CH673368A5

CH673368A5 -

Info

Publication number: CH673368A5
Application number: CH4809/87A
Authority: CH
Inventors: Michel Seguy; Michel Bisson
Original assignee: Electricite De France
Priority date: 1986-12-10
Filing date: 1987-12-09
Publication date: 1990-02-28
Also published as: ES2006035A6; FR2608348A1; GB2199720B; DE3741909A1; US4792652A; BE1006691A3; GB2199720A; IT1211585B; DE3741909C2; GB8728662D0; KR880008686A; FR2608348B1; JPS63155581A; IT8768052A0

Description

DESCRIPTION

La présente invention est relative aux plaques électriques de cuisson et se rapporte plus particulièrement aux plaques de cuisson à induction.

Le chauffage par induction des récipients de cuisson est assuré en engendrant dans les récipients un courant induit à partir d'un champ magnétique variable, le passage du courant induit dans la pièce à chauffer provoquant un échauffement de celle-ci par effet Joule.

Le champ magnétique variable est engendré à l'aide d'un convertisseur de fréquence qui, à partir de la fréquence de 50 Hz du secteur, permet d'obtenir des fréquences de 25 à 30 kHz.

Quelle que soit la technique utilisée (transistors ou thyristors), la conversion de fréquence est obtenue soit par la décharge commutée d'un condensateur dans une self-inductance, soit par la décharge oscillante d'une self-inductance dans un condensateur.

L'analyse des différents convertisseurs de fréquence connus montre que l'allure du courant inducteur obtenu à la sortie d'un tel convertisseur est très éloignée de celle d'une sinusoïde et que ce courant peut se décomposer en une somme de courants constituée de la composante fondamentale de 20 à 40 kHz et d'un certain nombre d'harmoniques.

La fréquence fondamentale est choisie de façon à:

— assurer un chauffage efficace du récipient,

— ne pas gêner l'ouïe de l'homme (ou même des animaux domestiques),

— ne pas se situer dans les bandes de fréquences réservées aux émissions radio.

Mais si effectivement, dans la plupart des cas, les convertisseurs de fréquence pour ce type d'application utilisent un rayonnement compris entre 20 et 40 kHz, donc non perturbant pour les émissions radio, les harmoniques de rang 5 et plus (dont les fréquences se trouvent dans les bandes de réception radio en modulation d'amplitude — ondes longues, ondes moyennes, ondes courtes) perturbent la réception.

Ces harmoniques modulés en amplitude par le redresseur du convertisseur constituent une gêne non négligeable pour l'individu qui voudra chauffer un récipient en même temps qu'il écoutera la radio. En effet, son poste de radio, accordé sur l'harmonique, lui restituera la modulation de 100 Hz dans le cas d'un redressement monophasé, de 300 Hz dans le cas d'un redressement triphasé.

Jusqu'à présent, les appareils de cuisson à induction étaient utilisés essentiellement dans des cuisines de collectivités et n'ont donc pas fait l'objet d'études particulières visant à limiter Je rayonnement des harmoniques gênants.

Tout au plus peut-on observer sur certains appareils de cuisson de ce type la présence de «cages métalliques» qui font également office de supports et qui contribuent, à la manière d'une cage de Faraday, à la diminution du rayonnement.

Dans l'hypothèse où l'emploi des appareils de cuisson à induction pourrait se développer de façon importante dans le secteur de l'équipement ménager individuel, le seul blindage obtenu à l'aide d'une cage métallique du type précité ne constitue pas une solution acceptable.

En premier lieu, la présence d'un blindage est insuffisante, car le blindage laisse passer un taux de perturbations trop important, interdisant par exemple l'écoute d'un poste à transistors à modulation d'amplitude dans le périmètre d'une cuisine de dimensions courantes.

En second lieu, le coût d'un blindage métallique est trop élevé si l'on souhaite mettre sur le marché des appareils de cuisson à induction abordables pour tous.

Afin de réduire les rayonnements sensibles, on s'est proposé de rendre non polluant le courant inducteur engendré par le convertisseur de fréquence, par exemple en le déformant pour ne pas générer d'harmonique gênants. Cependant, une telle solution paraît difficile si l'on considère que la forme du signal doit être fonction notamment de la taille et de la matière du récipient à chauffer.

De plus, le seul aspect de la pollution de l'environnement par les harmoniques de rang élevé est insuffisant pour juger des qualités de rayonnement pour ce type de matériel.

En effet, le législateur impose, ou imposera à plus ou moins brève échéance, des limites de rayonnement à ce type d'appareil.

Par exemple, en RFA, il est stipulé dans le document VDE 871 que la limite à atteindre en rayonnement par des matériels grand public, susceptibles de produire des rayonnements perturbants, se situe dans la bande de 9 kHz à 150 kHz, à 50 V/m à 30 mètres.

