Brevet FR2875370A1 — publié le 20060317

DESCRIPTION L'invention concerne un procédé et un dispositif d'excitation pour réchauffer des repas et/ou de l'eau dans les avions à l'aide d'un chauffage par induction, dans lequel au moins un circuit de charge présentant un inducteur est excité par une tension alternative de circuit de charge et/ou un courant alternatif de circuit de charge. Dans le chauffage par induction, un inducteur est excité en oscillations dans la gamme des moyennes fréquences. Il est connu d'intégrer cet inducteur à l'aide d'une capacité supplémentaire dans ce que l'on appelle un circuit oscillant de charge qui est excité par un onduleur, p. ex. par application d'impulsions de tension proches de la fréquence de résonance du circuit oscillant au moyen d'un circuit en pont, d'un circuit en demipont ou d'un seul commutateur. Pour ce faire, on redresse habituellement une tension de réseau, p. ex. une tension alternative monophasée ou polyphasée, on la lisse et on amène la tension continue à un onduleur qui excite le circuit oscillant de charge. Ce dispositif génère néanmoins une forte proportion d'harmoniques dans le courant au raccordement au réseau. En l'occurrence, les harmoniques sont produites essentiellement par le redressement et le lissage de la tension redressée et moins par l'onduleur. Les composantes qui sont produites par l'onduleur sont en outre très faciles à filtrer étant donné que celui-ci fonctionne le plus souvent à des fréquences nettement plus élevées de quelques kHz à quelques MHz que la tension de réseau. Pour éviter cet inconvénient, on intercale dans l'état de la technique soit des circuits de filtrage, soit des circuits de correction du facteur de puissance (PFC, Power Factor Correction). Ces deux circuits sont d'une part très coûteux, d'autre part très lourds, car ils ont besoin de grandes inductances. Ils prennent en outre beaucoup de place. On connaît des fours à induction pour les avions p. ex. de DE 198 18 831 Al. Les dispositifs d'excitation pour de tels fours doivent être légers et ont des limitations très strictes en ce qui concerne les harmoniques. La tension de réseau dans les avions est de 200 volts de phase à phase, mesuré sur un système triphasé qui travaille à une fréquence de p. ex. 400 Hz. Dans cette gamme, les circuits PFC ne fonctionnent qu'avec des inductances de fabrication spéciale et donc relativement chères et de plus lourdes. Un élément de filtrage passif exigerait des inductances encore plus coûteuses (taille, poids et prix). A l'avenir, il est prévu dans les avions des tensions de fréquence non régulée (jusqu'à 800 Hz), ce qui rend l'utilisation de circuits PFC encore plus compliquée. Le poids et le prix des dispositifs d'excitation 15 augmentent également. Un dispositif d'excitation selon l'état de la technique est représenté sur la fig. 3. La tension de chaque phase Pl, P2, P3 est redressée par rapport au conducteur neutre N au moyen de chaque fois un seul redresseur en pont 11, 21, 31. Les tensions continues ainsi générées sont amenées à un convertisseur flyback 13, 23, 33 qui est commandé par un contrôleur PFC 12, 22, 32. Ce contrôleur PFC 12, 22, 32 a pour but de tirer un courant le plus sinusoïdal possible du raccordement au réseau et donc de minimiser les composantes harmoniques qui agissent sur le réseau. Les tensions alternatives de sortie du convertisseur flyback 13, 23, 33 sont de nouveau redressées individuellement au moyen de redresseurs 14, 24, 34 et ensuite amenées à une tension de circuit intermédiaire commune U4. La tension de circuit intermédiaire U4 est réglable par la commande des convertisseurs flyback 13, 23, 33. C'est ainsi qu'est réalisée la commande de puissance des circuits oscillants de charge. A la tension de circuit intermédiaire est relié un onduleur commun 41 qui alimente les circuits oscillants de charge en énergie. Une ou plusieurs capacités 43 et les inducteurs 15, 25, 35 pour le chauffage par induction, qui réchauffent les plateaux-repas, sont intégrés dans les circuits oscillants de charge. On connaît des dispositifs d'excitation avec deux inducteurs 15, 25 pour le chauffage direct des plateaux-repas et avec un troisième inducteur 35 pouvant être mis en circuit pour chauffer de l'eau afin de produire de la vapeur d'eau, comme décrit dans DE 198 18 831 Al. Le circuit oscillant de charge pour la production de vapeur d'eau est souvent inutilisé et fréquemment utilisé moins longtemps que les autres circuits de charge. L'inducteur 35 doit donc pouvoir être mis en circuit. Cela requiert un commutateur 42 à fonctionnement bipolaire relativement complexe, qui est cher et lourd. Mais surtout l'ensemble formé autour des trois convertisseurs flyback 13, 23, 33 est premièrement très lourd, car il nécessite des bobines avec de grandes ferrites, et deuxièmement très complexe et cher. Le demandeur s'est donné pour but de proposer un procédé et un dispositif d'excitation avec