Brevet FR2712763A1 — publié le 19950524

GENERATEUR DE COURANT ONDULE A SELF SATURABLE La présente invention concerne un générateur de courant ondulé, destiné à être utilisé dans un appareil de chauffage par induction. Les générateurs de ce type sont connus et celui décrit dans la présente demande comporte un circuit oscillant constitué d'une self d'injection de courant, d'un condensateur, d'une bobine de chauffage par induction et d'un interrupteur de puissance commandé à haute fréquence. Le principe du chauffage par induction est connu et consiste à appliquer un courant qui varie à une fréquence relativement élevée jusqu'à quelques dizaines de kilohertz à une bobine qui sert d'inducteur et qui est placée à proximité d'un corps d'objet conducteur de l'électricité de telle sorte que des courants de FOUCAULT s'y développent et y engendrent une quantité de chaleur importante par effet joule. Les dispositifs existants, mettant en oeuvre ce principe de chauffage, présentent l'inconvénient d'être sensibles au couplage, c'est-à-dire que la puissance de chauffage transmise varie lorsque la dimension de l'objet à chauffer varie. Plus particulièrement, il est connu que lorsque de tels générateurs sont utilisés dans des plaques à induction destinées à chauffer des aliments contenus dans un récipient, la puissance maximale de chauffage transmise au récipient contenant les aliments à chauffer est d'autant plus faible que le diamètre du fond de ce récipient est petit. Pour remédier à cet inconvénient, plusieurs solutions ont été mises en oeuvre parmi lesquelles certaines utilisent la variation de l'inductance du circuit oscillant afin de moduler la puissance transmise. D'autres techniques utilisent des procédés mécaniques consistant à faire varier l'intervalle d'espacement entre l'inducteur et une plaque-support située à proximité de l'inducteur et sur laquelle est posé le récipient, ce qui conduit à une variation de l'entrefer contenant ladite plaque-support et par conséquent à une variation du flux magnétique à travers cet entrefer. D'autres solutions connues consistent à faire varier la fréquence de sortie d'un onduleur à semi-conducteur alimentant la bobine de chauffage 'par induction. On connaît également des solutions consistant à régler la tension d'alimentation continue de l'onduleur en utilisant un redresseur à commande de phase dans le circuit redresseur. Une autre solution utilisée consiste à faire varier par bonds les paramètres de capacité et d'inductance du circuit de commutation. Toutes ces solutions, bien qu'elles permettent une modulation de la puissance de chauffage, ne permettent pas cependant d'éviter l'influence de la taille du corps à chauffer sur la puissance transmise par l'inducteur à ce corps. En effet, comme nous l'avons signalé précédemment dans le cas du chauffage d'aliments contenu dans un récipient de cuisine, cette influence se manifeste par une baisse de la puissance absorbée lorsque la surface du récipient à chauffer dans laquelle se développe les courants de FOUCAULT diminue. Ceci constitue un inconvénient pour l'utilisateur qui souhaite disposer de fortes puissances sur des récipients de petites tailles. Le but de l'invention est de réaliser un dispositif qui permet d'induire une puissance qui ne dépend pas des dimensions du corps à chauffer et qui permet d'obtenir une puissance de chauffage élevée même pour des récipients de cuisine de faible dimension. Selon l'invention, le générateur décrit ici comporte une self d'injection de courant du type saturable montée en série avec un ensemble-parallèle formé de deux branches, soit une première branche B1 contenant l'interrupteur de puissance, et une deuxième branche B2 contenant le condensateur monté en série avec la bobine de chauffage par induction. Le dispositif selon l'invention permet donc de faire varier la puissance de manière continue d'une valeur basse de 100 Watts environ à une valeur de 2,5 kilowatts environ quelle que soit la taille du récipient utilisé. Cet avantage est primordial dans le cas d'une utilisation domestique du générateur dans une plaque de cuisson par induction, où les basses puissances, souvent nécessaires pour le mijotage, sont obtenues sans cyclage. Un autre avantage essentiel du générateur selon l'invention réside dans l'utilisation d'une self d'injection de courant saturable par construction ne nécessitant aucun dispositif supplémentaire pour atteindre la saturation et qui fonctionne automatiquement en saturation pendant la phase de résonnance du circuit oscillant. Outre la réduction de l'encombrement et du prix, une conséquence importante de l'utilisation d'une telle self saturable est l'obtention d'une autoadaptabilité du générateur à la charge. En effet, contrairement aux dispositifs analogues de l'art antérieur, dans lesquels la puissance absorbée par le corps à chauffer diminue lorsque les dimensions de ce corps diminuent, le générateur selon l'invention permet d'obtenir une puissance de chauffage indépendante des dimensions du corps à chauffer pouvant