BRPI1006332A2

BRPI1006332A2 - Método para sincronização de bobinas de indução supridas por conversores de energia de um fogão de indução e sistema de aquecimento por indução que realiza tal método

Info

Publication number: BRPI1006332A2
Application number: BRPI1006332-3A
Authority: BR
Inventors: Guitierrez Diego Neftali
Original assignee: Whirlpool Co; Teka Ind Sa
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2012-11-06
Also published as: BRPI1006332B1; EP2209350A1; CA2689770C; EP2209350B1; CA2689770A1; US8431875B2; US20100181301A1

Abstract

MéTODO PARA SINCRONIZAçãO DE BOBINAS DE INDUçãO SUPRIDAS POR CONVERSORES DE ENERGIA DE UM FOGãO DE INDUçãO E SISTEMA DE AQUECIMENTO POR INDUçãO QUE REALIZA TAL MéTODO. A presente invenção refere-se a um método para a sincronização de bobinas de indução supridas por conversores de energia e atuando em uma zona de aquecimento comum ou em zonas de aquecimento adjacentes de um sistema de aquecimento por indução, particularmente de um fogão de indução, compreende as etapas de ativar um primeiro conversor de energia, detectar um parâmetro correIacionado com o campo magnético gerado pelo dito primeiro conversor de energia e ativar um segundo conversor de energia usando o dito parâmetro como sinal de sincronização, o dito pa- râmetro sendo a voltagem de bobina de indução ou a corrente de bobina de indução ou uma combinação das mesmas.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA SINCRONIZAÇÃO DE BOBINAS DE INDUÇÃO SUPRIDAS POR CONVERSORES DE ENERGIA DE UM FOGÃO DE INDUÇÃO E SISTEMA DE AQUECIMENTO POR INDUÇÃO QUE REALIZA TAL MÉTODO".

A presente invenção refere-se a um método para sincronização de bobinas de indução supridas por diferentes conversores de energia e ca- pazes de atuar em uma zona de aquecimento comum de um sistema de a- quecimento por indução, particularmente um fogão de indução, ou capazes de atuar em zonas de aquecimento adjacentes diferentes. A presente inven- ção se refere também a um sistema de aquecimento por indução, particu- larmente um fogão de indução que pode realizar o método acima. No tipo acima de sistemas de aquecimento por indução é necessário sincronizar bobinas de indução, alimentadas por diferentes conversores de energia, cu- jos campos eletromagnéticos (EM) gerados são mutuamente interligados devido à proximidade das bobinas ou devido à configuração de zona dupla (por exemplo, duas bobinas concatenadas: uma bobina interna e uma bobi- na externa). Esta configuração é altamente problemática porque a interfe- rência entre as bobinas pode gerar vibrações na faixa de freqüências audí- veis, altamente desagradáveis para o usuário. Sincronizando as bobinas, isto é, sincronizando a comutação dos transistores de energia dos conversores de energia que suprem as bo- binas, a geração de ruído durante a operação normal pode ser impedida, e o conforto do usuário é garantido.

A presente invenção se refere particularmente a todas as confi- gurações onde a carga (isto é, uma vasilha de cozimento de metal) recebe energia de múltiplas bobinas de indução, e tais bobinas são alimentadas por diferentes conversores de energia e os campos EM gerados por pelo menos duas bobinas são ligados mutuamente.

A figura 1 em anexo mostra alguns exemplos de configurações de carga aquecida por múltiplas bobinas.

Um sistema de aquecimento por indução consiste em uma fonte de fluxo eletromagnético alternado acoplado com uma carga, tipicamente uma vasilha ferromagnética. As correntes de Foucault induzidas no fundo da vasilha são dissipadas por efeito Joule, transformando-se em calor que a- quece a bobina.

O acoplamento eletromagnético envolve vibrações mecânicas da vasilha. Estas vibrações têm a mesma freqüência que o fluxo eletromagnéti- co: as faixas de freqüência reais adotadas em fogões de indução estão sempre acima da faixa audível, portanto não existe geração de ruído acústi- co para o usuário.