lesquels il soit possible de réchauffer des repas par chauffage par induction dans un four à induction en évitant dans une large mesure les harmoniques. Ce but est atteint par un procédé du type mentionné au début, dans lequel la tension alternative de circuit de charge et/ou le courant alternatif de circuit de charge sont générés à partir d'un signal de tension alternative d'une fréquence prescriptible, modulé en amplitude par une fréquence de réseau. Grâce à cette mesure, le réseau d'alimentation électrique n'est plus soumis qu'à un courant pauvre en harmoniques. Il est ainsi assuré que les normes prescrites de limitation des composantes de courant de fréquences plus élevées que la fréquence de réseau seront respectées. A la phase à laquelle est raccordée l'unité d'excitation dans laquelle le procédé selon l'invention est implémenté, le réseau est soumis essentiellement à l'oscillation fondamentale du réseau. Cela signifie que le courant tiré du réseau est sinusoïdal et ne présente pratiquement pas de composantes harmoniques. Dans une variante préférée du procédé, il peut être prévu que la fréquence du signal de tension alternative soit choisie plus grande que la fréquence de la tension de réseau. Cette mesure permet un filtrage simple et économique des composantes de courant et de tension de la fréquence du signal de tension alternative. Pour le filtrage, on peut utiliser des éléments qui possèdent un faible poids et sont peu coûteux. Les composantes de courant et de tension de la fréquence du signal de tension alternative ne chargent ainsi pas le réseau. Le respect des normes en vue de limiter les tensions parasites sur la tension de réseau est de ce fait assuré. 2875370 4 Le procédé peut être réalisé avec des composants standard à bon marché et d'une manière simple si la tension de réseau est redressée et que le signal de tension alternative est généré dans un onduleur à partir de la tension de réseau redressée. La commande de puissance de la puissance amenée au circuit de charge peut être réalisée d'une manière particulièrement simple et peu coûteuse si la commande de puissance est réalisée en influençant la fréquence du signal de tension alternative. En particulier, il n'est pas nécessaire, comme dans l'état de la technique, de générer une tension de circuit intermédiaire. Les éléments nécessaires pour cela, qui présentent parfois un poids élevé, peuvent par conséquent être supprimés. La commande de puissance peut donc être réalisée seulement par une variation de fréquence. Dans un développement préféré, il peut être prévu que la commande de puissance de la puissance amenée au circuit de charge soit réalisée par omission de certaines impulsions lors de la génération du signal de tension alternative. Un onduleur génère en général dans une période, à partir d'une tension continue, une impulsion positive et une impulsion négative avec lesquelles il excite le circuit de charge. Il est possible de commander la puissance en omettant certaines impulsions. La puissance amenée au circuit de charge devient alors plus faible. On obtient ainsi une commande de puissance simple et peu coûteuse. Aucun circuit intermédiaire supplémentaire n'est nécessaire. Le but est par ailleurs atteint par un dispositif d'excitation d'un appareil de chauffage par induction, en particulier d'un four à induction, d'un avion pour réchauffer des repas et/ou de l'eau, avec un raccordement au réseau au moins monophasé et au moins une unité d'excitation raccordée au raccordement au réseau, laquelle présente un redresseur pour redresser la tension alternative de réseau et un circuit de charge avec un inducteur, lequel est excité par une tension alternative de circuit de charge générée dans l'unité d'excitation, l'unité d'excitation présentant un générateur de tension alternative pour générer une tension alternative de circuit de charge modulée en amplitude par modulation d'amplitude d'un signal de tension alternative d'une fréquence prescriptible, généré à partir de la tension continue du redresseur, par la fréquence de réseau de la tension alternative de réseau. Le raccordement au réseau peut être un raccordement au réseau polyphasé comprenant un conducteur pour chaque phase et un conducteur neutre. L'unité d'excitation peut être raccordée à une phase, c.-à-d. à un conducteur d'une phase, et à un neutre, c.