Si la plupart des appareils testés ont des harmoniques dont le niveau est bien inférieur à cette limite, il n'en est pas de même du fondamental qui varie de 200 V/m à 1000 V/m, toujours à 30 mètres.

Pour que ces appareils aient donc une chance de se développer dans le secteur domestique, il est nécessaire qu'ils répondent à deux critères essentiels en matière de perturbations radio:

—• que la valeur du champ magnétique fondamental soit inférieure aux limites fixées par la ou les normes (il semblerait que la valeur de 50 V/m à 30 mètres soit acceptable, tout au moins en Europe);

— que les harmoniques générés soient à un niveau tel qu'ils ne soient plus perceptibles par un poste de réception radio en modulation d'amplitude.

Afin de parvenir à ce résultat, une solution a consisté à assurer la canalisation du champ à proximité de l'inducteur à l'aide d'un pot de ferrite.

Si l'emploi d'un pot de ferrite enfermant l'inducteur associé à un blindage permet de respecter les normes ou projets de normes

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actuels, on constate que les perturbations causées par les harmoniques d'un niveau pourtant très inférieur aux valeurs des normes interdisent une réception radio convenable en modulation d'amplitude.

L'invention vise donc à remédier aux inconvénients des plaques électriques de cuisson de la technique antérieure en créant une plaque de cuisson qui, tout en étant d'une construction relativement simple, allie une grande efficacité de chauffage à un taux d'harmoniques réduit au minimum.

Elle a donc pour objet un appareil électrique de cuisson par induction comprenant un support pour un récipient à chauffer et au moins un inducteur plat, destiné à être alimenté par un convertisseur de fréquence, ledit inducteur étant constitué par un premier enroulement ayant un premier sens de bobinage et par au moins un second enroulement formé d'au moins une spire de sens opposé à celui dudit premier enroulement et connecté en série avec celui-ci, caractérisé en ce que ledit inducteur est constitué par au moins deux enroulements de forme générale circulaire disposés selon une configuration symétrique par rapport au centre de l'inducteur.

Selon une caractéristique particulière de l'invention, ledit inducteur est constitué par au moins deux enroulements délivrant des champs magnétiques égaux en valeur absolue, mais en opposition de phase.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels:

— la fig. 1 est une vue schématique en élévation et en coupe d'un appareil de chauffage suivant l'invention;

— la fig. 2 est un schéma théorique en perspective d'un inducteur à N éléments;

— la fig. 3 montre des schémas comparatifs du rayonnement produit par un inducteur unique et par des inducteurs suivant l'invention à deux, quatre et six enroulements;

— la fig. 4 est une vue schématique d'une variante d'inducteur entrant dans la construction de l'appareil de cuisson suivant l'invention;

— la fig. 4A est une vue schématique d'un inducteur analogue à celui de la fig. 4, mais pourvu de plusieurs contre-spires;

— la fig. 5 est une vue schématique en plan d'un, mode de réalisation pratique d'un inducteur à deux enroulements;

— la fig. 6 est une vue analogue à celle de la fig. 5 d'un inducteur à quatre enroulements, et

— la fig. 7 est une vue analogue à celles des fig. 5 et 6 d'un inducteur à six enroulements périphériques et deux enroulements centraux.

Sur la fig. 1, on a représenté une plaque de cuisson à induction comportant une plaque de support 1, par exemple en vitrocérami-que, destinée à supporter une casserole C formant induit.

Au-dessous du support 1 est placé un inducteur 2 porté par une monture 3.

L'inducteur 2 est constitué, dans le présent exemple, de deux enroulements 4 et 5 destinés à être alimentés en courant d'une fréquence comprise entre 25 et 30 kHz par un convertisseur de fréquence non représenté.

Les enroulements 4 et 5 ont la même inductance et présentent avantageusement une forme semi-circulaire. Ils sont constitués chacun d'un conducteur de cuivre formé de fils torsadés enroulés à plat, leurs sens d'enroulement étant opposés de manière que, lorsqu'ils sont alimentés, ils délivrent des champs magnétiques égaux en valeur absolue, mais en opposition de phase.

Comme représenté clairement à la fig. 5, un barreau de ferrite 6 d'isolement des enroulements 4 et 5 entre eux est placé entre les côtés rectilignes des deux enroulements semi-circulaires 4 et 5.

Dans un but de démonstration théorique, on considère sur la fig. 2 un inducteur à N enroulements identiques ayant le même nombre de spires et le même diamètre, représentés chacun par un petit cercle, N étant un nombre pair.

