenté par un pont redresseur P'1 qui reçoit une tension alternative issue du secteur par l'intermédiaire d'un filtre L'C'. Mais, au lieu que le deuxième foyer soit commandé par une horloge indépendante analogue à l'horloge 20 du premier foyer le déclenchement du monostable 18' est fait par la sortie du monostable 18 de sorte que les trains d'impulsions du deuxième foyer n'apparaissent qu'après la fin des trains d'impulsions du premier foyer. Sur le schéma de la figure 4, on a prévu un filtre et un pont redresseur pour chaque foyer de cuisson, mais on pourrait prévoir un filtre et un pont redresseur commun. La disposition avec un filtre haute fréquence placé en amont du ou des ponts redresseurs permet que la tension aux bornes du commutateur puisse suivre une variation sinusoSdale redressée. En particulier cette tension repasse par zéro quand la sinusolde du secteur passe par zéro, ce qui permet la fermeture du commutateur sans surintensité, Ceci ne serait pas possible si le filtre était en aval du pont redresseur, et il-faudrait alors prévoir un deuxième commutateur pour la modulation en trains d'onde. REVENDICATIONS 1. Procédé de modulation de puissance, notamment pour cuisinière à induction, caractérisé par le fait que l'on fait varier la puissance entre une puissance maximum et une puissance intermédiaire par découpage de chaque alternance de courant alternatif parcourant la charge et variation de l'angle de phase de conduction de ce découpage et que l'on fait varier la puissance entre la puissance intermédiaire et la puissance minimale par une modulation par trains d'ondes répétés, ayant une période constante et une durée variable. 2. Procédé selon la revendication 1, pour une cuisinière à plusieurs foyers de chauffage, caractérisé par le fait que le déclenchement de chaque train d'ondes dans un foyer est effectué à partir de la fin d'un train d'ondes dans un autre foyer. 3. Dispositif de modulation de puissance, notamment pour un foyer de cuisson de cuisinière à induction, caractérisé par le fait qu'il comprend un organe de réglage agissant à la fois sur la durée d'un monostable pour la production d'une puissance variable modulée par trains d'ondes et sur le rapport cyclique de conduction d'un interrupteur électronique en série avec la charge à alimenter, les créneaux' définis par le monostable délimitant les trains d'ondes, un moyen étant prévu pour donner aux trains d'ondes une durée maximale lorsque l'organe de réglage est à une position correspondant à une puissance supérieure à une puissance intermédiaire donnée, et pour donner au rapport cyclique de conduction de l'interrupteur électronique une valeur de 100 * lorsque l'organe de réglage est à une position correspondant à une puissance inférieure à ladite puissance intermédiaire. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il est prévu, en série avec chaque charge inductive à commander, un interrupteur commandé unique commandé par un circuit apte à le fermer pendant des trains d'impulsions ou-pendant une fraction de chaque alternance du courant à haute fréquence parcourant la charge, un pont redresseur alimentant la charge, avec un filtre haute fréquence interposé entre le pont et le secteur à fréquence industrielle.