-à-d. au conducteur neutre, ou à deux phases. Avec un tel dispositif d'excitation, une tension redressée essentiellement non lissée est présente à la sortie du générateur de tension alternative. Grâce à la modulation d'amplitude, il peut être assuré que le réseau n'est soumis qu'à un courant pauvre en harmoniques. On obtient une construction particulièrement simple si le générateur de tension alternative est constitué d'un onduleur, les instants de commutation ou d'allumage des éléments de commutation de l'onduleur étant réglables par une commande. Du fait qu'il est prévu une commande pour commander l'onduleur, la fréquence du signal de tension alternative généré peut être réglée à peu près à volonté. En outre, l'onduleur peut être commandé de telle manière que certaines impulsions de commande du circuit de charge soient omises. Cela permet d'injecter une plus faible puissance dans le circuit de charge. Il est possible en particulier avec une telle forme de réalisation d'effectuer la commande de puissance au moyen d'une variation de fréquence. De cette manière, la puissance peut être réglée très simplement avec un nombre minimal de composants, ce qui a des répercussions positives sur le prix et le poids du dispositif d'excitation. D'autres procédés de commande de la puissance, comme la modulation de largeur d'impulsion ou le déplacement de phase, sont concevables. Dans une forme de réalisation avantageuse, un élément de filtrage peut être prévu entre le redresseur et le générateur de tension alternative. Grâce à cette mesure, il est possible de filtrer les composantes de courant et de tension de la fréquence du générateur de tension alternative. Les composantes de courant de cette fréquence ne sont pas renvoyées dans le réseau. Le respect des normes en vue de limiter les tensions parasites sur la tension de réseau est de ce fait assuré. Il est particulièrement avantageux que la fréquence du signal de tension alternative généré par le générateur de tension alternative se situe nettement au-dessus de la fréquence de réseau. On peut ainsi utiliser des filtres simples et petits pour atténuer les composantes de courant et de tension de ces fréquences. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, il est prévu que l'élément de filtrage présente un condensateur de lissage dont la capacité est plus petite que le décuple, de préférence le septuple, particulièrement préférentiellement le quintuple de la capacité du circuit de charge. Ce condensateur de lissage assure le filtrage de la fréquence du générateur de tension alternative et fait ainsi en sorte que le courant de cette fréquence ne soit tiré du réseau qu'en composantes infiniment petites. Le condensateur de lissage est néanmoins assez petit pour que la tension redressée ne soit que très peu influencée et les courant de charge de ce condensateur de lissage sont assez petits pour que la proportion d'harmoniques du courant de réseau reste au-dessous des valeurs limites prescrites par les normes. La capacité du circuit de charge peut typiquement se monter à 100 nF. Il est particulièrement avantageux que le circuit de charge soit réalisé sous la forme d'un circuit oscillant série avec au moins un condensateur et au moins un inducteur. Dans les circuits oscillants série, la commande de puissance se réalise d'une manière particulièrement simple par variation de fréquence. Cela signifie qu'il est possible de régler simplement la puissance injectée dans le circuit oscillant série par variation de la fréquence. Si le dispositif d'excitation comprend plusieurs unités d'excitation, deux unités d'excitation étant prévues pour réchauffer des repas et une unité d'excitation pour réchauffer de l'eau, le dispositif d'excitation peut être intégré particulièrement simplement dans des systèmes existants pour réchauffer des repas et/ou de l'eau dans les avions. Les différentes unités d'excitation sont de préférence connectables et déconnectables. Le chauffage des repas et de l'eau est ainsi commandable séparément. Aucun coûteux commutateur n'est nécessaire dans le circuit de charge ou entre le générateur de tension alternative et le circuit de charge. Il entre aussi dans le cadre de l'invention un appareil de chauffage par induction, en particulier un four à induction, d'un avion avec plusieurs dispositifs d'excitation qui sont raccordés à un réseau d'alimentation électrique polyphasé, certaines unités d'excitation présentant un premier circuit de charge pour réchauffer des repas et certaines unités d'excitation un deuxième circuit de charge pour réchauffer de l'eau. A peu près le même nombre de premiers et deuxièmes circuits de charge est raccordé à chaque phase du réseau d'alimentation électrique. On obtient avec cette mesure une charge uniforme des phases du réseau d'alimentation électrique. On utilise en général une plus grande puissance pour réchauffer les repas que pour réchauffer de l'eau. En outre, les circuits de charge pour réchauffer des repas sont en général plus longtemps en service que les circuits de charge pour réchauffer de l'eau. Si on raccordait à une phase uniquement des circuits de charge pour réchauffer des repas et à une autre phase uniquement des circuits de charge pour réchauffer de l'eau, cela entraînerait une charge non uniforme du réseau d'alimentation électrique. On peut éviter la charge non uniforme du réseau d'alimentation électrique en raccordant plusieurs dispositifs d'excitation dont les unités d'excitation sont réparties uniformément sur les différentes phases. La