Brevet FR2725323A3 — publié le 19960405

FR 2725323 A3 19960405 FR 9511441 A 19950929 DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif permettant de commander la puissance d'éléments chauffants tels que des éléments de résistance, des lampes halogènes et autre, plus particulièrement pour des équipements électriques ménagers tels que des plaques de cuisson, des fours et des cuisinières. DESCRIPTION DE L'ART ANTERIEUR II est bien connu que la puissance d'un élément chauffant, plus particulièrement pour des équipements électriques ménagers, peut être commandée en continu par des dispositifs de commutation, plus particulièrement du type connus en tant que convertisseurs de compensation qui produisent une tension de sortie commandable à partir d'une source alternative après redressement et filtrage de la tension alternative relative et en commandant le rapport des temps passant/bloqué d'un commutateur à l'état solide. Le schéma de base d'un tel dispositif est représenté sur la figure 1 sur laquelle un pont redresseur DB et le filtre d'entrée capacitif CF produisent une tension continue Vin à partir d'une source alternative Vac. Le commutateur à l'état solide S, représenté pour faciliter la représentation en tant que commutateur statique, convertit la tension continue Vin au point 1 en une tension impulsionnelle haute fréquence dont la valeur moyenne est inférieure ou égale à Vin. La tension impulsionnelle est ensuite filtrée par le filtre capacitif/inductif LO + CO afin d'obtenir une tension continue aux bornes de l'élément chauffant, ici représenté par l'élément de résistance R1. L'inconvénient essentiel d'un tel dispositif est la production dans le réseau de distribution électrique d'un courant impulsionnel à la fois à une fréquence basse (du fait de l'effet du condensateur d'entrée CF) et à une fréquence haute (fréquence de commutation) du fait de l'action du commutateur S. Ceci signifie que des filtres passifs coûteux et encombrants doivent être connectés dans le réseau de distribution, lesquels, indépendamment de leur coût, réduisent le rendement du processus de conversion. Un agencement de convertisseur de puissance particulier est également connu, lequel permet l'application du même niveau de puissance requis pour l'application particulière mais moyennant une amplitude réduite du courant impulsionnel au niveau de l'entrée sur l'étage de convertisseur. Un tel agencement est largement décrit dans les documents US-A-4 184 197, 4 186 437, 4 257 087, 4 274 133 et 4654 769. En particulier, le document US-A-4 274 133 décrit à la colonne 8 et sur la figure 9C une modification possible de cet agencement qui prévoit une fonction de transfert abaisseuse tandis que la colonne 4 et la figure 7 décrivent un agencement équivalent mais avec des inducteurs couplés. Par souci de complétude, ce dernier cas est reproduit sur la figure annexée 2. Les inducteurs L1 et L2 peuvent être soit couplés soit non couplés ensemble. Cet agencement connu a l'avantage intrinsèque de réduire les interférences électromagnétiques ou parasites d'entrée au niveau de la source de tension et les interférences électromagnétiques ou parasites de sortie au niveau de la charge, essentiellement si les inducteurs L1 et L2 (de la figure 1) sont couplés moyennant un facteur de couplage défini. Cependant, ce convertisseur connu décrit doit se voir appliquer une tension continue pure, telle que représentée par la batterie Vg, c'est-à-dire une tension exempte d'ondulations, ce qui nécessite l'utilisation de filtres davantage coûteux si un pont redresseur est utilisé pour produire la tension continue à partir du secteur. OBJETS ET RESUME DE L'INVENTION Un objet de la présente invention consiste à proposer un agencement particulier permettant de convertir de façon commandable la puissance d'une source alternative en une puissance pour alimenter un élément chauffant, en particulier pour des équipements électriques ménagers, I'agencement étant distingué par une interférence électromagnétique faible dans la source alternative, par un facteur de puissance égal à l'unité, par la simplicité (ce qui signifie un coût faible) et par un rendement élevé, ceci étant particulièrement important lorsque des niveaux de puissance élevés (s'inscrivant dans des plages de plusieurs centaines de watts à quelques kilowatts) sont mis en jeu. Ces objets ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lumière de la description détaillée produite ci-après sont atteints au moyen d'un dispositif de commande tel que décrit. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, on propose un dispositif de commande pour éléments chauffants, plus particulièrement pour une utilisation dans des équipements électriques ménagers tels que des cuisinières, des plaques de cuisson, des fours et similaire, comprenant un commutateur commandé en série avec la charge, un premier condensateur jouant le rôle de filtre en parallèle avec la charge, un second condensateur jouant le rôle de condensateur de roue libre en série, en fonctionnement, avec la charge et avec le condensateur, les deux condensateurs étant connectés en parallèle, et au moins un moyen d'inducteur en série avec la charge, caractérisé en ce que a) le commutateur commandé est un commutateur statique, ce qui fait qu'il peut prendre un état ouvert et un état fermé b) un inducteur est prévu en parallèle avec la charge ou, selon une variante, une section du moyen d'inducteur est en parallèle avec la charge; c) une diode de roue libre est prévue de manière à être connectée entre un noeud entre l'inducteur ou la section et un condensateur de roue libre et un noeud entre la charge et le commutateur statique de telle sorte que lorsque le commutateur statique est dans un premier état, le condensateur de roue libre soit chargé via la diode de roue libre, la charge et l'inducteur et que, lorsqu'il est dans l'autre état, le condensateur soit déchargé via la charge, I'inducteur et le commutateur statique. DESCRIPTION DES DESSINS L'invention apparaîtra de façon plus évidente suite à la lecture de la description détaillée qui suit présentée à titre d'exemple non limitatif de trois modes de réalisation préférés en relation avec les dessins annexés parmi lesquels les figures 1 et 2 représentent respectivement les schémas électriques de deux dispositifs de l'art antérieur qui ont été commentés précédemment; la figure 3 est un schéma de circuit d'une premier mode de réalisation de l'invention la figure 4 est un schéma de circuit d'une second mode de réalisation de l'invention; ; et la figure 5 est un schéma de circuit d'une troisième mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE Par report à la figure 3, Vac indique la source de puissance alternative connectée à un pont redresseur DB dont la tension de sortie continue non filtrée est indiquée par Vin et qui est représentée sous forme de schéma à la fois en tant qu'onde complète (Vin) et en tant que valeur moyenne (Vm). La sortie du pont DB est connectée à un inducteur à noyau de fer L1. En parallèle au pont DB et à l'inducteur L1, il y a un second inducteur à noyau de fer L2 et un condensateur CF et dans une autre branche parallèle, il y a un condensateur C0 et un commutateur statique S. Les deux branches parallèles sont connectées ensemble au niveau d'un point intermédiaire de chacune d'elles par une diode DF. L'élément de charge résistif RL est connecté en parallèle avec le condensateur C0, cet agencement parallèle étant connecté en série avec le commutateur statique S.La tension Vout, également représentée sous forme complète et en tant que valeur moyenne, soit Vm out, à la droite du dessin, est appliquée sur la charge. Le transistor S représente un exemple d'un commutateur statique, au niveau de la base duquel le signal de commande Ton-Toff est appliqué, ceci étant représenté à la droite du schéma et pouvant être obtenu au moyen d'un quelconque circuit de commande connu. L'agencement de la figure 4 diffère de celui de la figure 3 seulement en ce sens que les deux inducteurs sont couplés par le noyau de fer commun et peuvent se présenter sous la forme d'un unique inducteur muni d'une connexion intermédiaire. En outre, on peut prévoir une partie supplémentaire du circuit, tel que représenté sur la figure 5, afin d'améliorer les performances du dispositif. Les éléments de circuit tels qu'un inducteur LR en série avec un commutateur statique supplémentaire SR sont une branche parallèle supplémentaire du commutateur statique S. Une seconde branche est parallèle à la diode de roue libre DF, laquelle est constituée par une diode D2 en série avec un condensateur CR. Les deux branches supplémentaires sont connectées ensemble au niveau d'un point intermédiaire se chacune d'elles par une diode D1. Dans tous les cas, la source alternative Vac (de préférence la tension du secteur) est redressée par le pont DB. La tension Vin est dans un état redressé après le pont mais elle n'est pas lissée et elle présente une valeur moyenne de 2/x fois la valeur de tension maximum de la source alternative. La tension Vout appliquée sur la charge RL est également une tension continue redressée mais non lissée (comme représenté par les schémas afférents de la figure 3) mais sa valeur moyenne est inférieure ou au plus égale à la valeur moyenne de Vin (c'est-à-dire Vin m) en fonction du rapport des temps passant/bloqué du commutateur statique S, lequel est représenté en tant que transistor (voir schéma à la droite du commutateur S sur la figure 3). De cette manière, en commandant le rapport des temps passant/bloqué du commutateur S, la tension aux bornes de l'élément chauffant RL peut être commandée, cette tension variant de zéro à Vin.La puissance appliquée à RL est par conséquent commandée entre 0 et le carré de la valeur efficace de Vin divisé par RL. Le courant impulsionnel produit par la commutation du commutateur statique S est filtré par les deux inducteurs L1 et L2 qui peuvent également être couplés (figure 4) afin de réduire davantage l'ondulation. II est à noter que le courant dans la charge RL est impulsionnel mais que ceci ne constitue pas un problème étant donné la nature résistive de la charge. Quel que soit le cas, en choisissant de façon appropriée la valeur du condensateur de lissage C0, la pulsation du courant dans la charge peut être réduite à un niveau acceptable. Le facteur d'utilisation (rapport des temps passant/bloqué) du commutateur S est maintenu constant comme l'est la fréquence de commutation pour chaque niveau de puissance souhaitée appliqué sur la charge RL. De cette manière, le courant qui circule dans la source Vac (c'est-à-dire