Brevet FR2839605A1 — publié le 20031114

les inducteurs du foyer vent constitues par 2n bobinages. La presente invention concerne un module de cuisson elec- trique a induction comprenant deux inducteurs alimentes chacun par un generateur (onduleur) recevant la tension redresse du reseau electrique. I>'invention concerne egalement un procede de commande d'un tel module. Etat de l'art- Solutions actuelles Les systemes de cuisson par induction a plusieurs foyers (2 ou 4) presents sur le marche grand public utilisent, pour la plupart, ['architecture de la figure 1A. o Le module elementaire est constitue de deux inducteurs I1, I2 et de deux generateurs G1, G2, chacun de ces generateurs alimentant un inducteur et un seul. Pour une plaque de cuisson a 4 foyers, on utilise deux modules. Sur les reseaux monophases dont les tensions vent supe rieures a 200 V (Europe), le generateur electronique indeniablement le s plus approprie a ['application est l'onduleur a resonance G de la figure 1B. La resonance est introduite en associant a l'inducteur, de caractere natu rellement inductif, des condensateurs, C1 et C2, classiquement de quel ques centaines de nF, pour aboutir a une frequence de fonctionnement nominale d'une vingiaine de kHz, avec les technologies dtinducteurs ac o tuelles cites pancake,'. Le reglage de la puissance fournie a l'inducteur stopere par variation de la frequence de commande de l'onduleur. Un probleme important apparat lorsque l'on veut realiser le module comportant deux inducteurs et deux generateurs. Les puissances delivrees par les deux foyers doivent pouvoir etre reglees independam s meet. Si l'on applique simultanement des frequences de commande dis tinctes aux deux parties de ce module, on fait apparatre, du fait du couplage electrique des deux onduleurs par une ligne d'alimentation continue unique, des phenomenes de battement en frequence extreme ment genant pour l'utilisateur et qui doivent etre elimines. Deux techniques d'association et de commande vent princi palement mises en ceuvre anjourd'hui: - la premire consiste a decoupler electriquement les deux generateurs (onduleurs) a ['aide de fltres passifs (inductances et condensateurs), - la seconde est une option de commande qui conduit a faire fonctionner s en alternance les deux generateurs a des frequences de quelques Hz (figure 2) en synchronisme avec la tension secteur redressee qui ali mente classiquement les generateurs. I1 existe done deux frequences dans le systeme, la frequence de fonctionnement propre des onduleurs (>20kHz) et la frequence a laquelle on autorise cycliquement ce fonc tionnement. La figure 2 montre dans la ligne du haut la tension appli quee au generateur G1 et dans la ligne du teas la tension appliquee au ge s nerateur G2. Si l'on envisage l'exemple typique d'un module a deux foyers connecte sur une prise normalisee 230V-16A, on peut theoriquement dis poser d'une puissance totale de 3,7kW. Parallelement, pour beneficier de performances de cuisson elevees, la tendance est de permettre o ['attribution quasi complete de cette puissance a un senl foyer (3kW). Les techniques precedentes necessitent alors l'utilisation de deux onduleurs de 3kW, soit une electronique installee d'une puissance globale de 6kW, a comparer a la puissance maximale de 3,7kW gerable par le module. Expose de ['invention s La presente invention a pour but de developper un module de cuisson electrique a induction du type correspondent ci-dessus, per mettant de mieux utiliser ltelectronique et surtout de pouvoir disposer au choix sur l'un ou l'autre des deux foyers dans le cas d'un module a deux foyers, la puissance maximale disponible. A cet effet ['invention concerne un module de cuisson par induction du type defni ci-dessus caracterise en ce que - chaque inducteur est forme de deux bobinages independents, - chaque generateur est forme de deux bras, * formes chacun de deux interrupteurs electroniques montes en serie 2s entre les deux bornes d'alimentation du reseau et le point de jonction des deux interrupteurs electroniques est un point de branchement relic a un bobinage de chacun des deux inducteurs, * a chaque bobinage est associe un condensateur de resonance place en serie formant un ensemble dont o. l'une des deux bornes est connectee a l'un des bras et l'autre borne est connectee a un moyen de commutation pour etre reliee directement a l'une des bornes de l'alimentation (etat direct) ou a la borne homologue de l'autre ensemble du meme inducteur (etat poet), s. les moyens de commutation des deux inducteurs vent couples pour ne pas prendre le meme etat en meme temps Le montage du module de cuisson selon ['invention est parfaitement symetrique a un double titre d'abord au niveau de chaque foyer et entre les deux foyers. Cela permet d'une part de realiser des cir- cuits totalement identiques et interchangeables et d'autre part cela reduit la puissance des deux interrupteurs electroniques associe a chaque bras d'onduleur. Sur le plan industrial cela se traduit par une economic consi s derable tent par le cout des composants que pour la fabrication et le stoc- kage. Malgre cela tout foyer peut fonctionner a la puissance maximale. Suivant une autre caracteristique interessante ? les moyens de commutation des deux bobinages d'un meme inducteur vent comman- des de la meme maniere, les bobinages (et leur condensateurs de reso to nance) d'un foyer etant relies directement a l'une des bornes de l'alimentation et les bobinages (et leur condensateurs de resonance) de l'autre foyer etant montes en pont entre les deux bras d'un meme genera- teur. Suivant une autre caracteristique interessante les deux bras d'un meme generateur vent commandee en phase ou en opposition de phase. Suivant une autre caracteristique interessante, le moyen de commutation est muni d'une resistance de passage. Dans ce montage, chaque interrupteur electronique est muni d'une diode anti-parallele et d'un condensateur d'aide a la commu- tation. Dans le module de cuisson, les moyens de commutation vent commandes de la meme maniere, les deux bobinages associes a leur condensateur de resonance d'un foyer etant chacun relic directement a 2s l'une des deux bornes de l'alimentation et les deux bobinages associes a leur condensateur de resonance de l'autre foyer etant montes en serie en- tre les deux bras (etat poet). D'une maniere particulierement avantageuse, les deux bras d'un meme generateur vent commandes a la meme frequence en phase ou en opposition de phase. Suivant une autre caracteristique, le reglage de la puis- sance du foyer dans ltetat direct est effectue par le reglage de la frequence de decoupage et le reglage du foyer dans l'etat pont est effectue par le re- glage des durees respectives des commandes en phase ou en opposition de 3s phase. Pour le fonctionnement, l'etat totalement inactif d'un foyer, l'autre etant en fonctionnement, est realise en le placO ant dans l'etat pont et en maintenant en permanence la commande en phase. Enfin de facOon generale, les inducteurs d'un foyer peuvent etre constitues par 2n bobinages. Dessins La presente invention sera decrite ci-apres a ['aide d'un s exemple de realisation represente dans les dessins annexes ainsi que des schemes expliquant l'art anterieur. - La figure lA est un schema d'un module de cuisson par induction a deux foyers selon l'art anterieur, - la figure 1B est un schema d'un generateur elementaire associe a l'un o des inducteurs des foyers de la figure 1, la figure 2 est un diagramme montrant l'alternance de la commande des deux generateurs du module de cuisson de la figure 1 selon l'art anterieur, la figure 3 montre le schema d'un bras d'onduleur associe a un induc teur, - la figure 4 montre l'etat de branchement direct d'un bobinage et de son condensateur de resonance, - la figure 5 montre l'etat de branchement en pont de deux bobinages d'un meme inducteur et de leur condensateur de resonance, o - la figure 6 represente la commande des bras en phase et en opposition de phase, - la figure 7 est un schema d'un module de cuisson a deux foyers selon un exemple de realisation de ['invention, - la figure 8 represente l'une des confgurations du schema de realisation de la figure 7 dans laquelle l'inducteur I1 est dans l'etat direct et l'in ducteur I2 est dans l'etat poet. Description des modes de realisation Selon la fgure 3, l'inducteur (I1, I2) du module de cuisson est divise en deux bobinages independents dont l'un INDl est represente. Ce bobinage IND1 est relic par une borne aux interrupteurs electroniques T1 et T2 d'un des deux bras qui recolvent les signaux de commande S1 et S2. Ces interrupteurs electroniques comportent en parallele un conden sateur et une diode non references. L'autre borne du bobinage est reliee en serie au condensateur de resonance C1. En aval du condensateur C1, s le montage comporte un commutateur RL1 qui, en position P1 relic direc tement ['ensemble constitue du bobinage IND1 et du condensateur de re sonance C1 a l'une des bornes de l'alimentation; en position P2 il relic ce meme ensemble a la sortie P2 homologue du commutateur de l'autre bo binage associe au meme foyer. I1 stagit alors d'un montage en pont et le fonctionnement de ce montage depend de la difference des tensions deli vrees par chacun des deux bras du generateur. De