varier dans une large gamme et dont la valeur est choisie uniquement par l'utilisateur. Les caractéristiques et avantages du générateur selon l'invention ressortiront de la description qui suit, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles - la figure 1 représente le schéma d'un exemple de réali sation du générateur selon l'invention où l'interrupteur de puissance utilisé est un transistor de puissance du type IGBT associée à une diode de puissance ; - la figure 2 illustre un graphique montrant l'évolution de la puissance absorbée en fonction de la tension d'alimentation pour différents diamètres d en cm de l'ustensile contenant les aliments à chauffer dans le cas d'un générateur de l'Art antérieur comportant une self non saturable - la figure 3 illustre l'évolution de la puissance absor bée en fonction de la tension d'alimentation pour différents diamètres d en cm de l'ustensile contenant les aliments à chauffer dans le cas d'un générateur selon l'invention et comportant une self saturable ; - la figure 4 représente une variante de réalisation de l'invention dans laquelle l'interrupteur est un thyristor du type MOS CONTROLLED THYRISTOR (MCT) symétrique en tension - la figure 5a représente une vue en perspective des pièces en forme de E en ferrite constituant le circuit magnétique de la self d'injection de courant ; - la figure 5b représente une coupe verticale de la self d'injection de courant saturable utilisée dans le générateur selon l'invention - la figure 5c représente une coupe horizontale de la self d'injection de courant saturable utilisée dans le générateur selon l'invention. Comme représenté à la figure 1, le générateur de courant ondulé 1 est destiné à être utilisé dans un appareil de chauffage par induction du type plaque chauffante et est alimenté par le secteur, ledit générateur comprend de manière connue en soi un pont redresseur 2 précédé d'un filtre anti-parasite 3 et suivi d'un filtre passe-bas 4 comprenant une bobine 5 et un condensateur 7. Une première borne de sortie 8 dudit pont redresseur 2 est reliée à une première borne de la bobine 5, la deuxième borne de la bobine 5 étant reliée à une borne commune à une self d'injection de courant 6 et au condensateur 7. La deuxième borne 9 de la self d'injection de courant 6 est reliée à une première borne de l'ensemble-parallèle constitué de deux branches B1 et B2. La deuxième borne 10 de cet ensemble-parallèle est reliée à la deuxième borne du condensateur 7 et à la deuxième borne de sortie 11 du pont redresseur 2. La branche B1 comprend un interrupteur électronique 12, tandis que la branche B2 comprend un condensateur 13 monté en série avec une bobine formant l'inducteur 14. La bobine 5 et le condensateur 7 constituent le filtre passe-bas 4 qui permet d'éviter le retour vers le secteur de fronts raides de tensions pouvant apparaître dans le circuit oscillant. Comme on le voit à la figure 2, le graphique représente la puissance absorbée en fonction de la tension d'alimentation dans un générateur de l'Art antérieur comme décrit ci-dessus. Ce graphique montre que lorsque la tension d'alimentation varie de 180 V à 270 V la puissance de chauffage induite ne dépasse pas 2 kilowatts lorsqu'on utilise des récipients ayant des diamètres allant de 95 cm à 150 cm. Selon l'invention, la self d'injection de courant est une self saturable et est montée en série avec un ensemble-parallèle formé de deux branches soit une première branche B1 contenant l'interrupteur référencé 12 sur la figure 1 et 21 sur la figure 4 et une deuxième branche B2 contenant un condensateur 13 monté en série avec la bobine de chauffage par induction 14. Ladite self 6 comporte un circuit magnétique qui atteint automatiquement la saturation lorsque son bobinage est parcouru par un courant de valeur prédéterminée. Ce circuit maqnétique comme le montrent les figures 5a et 5b comprend deux pièces identiques 16 en forme de E en ferrite reliées par leur barres latérales respectives 17 tandis que les noyaux centraux respectifs 18 sont séparés par un entrefer de 4 mm. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ladite self 6 est saturable par construction et comporte un bobinage de 46 spires formées de 60 brins de 0,2 mm de diamètre. Ladite self 6 se caractérise par le fait qu'elle comporte un circuit magnétique qui atteint automatiquement la saturation lorsque son bobinage est parcouru par un courant de valeur prédéterminée. L'interrupteur 12 de la branche B1 comme cela est illustré à la figure 1 est un transistor de puissance du type IGBT monté en série avec une diode de puissance 19. La diode 19 permettant l'application d'une tension inverse aux bornes du transistor de puissance lorsque ce dernier est bloqué. Un dispositif de commande a référencé 20 pilote la commutation à haute fréquence du transistor de puissance pendant la phase de résonnance du circuit oscillant, lorsque le courant dans la branche B1 est nul. Ledit dispositif de commande 20 permet également d'éviter la surtension pouvant se développer aux bornes du