Brevet FR2839604A1 — publié le 20031114

La presente invention concerne un module de cuisson elec trique a induction comprenant deux inducteurs alimentes chacun par un generateur (onduleur) recevant le courant redresse du reseau electrique. L'invention concerne egalement un procede de commande s 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 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 vingtaine de kHz, avec les technologies d'inducteurs ac o tuelles cites a pancake >. Le reglage de la puissance fournie a l'inducteur s'opere 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 appara^tre, du fait du couplage electrique des deux onduleurs par une ligne d'alimentation con tinue unique, des phenomenes de battement en frequence extremement genant pour l'utilisateur et qui doivent etre elimines. Deux techniques d'association et de commande vent princi palement mises en ceuvre anjourdthui: - la premiere con siste a decoupler electriquement le s deux generateurs (onduleurs) a ['aide de filtres passifs (inductances et condensateurs), - la seconde est une option de commande qui conduit a faire fonctionner 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. Il 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 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. o A cet effet ['invention concerne un module de cuisson par induction du type defmi ci-dessus caracterise en ce que - chaque inducteur est forme de deux bobinages independents, - chaque generateur est forme de deux bras d'onduleurs, * les deux bras d'un meme generateur etant associes aux deux bobi nages du meme inducteur, * chaque bras est muni d'un moyen de commutation, pour le relier directement a l'alimentation (etat direct) ou pour le relier en pont a l'autre bras du meme generateur (etat poet) * les moyens de commutation des deux inducteurs etant couples so pour ne pas prendre le meme etat en meme temps. Ainsi chaque foyer du modele de cuisson comporte un in ducteur constitue de deux bobinages independents. Cette formule peut etre generalisee comme cela sera indique ci-apres et l'on peut envisager de diviser ['inductance d'un foyer en un s5 nombre pair de bobinages independents commandes chaque fois par un bras d'onduleur. 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 du commutateur de commande associe a chaque demi on duleur (bras d'onduleur). Sur le plan industrial cela se traduit par une s economic considerable tent par le cout des composants que pour la fabri cation et le stockage. Malgre cela tout foyer peut fonctionner a la puis sance maximale. Suivant une autre caracteristique interessante les moyens de commutation vent commandes de la meme maniere dans une premiere io position de commutation, les bras de l'onduleur d'un foyer etant relies di rectement a l'alimentation et les bras de l'autre foyer vent montes en pont entre l'alimentation. Suivant une autre caracteristique interessante l'alimentation est commandee en phase ou en opposition de phase. Suivant une autre caracteristique interessante les bras d'un onduleur vent realises par un meme circuit comprenant le condensateur de resonance, le commutateur de mode et le commutateur de commande ainsi que les protections (diode, condensateur) et une resistance de pas sage. Dessins La presente invention sera decrite ci-apres a ['aide d'un exemple de realisation represente dans les dessins annexes ainsi que des schemes expliquant l'art anterieur. - La figure 1A est un schema d'un module de cuisson par induction a 2s deLx foyers selon l'art anterieur. - la figure 1B est un schema d'un generateur elementaire associe a l'un des inducteurs des foyers de la figure 1, - la figure 2 est un diagramme montrant l'alternance de la commande de s 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 du bras d'onduleur, - la figure 5 montre l'etat de branchement en pont de deux bras ss d'onduleurs, - la figure 6 represente la commande de l'alimentation des inducteurs 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 est un schema de la commande des bras de generateurs soit en phase soit en opposition de phase. s Description des modes de realisation Selon la figure 1, l'inducteur du module de cuisson est divi se en deux parties independantes dont l'une INDi est represente. Cet in ducteur INDi est relic par une borne aux composants de commande Tdi qui reOcoit le signal de commande S. Ce composant de commande comporte o en parallele un condensateur et une diode non references. L'autre borne de ['inductance est reliee au condensateur de riesonance Ci. En aval du condensateur Ci, le montage comporte un commutateur RLi qui, en posi tion S 1 relic directement l'inducteur a l'alimentation et en position S2 relic le bras de l'onduleur a la sortie S2 c'est-a-dire a la sortie homologue S2 du ts commutateur de l'inducteur associe au meme foyer. I1 s'agit alors d'un montage en pont entre les deux alimentations et le fonctionnement de ce montage depend de la difference des tensions d'alimentation. La figure 4 montre le premier cas de branchement direct d'un inducteur ID 1 qui peut alors recevoir toute la puissance disponible. La figure 5 montre le cas du branchement en pont de deux bras d'onduleur, associes aux deux parties ID 1, ID 1' d'un meme