Se múltiplas fontes de fluxo eletromagnético alternado são aco- piadas a mesma vasilha, o uso de freqüências acima da faixa audível não é suficiente para assegurar a ausência de ruído acústico. Se duas fontes não estão sincronizadas, a superposição das duas ondas na vasilha gera ondas de interferência com freqüências diferentes, que podem se encontrar dentro da faixa audível.

Uma interferência típica é a pulsação, isto é, uma interferência

cuja freqüência é a diferença entre as freqüências f? e f2 dos dois sinais prin- cipais. Se duas ondas yi e yz têm freqüências ligeiramente diferentes, ou não são sincronizadas, sua superposição yi+y2 gera uma pulsação com um período Tpuisação muito maior que os períodos de y? e y2, como mostrado na figura 2.

Para evitar o problema, aplicações reais devem garantir a sin- cronização de todas as fontes (bobinas) acopladas com a mesma carga (va- silha). Se tais fontes são alimentadas pelo mesmo conversor de energia, o problema é bastante simples: sendo o gerador de freqüência (tipicamente um microcontrolador com um gerador de clock) o mesmo para todas as fon- tes, é suficiente que as bobinas sejam supridas na mesma freqüência todas as vezes.

Se as bobinas são alimentadas por diferentes conversores de energia (com geradores de freqüência diferentes) a aplicação da mesma freqüência não é o bastante: sendo os geradores de freqüência independen- tes, eles não são sincronizados, a menos que um mecanismo de sincroniza- ção seja fornecido. O problema do ruído acústico devido à geração de pulsação, altamente provável quando múltiplas bobinas, supridas por diferentes con- versores de energia, são acopladas com a mesma carga, é bem-conhecido na técnica de sistema de aquecimento por indução, particularmente por suas aplicações em utensílios de cozimento.

Uma solução é conhecida a partir de WO-A-2007/048700 que descreve uma ligação direta entre os conversores de energia, isto é, um ca- bo que conecta os microcontroladores dos conversores, ou suas fontes de clock, ou os sinais de controle dos transistores de energia, e tais cabos envi- am um sinal de um primeiro conversor de energia (mestre) para outro (es- cravo) que serve como uma sincronização para a geração de sinais de acio- namento de modulação de largura de pulso para conversores.

Esta solução conhecida apresenta alguns inconvenientes desde que a conexão entre microcontroladores implica no uso de cabos blindados e aumenta o custo total do utensílio. Além do mais, tal solução conhecida implica também em uma ligação elétrica direta entre os dois conversores de energia, que podem criar problemas de segurança e isolamento elétrico.

Outra solução é conhecida a partir de US-A-2007/0135037 que descreve uma maneira de operar duas bobinas de indução conjuntamente por meio de um circuito conversor com duas saídas, cada uma das saídas sendo conectada a uma bobina de indução. O circuito de conversor é opera- do de tal maneira que a freqüência do ruído gerado pela superposição das duas freqüências de comutação diferentes está fora da faixa de freqüências de audibilidade humana. Esta solução torna o circuito mais complexo e limita de certa forma a possibilidade de mudar as freqüências de comutação dos conversores em uma faixa suficientemente ampla.

Um objetivo da presente invenção é fornecer um novo método de sincronização que não apresenta os problemas acima e que é simples e seguro para ser implementado.

De acordo com a invenção, o objetivo acima é alcançado graças aos aspectos listados nas reivindicações em anexo.

A presente invenção sugere um novo método para sincronizar os conversores de energia, e portanto, evitar o problema de pulsação. Com o termo "conversores de energia" entende-se também um conversor de ener- gia único com duas ou mais saídas, cada uma das saídas sendo conectada a uma bobina de indução. A presente invenção propõe uma abordagem dife- rente para solucionar o problema de sincronização de duas ou mais bobinas: nenhuma ligação direta entre os conversores de energia ou partes de um conversor ligado a diferentes bobinas de indução, mas em vez disto, a capa- cidade de um conversor de energia determinar a outra freqüência de acio- namento de bobina medindo pelo menos um parâmetro elétrico gerado por ela.