transistor de puissance. Ainsi grâce à l'invention, lorsque la self 6 est saturable, on obtient un générateur qui permet d'induire une puissance de chauffage qui varie sur une large gamme et dont la valeur ne dépend pas des dimensions du récipient à chauffer. Comme le montre la figure 3, la puissance absorbée, pour différentes tensions d'alimentation variant de 180 V à 270 V est supérieure à 2 kilowatts à l'exception du cas où le diamètre de l'ustensile de cuisine est de 95 cm et la tension d'alimentation est supérieure à 230 V. Dans ce dernier cas, on observe une chute de la puissance absorbée qui est due au fait que l'on atteint la tension limite supportable par l'interrupteur, il s'ensuit alors une régulation automatique de la tension aux bornes de l'interrupteur évitant ainsi sa détérioration. Selon un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 4 dans laquelle les éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes références, l'interrupteur commandé à haute fréquence est un thyristor 21 du type MOS CONTROLLED THYRISTOR (MCT) symétrique en tension. L'utilisation de ce type d'interrupteur permet de supprimer la diode de puissance 19 dans la branche B1. Par ailleurs, ce mode de réalisation permet une amélioration notable du rendement et une réduction de l'encombrement. En effet, la chute de tension totale aux bornes de la branche B1 selon la figure 1 lorsqu'elle contient le transistor de puissance du type IGBT 12 en série avec la diode de puissance 19 est de 6,1 V alors que dans le montage de la figure 4, dans lequel la branche B1 contient uniquement le MOS CONTROLLED THYRISTOR 21, cette chute de tension n'est que de 1,6 V. Il en résulte un gain en puissance d'au moins 3,8. Le générateur selon l'invention permet donc d'obtenir un dispositif simple et peu coûteux qui fonctionne sur une large gamme de puissance et dont la puissance de chauffage ne dépend pas des dimensions du récipient contenant les aliments à chauffer. Ce dispositif permet en outre d'améliorer notablement le coefficient d'utilisation du silicium pour les petites charges. Ceci permet à l'utilisateur d'obtenir une puissance désirée élevée quelle que soit la charge, avec un interrupteur économique. L'invention s'applique également à des générateurs de chauffage par induction destinés à être incorporés à des boîtiers d'appareils tels que par exemple des cuiseurs à vapeur, à riz, des friteuses. Elle s'applique également à des machines industrielles de chauffage par induction destinés au traitement de pièces métalliques. En effet, grâce à la self saturable, on réalise un circuit électronique de faible encombrement et l'on obtient des puissances élevées convenables pour les friteuses, ainsi que des puissances régulées plus basses convenables pour les cuiseurs avec fonction de mijotage ou bien pour les cuiseurs à vapeur. REVENDICATIONS 1. Générateur de courant ondulé destiné à être utilisé dans un appareil de chauffage par induction, comportant un circuit oscillant constitué d'une self d'injection de courant (6), d'un condensateur (13), d'une bobine de chauffage par induction (14) et d'un interrupteur de puissance commandé à haute fréquence (12,21), caractérisé en ce que la self d'injection de courant (6) est du type saturable et est montée en série avec un ensemble-parallèle formé de deux branches soit une première branche B1 contenant l'interrupteur (12,21) et une deuxième branche B2 contenant le condensateur (13) montée en série avec la bobine de chauffage par induction (14). 2. Générateur de courant ondulé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1'interrupteur (12) est un transistor de puissance du type IGBT associé à une diode de puissance (19). 3. Générateur de courant ondulé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur est du type MOS CONTROLLED THYRISTOR (MCT) (21) symétrique en tension. 4. Générateur de courant ondulé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (20) qui commande la commutation à haute fréquence de l'interrupteur de puissance (12,21) lorsque le courant dans la branche B1 est nul. 5. Self d'injection de courant (6) mise en oeuvre dans un générateur de courant ondulé tel que décrit dans l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comporte un circuit magnétique qui atteint automatiquement la saturation lorsque le bobinage de ladite self (6) est parcouru par un courant de valeur prédéterminée. 6. Self d'injection de courant (6) mise en oeuvre dans un générateur de courant ondulé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'elle comporte un circuit magnétique qui atteint automatiquement la saturation pendant la phase de résonance du circuit oscillant. 7. Générateur de courant ondulé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un pont redresseur (2) de tension précédé d'un filtre antiparasite (3) et suivi par un filtre passe-bas (4). 8. Générateur de courant ondulé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est incorporé à des boîtiers d'appareils de cuisson tels que des cuiseurs à vapeur ou à des friteuses.