charge des phases peut ainsi être équilibrée en moyenne sur plusieurs consommateurs. Des exemples de réalisation préférés de l'invention sont représentés schématiquement sur le dessin et expliqués ci-après en détail en se référant aux figures du dessin qui montrent: fig. 1 une représentation schématique d'un dispositif d'excitation; fig. 2a une courbe de tension d'une tension de réseau; fig. 2b une tension redressée; fig. 2c une tension alternative de circuit de charge modulée en amplitude; fig. 3 un dispositif d'excitation selon l'état de la technique. La fig. 1 représente un dispositif d'excitation 100 pour des fours à induction utilisés dans les avions pour réchauffer des repas. Le dispositif d'excitation 100 présente un raccordement au réseau 101 via lequel le dispositif d'excitation 100 est raccordé à un réseau d'alimentation électrique présentant les phases P1, P2, P3 et le neutre N, le raccordement au réseau 101 pouvant être réalisé sous la forme de contact enfichable. Dans l'exemple de réalisation représenté, des redresseurs 111, 121, 131 sont raccordés chacun à une phase Pl, P2, P3 et au conducteur neutre N. La tension alternative de réseau U1 représentée sur la fig. 2a, qui présente une fréquence de réseau, est de ce fait amenée aux redresseurs 111, 121, 131. Les redresseurs 111, 121, 131 génèrent à partir de la tension alternative de réseau U 1 la tension redressée U2 représentée sur la fig. 2b. La tension n'est que légèrement lissée lors du redressement. Aux redresseurs 111, 121, 131 font suite des générateurs de tension alternative 117, 127, 137 réalisé sous la forme d'onduleurs qui génèrent un signal de tension alternative d'une fréquence prescrite à partir de la tension redressée U2. Il en résulte la tension alternative de circuit de charge U3 représentée sur la fig. 2c. La tension alternative de circuit de charge U3 est une oscillation à la fréquence prescrite qui pulse à la fréquence de la tension alternative côté réseau non lissée mais redressée. La tension alternative de circuit de charge U3 correspond par conséquent au signal de tension alternative à la fréquence prescrite servant de signal porteur, modulé en amplitude par la fréquence d'entrée de réseau, c.-à-d. la fréquence de la courbe de tension U l. Le réseau est par conséquent chargé essentiellement par l'oscillation fondamentale du réseau, ce qui signifie que le courant est sinusoïdal et ne présente pratiquement pas d'harmoniques. Des circuits de charge 119, 129, 139 sont excités par la tension alternative de circuit de charge U3 modulée en amplitude. Les circuits de charge 119, 129, 139 sont réalisés sous la forme de circuits oscillants série qui présentent chacun un condensateur 118, 128, 138 et un inducteur 115, 125, 135. Les inducteurs 115, 125, 135 sont prévus pour réchauffer des repas ou de l'eau. Les inducteurs peuvent être situés à distance du reste du dispositif d'excitation. Ils peuvent être reliés au reste du dispositif d'excitation par câbles et le raccordement au reste du dispositif d'excitation peut être formé par un contact enfichable pour un montage et un démontage simples. La régulation de la puissance injectée dans les circuits de charge 119, 129, 139 est réalisée par des commandes 120, 130, 140 au moyen desquelles on règle la fréquence du signal de tension alternative. Des éléments de filtrage 116, 126, 136 peuvent être prévus entre les redresseurs 111, 121, 131 et les générateurs de tension alternative 117, 127, 137 pour atténuer les harmoniques en direction du réseau d'alimentation électrique. Le dispositif d'excitation 100 présente dans l'exemple de réalisation trois unités d'excitation, la première unité d'excitation étant composée du redresseur 111, du filtre 116, du générateur de tension alternative 117 et du circuit de charge 119. La deuxième unité d'excitation est composée du redresseur 121, du filtre 126, du générateur de tension alternative 127 et du circuit de charge 129; de même, la troisième unité d'excitation correspond au redresseur 131, au filtre 136, au générateur de tension alternative 137 et au circuit de charge 139. Plusieurs dispositifs d'excitation 100 pour le chauffage par induction peuvent être prévus dans un four à induction. Les inducteurs 115, 125, 135 des différentes unités d'excitation peuvent être dimensionnées différemment. Dans un four à induction à plusieurs dispositifs d'excitation 100, si par exemple les inducteurs 115, 125 sont prévus pour réchauffer des repas et l'inducteur 135 pour réchauffer de l'eau, à peu près le même nombre d'inducteurs 115, 125 et d'inducteurs 135 devraient être raccordés à la phase Pl qu'aux phases P2 et P3. La fréquence de la tension de réseau se situe dans le domaine audible. Comme cette fréquence excite également la bobine d'inducteur, il peut apparaître des bruits dans les plateaux-repas et les inducteurs. Mais cela n'a guère d'importance dans les avions étant donné que les turbines et les bruits de