Vantagens e aspectos adicionais de um método e um sistema de aquecimento por indução de acordo com a invenção se tornarão claros a partir da descrição detalhada seguinte com referência aos desenhos em a- nexo nos quais:

a figura 1 é uma configuração típica de um fogão de indução on-

de a frigideira é aquecida por múltiplas bobinas de indução, com as bobinas alimentadas por conversores diferentes;

a figura 2 está mostrando como dois sinais não sincronizados podem gerar uma pulsação com freqüência muito menor; a figura 3 é uma vista esquemática de uma modalidade preferida

da invenção em que um sistema de medição é usado para medir indireta- mente o campo magnético gerado pela corrente de bobina de um primeiro conversor de energia;

a figura 4 está mostrando a modalidade da figura 3 aplicada a uma zona concêntrica dupla;

a figura 5 é similar à figura 4 e mostra a aplicação em uma assim chamada configuração de "ponte" na qual duas bobinas de indução são ad- jacentes e usadas para aquecer um utensílio de cozimento comum;

a figura 6 é similar à figura 5 e mostra a aplicação em uma con- figuração em que três bobinas de indução são adjacentes uma à outra;

as figuras 7a e 7b mostram como a sincronização de um segun- do conversor de energia é baseado em um circuito de detecção de cruza- mento zero; e

a figura 8 mostra um uso diferente de uma mudança de freqüên- cia no conversor de referência como sinal de sincronização para o segundo conversor, em uma configuração de zona dupla.

As referências indicam o seguinte em cada uma das respectivas figuras:

Figura 1:

(a) zona dupla

(b) ponte

(c) expansível

(d) ponte com expansível

Figura 2:

(e) em fase

(f) envoltório da onda

(g) fora de fase

Figura 3:

(h) vista lateral

(i) vista de fundo de bobina

(j) barra de ferrita com arame enrolado

(k) campo magnético

(I) voltagem

Figura 5:

(m) bobina 1

(n) bobina 2

Figura 6:

(o) bobina 2

(p) bobina 3

Figura 7a:

(q) relevância de cruzamento zero

Figura 7b:

(BA) bobina A

(BB) bobina B (CA) conversor de energia A

(CB) conversor de energia B (Sf) sensor de fluxo

(CO) circuito de detecção de cruzamento zero Figura 8:

(FCref) freqüência de conversor de referência (FCene) freqüência de "segundo" conversor de energia (Cref) conversor de referência (Cene) "segundo" conversor (r) mudança periódica de freqüência serve como um sinal para o segundo conversor de energia

(s) como um exemplo, o segundo conversor de energia poderia se desligar quando detecta uma mudança de freqüência de conversor de referência (T) tempo (Z) zona dupla

A invenção propõe sincronizar os conversores de energia permi- tindo um conversor medir pelo menos um parâmetro elétrico de uma bobina fornecida por um conversor de referência, e sincronizar sua saída com este sinal. Para fazer assim o parâmetro elétrico deve ser sincronizado com o campo EM de bobina gerado que induz correntes de Foucault no fundo da vasilha. A seqüência de inicialização de tal sistema com N conversores de energia é:

- conversor de energia 1 (referência) começa a distribuir energia. Os outros conversores de energia estão desligados;

- outros conversores de energia (2-N) obtêm um parâmetro elé-

trico da bobina 1 e sincronizam seus geradores de freqüência interna (cro- nômetros) com o sinal da bobina 1;

- uma vez que os cronômetros estão sincronizados, os converso- res de energia (2-N) começam a distribuir energia.

O tempo de sincronização, isto é, o tempo exigido para cada

conversor medir o sinal da bobina já ativo e começar a distribuir a energia com uma freqüência sincronizada é suficientemente curta (menos que um segundo) de modo que não implica em qualquer falta de utilização.

Depois que a seqüência de partida é completada, todos os con- versores de energia continuam a medir os sinais da bobina de referência, a fim de verificar se suas saídas estão ainda sincronizadas com o conversor de referência: sempre que um conversor de energia não acionando a bobina de referência detecta que sua saída não é mais sincronizada com o sinal da bobina de referência, sincroniza novamente seus cronômetros internos com o sinal de referência. A "ressincronização" é realizada continuamente devido ao fato de que o conversor da bobina de referência mudará a freqüência de acionamento para manter o suprimento de energia constante (quando a e- nergia é controlada mudando a freqüência).