facon generale, en utilisant une ecriture avec l'indice i, s chaque inducteur (Ii) est forme de deux bobinages independents 1INDi, INDi') et chaque generateur est forme de deux bras (Bi, Bi+l). Les bras Bi vent formes chacun de deux interrupteurs electroniques (Tli, T2i) montes en serie entre les deux bornes d'alimentation (L1, L2) du reseau et le point de jonction (Ai) des deux in o terrupteurs electroniques est un point de branchement relic a un bobi nage (IND1) et (IND2) (respectivement IND1' et IND2') de chacun des deu: inducteurs (I1, I2). A chaque bobinage (INDi) est associe un condensateur de resonance (Ci) place en serie formant un ensemble dont s. l'une des deux bornes est connectee a l'un des bras (Bi) et l'autre borne est connectee a un moyen de commutation (Rli) pour etre reliee directement a l'une des bornes de l'alimentation (etat di rect) ou a la borne homologue de l'autre ensemble du meme induc teur (etat poet). o Enfin, les moyens de commutation (Rli) des deux induc teurs (I1, I2) vent couples pour ne pas prendre le meme etat en meme temps. La figure 4 montre le premier cas de branchement direct du bobinage IND 1 qui peut alors recevoir toute la puissance disponible. 2s La figure 5 montre le cas du branchement en pont de deu: bras d'onduleur B1 et B2, associes aux deux bobinages IND1, IND1' du meme inducteur I1 et a leur condensateur de resonance. Le chronogramme de la figure 6 represente la commande des tensions VA, VB soit en phase soit en opposition de phase qui concerne surtout le fonctionnement de l'inducteur monte en poet. Pour une commande en phase les bornes de ltensemble constitue des deux bo binages et des deux condensateurs de resonance connectes en pont recOoivent les memes tensions VA et VB de sorte que la difference de ces deux tensions appliquee a ['ensemble est nulle et qu'il n'est traverse par s aucun courant. Les bobinages IND1, IND1' ne fournissent alors aucune energie au recipient Pour une commande en opposition de phase, la difference des deux tensions appliquee a ['ensemble est une tension alternative a la frequence du signal de commande S (typiquement qques lOkHz) et les bo binages IND1 et IND1' peuvent fournir de l'energie au recipient La combinaison d'un bras d'onduleur et d'un bobinage d'un foyer permet de realiser un module de cuisson a deux foyers parfaitement s symetriques ce qui est tres interessant pour la realisation pratique car les interrupteurs electroniques du bras peuvent etre dimensionnes pour la moitie de la puissance maximale d'un foyer puisque l'autre moitie de la puissance est fournie par l'autre bras du generateur associe a l'autre bo binage du meme inducteur. o Le principe decrit ci-dessus peut se generaliser a la division de l'inducteur d'un foyer en 2n bobinages independents. La figure 7 montre le circuit d'un module selon ['invention compose de deux inducteurs ayant chacun deux bobinages (IND1, IND1') et, (IND2, IND2') et les bras d'onduleur B1 et B2 installes sur ce montage parfaitement symetrique permettent de fournir toute la puissance a un quelconque des inducteurs. Selon la figure 7, chaque inducteur d'un foyer est divise en deux bobinages (IND1, IND1') et (IND2, IND2') et un bras d'onduleur qui leur est respectivement associe. Dans cet exemple les commutateurs vent des relais electromecaniques RL1, RL1', RL2, RL2'. En o parallele aux condensateurs de resonance, on a une resistance R pour permettre d'initialiser correctement les tensions aux bornes du condensa teur lors des changements d'etat des relais. Le changement de mode de fonctionnement par les relais ne se faire que lorsque les onduleurs vent inactifs c'est-a-dire lorsque les signaux de commande S1, S1', S2, S2' des interrupteurs electroniques vent bloques. Les deux positions de fonction nement possible vent donnees ci-apres: - RL1, RL1' en position (P1), RL2, RL2' en position (P2) chaque bobinage de l'inducteur 1 est alimente independamment par chacun des bras a travers les condensateurs de resonance C1 et C1', tandis que les deux o bobinages de l'inducteur 2, en serie avec C2 et C2', vent alimentes si multanement par la structure en pont constituee des deux bras. La f- gure 8 fait apparatre plus precisement cette premiere confguration. - RL2, RL2' en position (P1), RL1, RLl' en position (P2): inversement, chaque bobinage de l'inducteur 2 est maintenant alimente indepen as damment par chacun des bras a travers les condensateurs de reso nance C2 et C2', tandis que les deux bobinages de l'inducteur 1, en serie avec C1 et C1' vent alimentes simultanement par la structure en pont constituee des deux bras. A partir de ces configurations de l'etage