ventilation couvrent largement ces bruits. En outre, le bruit se produit dans un four fermé. Par conséquent, ce procédé et ce dispositif d'excitation sont particulièrement adaptés à l'utilisation dans les avions. - 10-REVENDICATIONS 1. Procédé pour réchauffer des repas et/ou de l'eau dans les avions à l'aide d'un chauffage par induction, dans lequel au moins un circuit de charge (119, 129, 139) présentant un inducteur (115, 125, 135) est excité par une tension alternative de circuit de charge (U3) et/ou un courant alternatif de circuit de charge, caractérisé par le fait que la tension alternative de circuit de charge (U3) et/ou le courant alternatif de circuit de charge sont générés à partir d'un signal de tension alternative d'une fréquence prescriptible, modulé en amplitude par une fréquence de réseau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la fréquence du signal de tension alternative est choisie plus grande que la fréquence de la tension de réseau (U1). 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la tension de réseau (U1) est redressée et que le signal de tension alternative est généré dans un onduleur à partir de la tension de réseau redressée (U2). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la commande de puissance de la puissance amenée au circuit de charge (119, 129, 139) est réalisée en influençant la fréquence du signal de tension alternative. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la commande de puissance de la puissance amenée au circuit de charge (119, 129, 139) est réalisée par omission de certaines impulsions lors de la génération du signal de tension alternative. 6. Dispositif d'excitation (100) d'un appareil de chauffage par induction, en particulier d'un four à induction, d'un avion pour réchauffer des repas et/ou de l'eau, en particulier pour réaliser le procédé selon l'une des revendications précédentes, avec un raccordement au réseau (101) au moins monophasé et au moins une unité d'excitation raccordée au raccordement au réseau (101), laquelle présente un redresseur (111, 121, 131) pour redresser la tension alternative de réseau (U2) et un circuit de charge (119, 129, 139) avec un inducteur (115, 125, 135), lequel est excité par une tension alternative de circuit de charge générée dans l'unité d'excitation, caractérisé par le fait que l'unité d'excitation présente un générateur de tension alternative (117, 127, 137) pour générer une tension alternative de circuit de charge modulée en amplitude (U3) par modulation d'amplitude d'un signal de tension alternative d'une fréquence prescriptible, généré à partir de la tension continue (U2) du redresseur (111, 121, 131), par la fréquence de réseau. 7. Dispositif d'excitation selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le générateur de tension alternative (117, 127, 137) est constitué d'un onduleur, les instants de commutation ou d'allumage des éléments de commutation de l'onduleur étant réglables par une commande (120, 130, 140). 8. Dispositif d'excitation selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait qu'un élément de filtrage (116, 126, 136) est prévu entre le redresseur (111, 121, 131) et le générateur de tension alternative (117, 127, 137). 9. Dispositif d'excitation selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'élément de filtrage (116, 126, 136) présente un condensateur de lissage dont la capacité est plus petite que le décuple, de préférence le septuple, particulièrement préférentiellement le quintuple de la capacité (118, 128, 138) du circuit de charge (119, 129, 139). 10. Dispositif d'excitation selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé par le fait que le circuit de charge (119, 129, 139) est réalisé sous la forme d'un circuit oscillant série avec au moins un condensateur (118, 128, 138) et au moins un inducteur (115, 125, 135). 11. Dispositif d'excitation selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé par le fait que le raccordement au réseau (101) présente plusieurs phases (P1, P2, P3) et qu'une unité d'excitation est raccordée à une phase (Pl, P2, P3) et un neutre (N) ou à deux phases (P1, P2, P3). - 12 - 12. Dispositif d'excitation selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisé par le fait que les différentes unités d'excitation sont connectables et déconnectables. 13. Appareil de chauffage par induction, en particulier four à induction, d'un avion avec plusieurs dispositifs d'excitation (100) selon l'une des revendications 6 à 12 qui sont raccordés à un réseau d'alimentation électrique polyphasé, certaines unités d'excitation présentant un premier circuit de charge (119, 129) pour réchauffer des repas et certaines unités d'excitation un deuxième circuit de charge (139) pour réchauffer de l'eau, dans lequel à peu près le même nombre de premiers et deuxièmes circuits de charge (119, 129, 139) est raccordé à chaque phase (P1, P2, P3) du réseau d'alimentation électrique.