Parâmetros elétricos adequados da bobina a serem medidos por sincronização são a voltagem de bobina, corrente de bobina ou quaisquer outros parâmetros que estão correlacionados a este. O fluxo magnético ge- rado pela corrente de bobina de indução pode ser usado. Para detectar o fluxo magnético é de preferência usado um sensor do fluxo magnético que é concatenado pelos concentradores de campo magnético, usualmente na forma de barras de ferrita, da bobina de referência. Mesmo se o uso de um sensor associado a um concentrador de campo magnético é preferido, con- tudo uma bobina simples (ou várias voltas do arame condutor enrolado como uma bobina) afetada pelas mudanças de campo magnético pode ser usada como um sensor também.

Este parâmetro é fácil de medir também em bobinas de indução não diretamente conectadas no conversor de energia de medição: pode ser medido adicionando uma bobina de medição na forma, por exemplo, de um arame condutor enrolado em torno de uma barra de ferrita. As barras de fer- rita são componentes preferidos devido à alta permeabilidade relativa [μ rei] e alta resistividade elétrica ρ e são comumente aplicadas em um padrão ra- dial sob as bobinas de indução para concentrar o fluxo magnético. Ferritas são compostos de cerâmica ferromagnética não-condutora bem conhecidos derivados de óxidos de ferro tal como hematita ou magnetita bem como óxi- dos de outros metais. No entanto, qualquer outro sensor disponível que transforma o fluxo magnético em alguma magnitude elétrica que usa material de alta permissibilidade relativa pode ser usado. Além do mais, outros sen- sores baseados em tecnologia diferente (isto é, sensor de efeito Hall) que transforma fluxo magnético em alguma elétrica e é colocado dentro do cam- po eletromagnético gerado pela bobina de indução pode ser usado também.

A figura 3 mostra um exemplo de aplicação de uma barra de fer- rita como sensor de fluxo magnético.

A voltagem vm induzida no arame enrolado em torno da ferrita é proporcional à variação do campo magnético, de acordo com a lei de Fara- day (onde Néo número de voltas de arame e ΦΒ é o fluxo magnético):

<formula>formula see original document page 9</formula>

O fluxo magnético que está ligado ao arame enrolado em torno da ferrita é gerado pela corrente da bobina:

<formula>formula see original document page 9</formula>

onde M é a indutância mútua entre a bobina de indução e o fluxo magnético.

Como a voltagem de bobina e a voltagem vm induzida no arame depende da derivada da corrente de bobina de indução:

<formula>formula see original document page 9</formula>

portanto a voltagem vm induzida no arame está relacionada com a voltagem de bobina:

<formula>formula see original document page 9</formula>

portanto o sinal vm pode ser usado para a sincronização dos conversores de energia.

Por exemplo, na figura 7a é mostrada a vm induzida no arame enrolado em torno da bobina. O cruzamento zero de vm pode servir como o instante de tempo de referência para a sincronização de sinal de transistor de energia. A detecção de instante de tempo de cruzamento zero é realizada com um circuito de condicionamento de sinal elétrico que já é aplicada em painel de controle padrão atual para mercado de utensílio de linha branca. Assim, o período do conversor de energia que é detectado pode ser calculado diretamente considerando os intervalos de tempo entre cruza- mento zero vm consecutivo.

As figuras 4, 5 e 6 mostram exemplos de implementação da in- venção com 2 e 3 conversores de energia. O parâmetro medido para sincro- nização é o fluxo magnético na barra de ferrita da bobina (isto é, a voltagem vm induzida no arame enrolado).

Nas figuras 4 e 5, a seqüência de partida dos dois conversores de energia é como se segue: Referência = bobina 1

- conversor de energia 2 obtém um sinal de sincronização da

bobina 1;

- conversor de energia 2 sincroniza seus cronômetros com o si- nal;

- conversor de energia 2 começa a distribuir energia com a

mesma freqüência que usa o conversor 1.

Na figura 6, a seqüência de partida dos três conversores de e- nergia é como se segue: Referência = bobina 2 - conversores de energia 1 e 3 obtêm um sinal de sincronização

da bobina 2;

- conversores de energia 1 e 3 sincronizam seus cronômetros

com o sinal;

- conversores de energia 1 e 3 começam a distribuir energia com a mesma freqüência que usa o conversor 1.