On affecte à chaque élément un indice i:

(i e[0, N—1])

La construction de cet inducteur est telle que deux enroulements voisins de celui-ci sont parcourus par des courants I de sens contraires, de telle sorte que le champ généré par un enroulement est en opposition de phase avec le champ généré par ses deux enroulements voisins.

On démontre que le champ résultant engendré par l'inducteur en io un point M situé à une distance L du centre O de l'inducteur est donné par la relation

Hm = ^ [' E (- !)' (Lcos a-Rcos i

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+ ^Lsin a—Rsin i^-j" J

dans laquelle Ho est le champ rayonné par un inducteur unique ou 20 unipolaire «équivalent» à une fréquence de 20 kHz, et R le rayon du cercle sur lequel se trouvent les centres des éléments bobinés de l'inducteur, L < 103 m désignant la distance du centre de l'inducteur au point de mesure M.

L'exploitation de cette relation montre que le rayonnement des 25 inducteurs diminue lorsque l'on augmente le nombre d'enroulements dont ils sont constitués.

Sur la fig. 3, on voit qu'un inducteur unipolaire a un rayonnement de 60 dB omnidirectionnel à une distance L = 1 m du centre de l'inducteur.

30 Un inducteur à deux enroulements ou bipolaires équivalent présente un rayonnement de 43 dB selon la ligne joignant les centres des deux enroulements et un rayonnement de 0 dB suivant une ligne passant entre deux enroulements et perpendiculaire à la ligne joignant leurs centres.

35 Un inducteur quadripolaire dont les quatre enroulements sont inscrits dans un cercle présente un rayonnement de 20 dB suivant les lignes joignant les centres de deux enroulements diamétralement opposés et un rayonnement de 0 dB sur une ligne passant entre deux enroulements voisins et perpendiculaire à la ligne joignant leurs 40 centres.

Un inducteur hexapolaire dont les six enroulements sont inscrits dans un cercle présente un rayonnement de 0 dB sur une ligne passant par les centres de deux enroulements diamétralement opposés et un rayonnement peu différent de 0 dB sur une ligne 45 passant entre deux enroulements voisins.

Les résultats théoriques énoncés ci-dessus ne tiennent pas compte de l'absorption ni de la réflexion du rayonnement par un récipient placé sur une plaque de cuisson réalisée suivant l'invention, mais ils confirment l'intérêt de réaliser un inducteur à l'aide d'une ou de plu-50 sieurs paires d'enroulements disposés selon les configurations symétriques par rapport au centre de cet inducteur.

On a en outre montré expérimentalement qu'avec un inducteur à six enroulements ou pôles, l'atténuation dans la bande de 150 kHz à 305 kHz est de 20 dB pour le premier harmonique, les autres se con-55 fondant dans le bruit de fond.

Cette réduction du taux d'harmoniques obtenue à l'aide d'un inducteur à plusieurs enroulements ou pôles est assurée au détriment du rendement du chauffage du récipient, qui est de 70% avec un inducteur unique et qui chute, dans le cas d'un agencement à six en-60 roulements, à une valeur de 50%.

Cependant, ce problème est résolu en disposant judicieusement, entre les enroulements, des barreaux de ferrite de canalisation des lignes de champs engendrés par les enroulements, barreaux de ferrite destinés à isoler chaque secteur de l'inducteur d'un enroulement à 65 l'autre. Cet agencement sera décrit plus loin en référence aux fig. 5 à 7.

On vient de montrer que l'utilisation dans un inducteur d'enroulements engendrant des champs en opposition de phase peut con-

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duire à des atténuations sensibles tant de la fréquence fondamentale que des harmoniques rayonnés par l'inducteur.

Il est possible d'en déduire qu'un inducteur unipolaire ou à un seul enroulement peut être rendu non polluant tout en conservant une ou plusieurs contre-spires judicieusement calculées et disposées pour compenser le rayonnement de l'inducteur.

Un tel agencement est représenté schématiquement à la fig. 4 sur laquelle on voit que l'inducteur comporte un enroulement 10 bobiné en spirale dans un sens déterminé et dont la spire extérieure 11 est entourée par une contre-spire 12 bobinée en sens inverse. La présence d'une seule contre-spire permet d'obtenir une atténuation du rayonnement de 10 dB.

Il serait également possible d'utiliser plusieurs contre-spires du type précité et pouvant être commutées en fonction du diamètre du récipient posé sur la plaque.

On obtiendrait alors des niveaux de rayonnement semblables à ceux mesurés pour les inducteurs multipolaires tels que ceux représentés schématiquement à la fig. 3.

La fig. 4A représente un tel agencement dont l'enroulement 10a bobiné en spirale dans un sens déterminé est entouré par plusieurs contre-spires 12a bobinées en sens inverse, connectées en série avec l'inducteur 10a.