inducteur. Le chronogramme de la figure 6 repre sente la commande des tensions VA, VB soit en phase soit en position de phase concerne surtout le fonctionnement du branchement des bras d'onduleur en poet. Pour une commande en phase les bornes du montage 2s en pont regoivent la meme tension de sorte que le pont n'est traverse par aucun courant. Les inducteurs ID 1, ID 1' ne fournissent alors aucune energie de chauffage. Pour une commande en opposition de phase l'alimentation en pont sera continue (VA). La combinaison d'un bras d'onduleur a une partie d'inducteur d'un foyer permet de realiser un module de cuisson a deux foyers parfaitement symetrique ce qui est tres interessant pour la realisa tion pratique car le composant de puissance commandant le fonctionne ment du bras peut etre dimensionne de moitie de la puissance maximale d'un foyer puisque l'autre moitie de la puissance est fournie par l'autre bras de l'onduleur associe au meme foyer mais a son autre inducteur. 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 foyers ayant chacun deux inducteurs IND1, IND1', IND2, IND2' et les bras d'onduleur installes sur ce montage parfaitement syme- trique permettent de fournir toute la puissance a un quelconque des foyers. Selon la figure 7, chaque inducteur d'un foyer est divise en deux inducteurs aux bobinages IND1, IND1', 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 parallele aux condensateurs de resonance on a une resistance R pour permettre to d'initialiser correctement les tensions aux bornes du condensateur. Enfin la commande des bras d'onduleur est associee par les composants de commande TD1, TD1', TD2, TD2'. Le changement de mode de fonctionne- ment par le s relais ne se fait que lorsque le s onduleurs vent inactifs c'e st- a-dire bloques. Les deux positions de fonctionnement possible vent don- nees ci-apres: - RL1, RL1' en position 1, RL2, RL2' en position 2: chaque partie de l'inducteur 1 est alimentee independamment par chacun des bras a travers les condensateurs de resonance C1 et C1', tandis que les deux parties de l'inducteur 2, en serie avec C2 et C2', vent alimentees si o multanement par la structure en pont constituee des deux bras. La fi gure 8 fait apparatre plus precisement cette premiere configuration. - RL2, RL2' en position 1, RL1, RL1' en position 2: inversement, chaque partie de l'inducteur 2 est maintenant alimentee independamment par chacun des bras a travers les condensateurs de resonance C2 et C2', :5 tandis que les deux parties de l'inducteur 1, en serie avec C1 et C1' vent alimentees simultanement par la structure en pont constituee des deux bras. A partir de ces configurations de l'etage de puissance, c'est la commande qui permet ensuite d'obtenir les differents modes de fonc o tionnement desires. Pour cela, on definit tout d'abord la notion de matre et d'esclave. L'ensemble inducteur-generateur matre est celui sur lequel l'utilisateur demande la puissance la plus elevee. I1 est place dans la con figuration ou les deux parties vent alimentees independamment (induc teur 1 sur la figure 7). s5 La commande des deux bras s'opere alors de la fagon sui vante: la frequence de commande est la meme (commande synchrone) pour les deux bras et 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 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 constitue des deux bras, done par la tension VA - VB. En opposition de to 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 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 lequel o 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 simultanement, 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 le courant re dresse du reseau electrique, s caracterise en ce que - chaque inducteur (I1, I2) est forme de deux bobinages independents (IND1, INDi, IND2, IND21, - chaque generateur est forme de deux bras d'onduleurs, * les deux bras (G1, G1', G2, G2') d'un meme generateur etant o associes aux deux bobinages (IND1, IND1', IND2, IND2] du meme inducteur (I1, I2), * chaque bras est muni d'un moyen de commutation (RL1, RL2') pour le relier directement a l'alimentation (etat direct) ou pour le relier en pont a l'autre bras du meme generateur (etat poet) * les moyens de commutation des deux inducteurs (I1, I2) etant cou ples pour ne pas prendre le meme etat en meme temps. 2 ) Module de cuisson electrique selon la revendication 1, caracterise en ce que les moyens de commutation (RL1, RL1' et RL2, RL21 vent commandes de la meme maniere dans une premiere position de commutation, les bras de l'onduleur d'un foyer etant relies directement a l'alimentation (VA, VB) et les bras de l'autre foyer vent montes en pont entre l'alimentation (VA, VB). 2s 3 ) Module de cuisson electrique selon la revendication 1, caracterise en ce que l'alimentation est commandee en phase ou en opposition de phase. 4 ) Module de cuisson electrique selon la revendication 1, caracterise en ce que les bras d'un onduleur (G1, G1', G2, G23 vent realises par un meme cir cuit comprenant le condensateur de resonance, le commutateur de mode et le commutateur de commande ainsi que les protections (diode, conden sateur) et une resistance de passage. 3s ) Module de cuisson electrique selon la revendication, caracterise en ce que