de puissance, la commande permet ensuite d'obtenir les differents modes de fonctionne ment desires. Pour cela, on definit tout d'abord la notion de matre et d'esclave. L'ensemble inducteur-generateur matre est celui sur lequel s l'utilisateur demande la puissance la plus elevee. I1 est place dans la configuration ou les deux parties vent alimentees independamment (in ducteur 1 sur la figure 7). La commande des deux bras s'opere alors de la facOon sui vante: la frequence des signaux de commande Si est la meme (commande o synchrone) pour les deux bras et elle est reglee en fonction de la puissance desiree sur l'inducteur matre. Par contre, les deux bras peuvent etre commandes soit en phase soit en opposition de phase (figure 6), a l'echelle de la frequence de decoupage (>20kHz). A frequence donnee, la puissance fournie a l'inducteur s matre est independante du mode en phase ou en opposition de phase, chaque bobinage etant alimente independamment par un bras (tensions VA et VB). Dans le cas de l'inducteur esclave, ses deux bobinages en serie avec les condensateurs de resonance vent alimentes par le pont o constitue des deux bras, done par la tension VA - VB. En opposition de phase, cette tension sera un creneau d'amplitude egale a la tension d'alimentation continue des bras et de frequence egale a la frequence im posee par le matre. En phase, la tension VA - VB sera nulle. I1 suffit alors d'alterner, sur quelques periodes du reseau alternatif, le mode en phase et :5 le mode en opposition de phase pour regler la puissance sur l'inducteur esclave. A la limite, si l'on veut totalement arreter ce dernier, on maintient en permanence le mode en phase. En resume, la puissance sur l'inducteur matre est reglee par la frequence de decoupage des bras d'onduleur, la puissance sur l'inducteur esclave par le choix du nombre de periodes reseau sur loquel on autorise le mode en opposition de phase. Cette technique presente deux avantages principaux: - l'electronique (constituee des deux bras) est globalement dimensionnee pour la puissance totale susceptible d'etre fournie aux deux inducteurs sirnultanement, soit 3,7kW, il existe une seule frequence de commande du systeme, ce qui elimine tout risque de battement de frequence. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Module de cuisson electrique a induction comprenant deux inducteurs alimentes chacun par un generateur (onduleur) recevant la tension re dressee du reseau electrique, s caracterise en ce que - chaque inducteur (I1, I2) est forme de deux bobinages independents (IND1, IND1') et (IND2, IND2'), - chaque generateur est forme de deux bras (Bl7 B2), * formes chacun de deux interrupteurs electroniques (Tli, T2i) montes o en serie entre les deux bornes d'alimentation (L1, L2) du reseau et le point de jonction (Ai) des deux interrupteurs electroniques est un point de branchement relic a un bobinage (IND1) et (IND2) (respecti vement IND1' et IND2') de chacun des deux inducteurs (I1, I2), * a chaque bobinage (INDi) est associe un condensateur de resonance s (Ci) place en serie formant un ensemble dont l'une des deux bornes est connectee a l'un des bras (Bi) et l'autre borne est connectee a un moyen de commutation (Rli) pour etre reliee directement a l'une des bornes de l'alimentation (etat di rect) ou a la borne homologue de l'autre ensemble du meme induc teur (etat poet), les moyens de commutation (Rli) des deux inducteurs (I1, I2) vent couples pour ne pas prendre le meme etat en meme temps. 2 ) Module de cuisson electrique selon la revendication 1, 2s caracterise en ce que le moyen de commutation (Rli) est muni d'une resistance de passage. 3 ) Module de cuisson electrique selon la revendication 1, caracterise en ce que chaque interrupteur electronique (Tli, T2i) est muni d'une diode anti parallele et d'un condensateur d'aide a la commutation. 4 ) Module de cuisson electrique selon la revendication 1, caracterise en ce que 3s les moyens de commutation (RL1, RL1' respectivement RL2, RL2') vent commandes de la meme maniere, les deux bobinages associes a leur condensateur de resonance d'un foyer etant chacun relic directement a l'une des deux bornes de l'alimentation et les deux bobinages associes a leur condensateur de resonance de l'autre foyer etant mantes en serie en- tre les deux bras (etat poet). ) Module de cuisson electrique selon la revendication 1, caracterise en ce que les deux bras (Bi) d'un meme generateur vent commandes a la meme fre- quence en phase ou en opposition de phase. 6 ) Module de cuisson electrique selon la revendication 1, o caracterise en ce que les inducteurs du foyer vent constitues par 2n bobinages.