A chacune des contre-spires 12a est connecté un transistor de commutation 12c destiné à relier la contre-spire correspondante à l'une des bornes d'alimentation de l'inducteur. La liaison de telle ou telle contre-spire 12a avec la tension d'alimentation est assurée, en fonction du diamètre du récipient à chauffer, par le transistor 12c correspondant rendu conducteur par un signal appliqué à sa base par un dispositif de commande approprié non représenté.

Sur la fig. 5, on a représenté schématiquement en plan un mode de réalisation pratique de l'inducteur à deux enroulements entrant dans la construction de la plaque de cuisson de la fig. 1.

Cet inducteur est formé de deux enroulements 4 et 5 bobinés

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chacun à peu près suivant un demi-cercle, leurs sens d'enroulement étant opposés.

Ces deux enroulements ont des inductances égales, de sorte que, compte tenu de leurs sens de bobinage opposés, ils engendrent, Iors-

5 qu'ils sont alimentés par un convertisseur de fréquence non représenté, des champs magnétiques égaux en valeur absolue, mais en opposition de phase.

Les enroulements 4 et 5 sont séparés par un barreau de ferrite 6 de canalisation des lignes de champs disposés entre leurs côtés recti-

10 lignes 13,14 qui matérialisent le diamètre de la plaque de cuisson.

La fig. 6 montre un inducteur quadripolaire formé de quatre enroulements 15 à 18 bobinés en forme de quarts de cercle et disposés chacun dans un quadrant d'un cercle définissant la périphérie utile de l'inducteur.

ij Les sens de bobinage de deux enroulements voisins sont opposés. Les enroulements 15 à 18 sont séparés les uns des autres par des barreaux de ferrite 19 et 20 qui définissent un croisillon.

L'inducteur représenté à la fig. 7 est un inducteur formé de six enroulements périphériques 21 dont les centres sont disposés suivant une circonférence et de deux enroulements centraux 22 bobinés en demi-cercle analogues à ceux de l'inducteur de la fig. 5.

Entre les enroulements centraux 22 est interposé un barreau de ferrite 23 qui assure également la séparation entre quatre enroulements périphériques 21.

Les enroulements périphériques 21 voisins de ceux disposés de part et d'autre du barreau de ferrite 23 sont séparés de ceux-ci par quatre barreaux de ferrite supplémentaires 24.

Les inducteurs qui viennent d'être décrits en référence aux fig. 5 à 7 peuvent être réalisés en utilisant les techniques des circuits imprimés multifaces ou à l'aide d'un câble de cuivre à plusieurs brins.

Les enroulements d'un inducteur sont avantageusement connectés en série en limitant les boucles de rayonnement parasites dues aux connexions des enroulements entre eux.

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2 feuilles dessins

Claims

673 368 REVENDICATIONS

1. Appareil électrique de cuisson par induction comprenant un support pour un récipient (C) à chauffer et au moins un inducteur plat, destiné à être alimenté par un convertisseur de fréquence, ledit inducteur étant constitué par un premier enroulement (4; 11) ayant un premier sens de bobinage et par au moins un second enroulement (5; 12) formé d'au moins une spire de sens opposé à celui dudit premier enroulement et connecté en série avec celui-ci, caractérisé en ce que ledit inducteur est constitué par au moins deux enroulements (4, 5; 15 à 18; 21, 22) de forme générale circulaire disposés selon une configuration symétrique par rapport au centre de l'inducteur.

2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué de quatre enroulements de forme circulaire disposés côte à côte suivant une circonférence, deux enroulements voisins ayant des sens de bobinage opposés.

3. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué de six enroulements (21) de forme circulaire disposés côte à côte suivant une circonférence, deux enroulements voisins ayant des sens de bobinage opposés.

4. Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits enroulements (21) disposés sur une circonférence constituent des enroulements périphériques et en ce qu'il comporte en outre deux enroulements centraux (22) entourés par lesdits enroulements périphériques (21) et bobinés en demi-cercle, lesdits enroulements centraux ayant des sens de bobinage opposés et étant disposés de façon que leurs côtés rectilignes soient en regard l'un de l'autre.

5. Appareil suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des noyaux de ferrite (6; 19,20; 23, 24) de séparation des enroulements (4, 5; 15 à 18; 21, 22) les uns des autres.

6. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit «au moins un second enroulement» (12) est constitué par au moins une contre-spire concentrique audit premier enroulement (10).

7. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'audit premier enroulement sont associées plusieurs contre-spires (12a) montées en série autour dudit premier enroulement et auxquelles sont associés des moyens de commutation (12c) en fonction du diamètre du récipient à chauffer, destinés à relier la contre-spire correspondante à l'une des bornes d'alimentation de l'inducteur.