É importante notar que usando o fluxo magnético induzido em uma barra de ferrita de bobina como parâmetro elétrico de referência, ne- nhuma conexão elétrica entre conversores de energia é exigida e são eletri- camente isolados.

Além do mais, a mudança de freqüência do conversor de ener-

gia de referência pode ser usada como um sinal de evento para disparar funções específicas para o segundo conversor que executa uma tarefa es- pecial (vide figura 8). A figura 8 se refere a uma função especial de detecção de ebulição onde um parâmetro elétrico é detectado a uma freqüência cons- tante predeterminada pelo conversor de energia de referência. A mudança periódica de freqüência é usada como um sinal para o segundo conversor de energia: neste ponto, o segundo conversor de energia muda o modo de fun- cionamento como definido pela função específica. Por exemplo, no caso de topologias de bobina de zona dupla, uma vez que detecta uma mudança fixa de freqüência do conversor de energia de referência, o segundo conversor de energia pode ser desligado para permitir que o conversor de energia de referência detecte um valor detectado de parâmetro elétrico menos distorci- do (em uma configuração de zona dupla, a condução cruzada magnética entre a bobina interna e externa distorce a correlação entre parâmetros elé- tricos de conversor e a temperatura do fundo do pote).

Além do mais, outro tipo diferente de informação/mensagem en- tre conversores pode ser implementado usando a mudança de freqüência e os intervalos entre tais mudanças como meio de representar bits como pro- tocolos de comunicação de padrão atual.

Claims

1. Método para a sincronização de bobinas de indução supridas por conversores de energia e atuando em uma zona de aquecimento comum ou em zonas de aquecimento adjacentes de um sistema de aquecimento por indução, particularmente de um fogão de indução, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de ativar um primeiro conversor de energia, de- tectar um parâmetro correlacionado ao campo magnético gerado pelo dito primeiro conversor de energia e ativar um segundo conversor de energia usando o dito parâmetro como sinal de sincronização.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito pa- râmetro é a voltagem de bobina de indução ou a corrente de bobina de indu- ção ou uma combinação das mesmas.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito pa- râmetro é medido em um circuito de detecção.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, em que o circuito de detecção está associado com um concentrador de campo magnético da bobina de indução.

5. Método, de acordo com a reivindicação 3, em que o dito pa- râmetro é a voltagem vm induzida no circuito de detecção formado como um arame enrolado em torno de um concentrador de campo magnético, de a- cordo com a lei de Faraday: onde N é o número de voltas do arame, e ΦΒ é o fluxo magnético.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, em que um cruza- mento zero da voltagem (vm) induzida no circuito de detecção é usado como a referência para o sinal de sincronização.

7. Sistema de aquecimento por indução, particularmente para utensílios de cozimento, compreendendo bobinas de indução supridas por conversores de energia e capazes de definir uma zona de aquecimento co- mum ou zonas de aquecimento adjacentes, caracterizado pelo fato de que compreende meios de detecção para detectar um parâmetro correlacionado ao campo magnético gerado por um primeiro conversor de energia e meios de sincronização para distribuir tal parâmetro como um sinal de sincroniza- ção para um segundo conversor de energia.

8. Sistema de aquecimento por indução, de acordo com a reivin- dicação 7, em que o dito parâmetro é a voltagem de bobina de indução ou a corrente de bobina de indução ou uma combinação das mesmas.

9. Sistema de aquecimento por indução, de acordo com a reivin- dicação 7, compreendendo concentradores de campo magnético associados às bobinas de indução, em que o dito meio de detecção compreende pelo menos um circuito de detecção associado a um concentrador de campo magnético.

10. Sistema de aquecimento por indução, de acordo com a rei- vindicação 9, em que cada circuito de detecção compreende um arame en- rolado em torno de um concentrador de campo magnético.

11. Sistema de aquecimento por indução, de acordo com a rei- vindicação 10, em que os concentradores de campo magnético são barras de ferrita dispostas em um padrão radial e voltadas para as bobinas de indu- ção.