dans le secteur alternatif qui alimente le convertisseur) sera sinusoïdal du fait que compte tenu d'un facteur d'utilisation constant, le convertisseur se comporte en tant qu'impédance fixe (pratiquement en tant que résistance) aux yeux de la source alternative Vac, d'où la production d'un facteur de puissance pratiquement égal à l'unité. Le dispositif est d'une configuration simple en ce sens qu'il nécessite seulement un commutateur statique S (qui peut être un transistor, un MOS de puissance ou autre), une diode de roue libre (DF), deux petits condensateurs (C0 et CF) et deux inducteurs (qui peuvent être réduits dans la pratique à un seul en étant couplés ensemble et en prévoyant une connexion intermédiaire simple). En tant que résultat, il est d'une construction de coût faible et il s'ensuit qu'il convient particulièrement pour une utilisation dans des équipements électriques ménagers. II est à noter qu'en choisissant de façon appropriée les valeurs pour le condensateur CF et les inducteurs L1 et L2, il est possible de faire en sorte que S devienne passant et que la diode de roue libre DF devienne bloquée en correspondance pour le passage du courant de zéro. Ceci signifie que des pertes de commutation dans les commutateurs à semiconducteur sont fortement réduites. Selon une variante, une réduction supplémentaire des pertes de commutation générant le courant impulsionnel sur le réseau du secteur peut être obtenue via l'agencement de la figure 5. Selon la configuration, le commutateur statique supplémentaire SR est commuté à l'état passant avant que le commutateur statique S ne soit commuté à l'état passant et il est maintenu à l'état passant pendant une courte durée supplémentaire puis il est commuté à l'état bloqué. Ensuite, le commutateur statique S est commuté à l'état bloqué conformément à l'exigence de puissance et il s'ensuit que le courant de la diode de roue libre DF et que la charge du condensateur parasite relatif au commutateur statique S sont réduits à zéro avant que le commutateur statique S ne soit activé. Le résultat final des configurations proposées est une somme des bénéfices aboutissant à une simplicité globale, à un rendement très élevé, à un facteur de puissance égal à l'unité et à une interférence électromagnétique réduite dans la source de puissance alternative. Comme déjà mentionné, le circuit permet de se passer de valeurs de condensateur importantes au niveau de la sortie du pont redresseur et permet d'obtenir un facteur de puissance égal à l'unité pour un facteur d'utilisation constant. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande pour éléments chauffants, plus particulièrement pour une utilisation dans des équipements électriques ménagers tels que des cuisinières, des plaques de cuisson, des fours et similaire, comprenant un commutateur commandé (S) en série avec la charge (RL), un premier condensateur (C0) jouant le rôle de filtre en parallèle avec la charge (RL), un second condensateur (CF) jouant le rôle de condensateur de roue libre en série, en fonctionnement, avec la charge (RL) et avec le condensateur (C0), les deux condensateurs étant connectés en parallèle, et au moins un moyen d'inducteur (L1, L2) en série avec la charge (RL), caractérisé en ce que:: a) le commutateur commandé (S) est un commutateur statique, ce qui fait qu'il peut prendre un état ouvert et un état fermé b) un inducteur (L2) est prévu en parallèle avec la charge ou, selon une variante, une section (L2) du moyen d'inducteur (L1, L2) est en parallèle avec la charge c) une diode de roue libre (DF) est prévue de manière à être connectée entre un noeud entre l'inducteur ou la section (L2) et un condensateur de roue libre (CF) et un noeud entre la charge (RL) et le commutateur statique (S) de telle sorte que lorsque le commutateur statique (S) est dans un premier état, le condensateur de roue libre (CF) soit chargé via la diode de roue libre (DF), la charge (RL) et l'inducteur (L1) et que, lorsqu'il est dans l'autre état, le condensateur (CF) soit déchargé via la charge (RL), I'inducteur (L2) et le commutateur statique (S). 2. Dispositif de commande pour éléments chauffants selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une première branche supplémentaire constituée par un inducteur (LR) en série avec un commutateur statique supplémentaire (SR) qui peut prendre un état ouvert ou un état fermé, ledit inducteur (LR) et ledit commutateur statique (SR) étant en parallèle avec le commutateur statique commandé (S), et une seconde branche supplémentaire constituée par une diode (D2) en série avec un condensateur (CR) et en parallèle avec la diode de roue libre (DF), en ce que les deux branches sont connectées ensemble au niveau d'un noeud intermédiaire de chacune par une diode (D1); et en ce que le commutateur statique (SR) est commuté à l'état passant avant que le commutateur statique (S) ne soit commuté à l'état passant et tandis que le commutateur statique (SR) est encore maintenu à l'état passant puis est commuté à l'état bloqué, suite à quoi le commutateur statique (S) est commuté à l'état bloqué de telle sorte que le courant de la diode de roue libre (DF) et que la charge du condensateur parasite relatif au commutateur statique (S) soient réduits à zéro avant que le commutateur statique (S) ne soit activé.