Cuisson par induction dans nos cuisines - François Forest.pdf

20/12/2013
Publication 3EI 3EI 2003- Journées
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2003-:5523
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Cuisson par induction dans nos cuisines - François Forest.pdf

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Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 1/19 Les systèmes de cuisson par induction "grand public" ou l'Electromagnétisme et l'Electronique dans nos cuisines F. Forest LEM / Université Montpellier II - CC 079 Place Eugène Bataillon, 34095 Montpellier cedex 5 Tel : 04 67 14 34 57 Fax : 04 67 04 21 30 E-mail : forest@crit.univ-montp2.fr D. Montloup, J.-Y. Gaspard Société MAGTECH Centre scientifique "A. Moiroux" 64, chemin des Mouilles 69130 Ecully Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 2/19 Sommaire Sommaire ................................................................................................................................... 2 I- Introduction ............................................................................................................................ 3 II- Rappel du principe et des contraintes spécifiques à l'application domestique...................... 3 III- Bilan des solutions techniques utilisées dans les produits actuels....................................... 5 III.1- Les inducteurs................................................................................................................ 5 III.2- Les générateurs.............................................................................................................. 7 III.3 - Les systèmes................................................................................................................. 9 III.4- Le contrôle................................................................................................................... 10 III.4.1-Détections............................................................................................................... 10 III.4.2- Réglage du point de fonctionnement d'un foyer et sécurités................................. 11 III.4.3- Réglage de puissance sur deux foyers................................................................... 12 III.4.4-Le Booster .............................................................................................................. 13 IV- Perspectives d'évolution .................................................................................................... 14 IV.1 - Problématique du module à deux foyers .................................................................... 14 IV.1.1 - Un bras d'onduleur et deux foyers........................................................................ 14 IV.1.2- Deux bras d'onduleur et deux foyers..................................................................... 15 IV.2- Le plan de chauffe ou la généralisation du concept multi-inducteurs......................... 16 IV.2.1 - Incidence probable sur la conception des inducteurs .......................................... 17 IV.2.2- Incidence probable sur le conception de l'électronique........................................ 17 IV.2.3- Incidences technologiques probables.................................................................... 18 V- Conclusion .......................................................................................................................... 19 Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 3/19 Résumé - Dans la première partie de cet article, nous tenterons tout d'abord de dresser un état de l'art relatif à la structure et au contrôle des systèmes générateurs-inducteurs actuellement utilisés dans les plaques de cuisson par induction "grand public". La deuxième partie sera consacrée à l'évocation de développements futurs éventuels, tant sur le plan de l'architecture que sur celui des technologies mises en œuvre. I- Introduction Depuis maintenant un certain nombre d'année, les plaques de cuisson par induction constituent un véritable produit domestique, de diffusion significative. Il s'agit de dispositifs relevant typiquement du "Génie Electrique" puisque l'on y retrouve une partie électromagnétique, l'ensemble inducteur-récipient, un convertisseur statique, indispensable à l'injection dans l'inducteur des courants alternatifs (F > 20kHz) permettant de générer le champ magnétique et un ensemble de contrôle-commande. Ce dernier doit être capable de conférer au système la souplesse que l'on est en droit d'attendre d'une alimentation électronique mais également une robustesse en accord avec un contexte où la charge (le récipient) n'est pas a priori connue et dont les caractéristiques sont très variables, voire totalement inadaptées au principe de l'induction (erreur de la cuisinière). Vis-à-vis des exigences de base d'un produit grand public, on peut considérer que la plupart des plaques actuellement commercialisées ont atteint un grand degré de maturité. Elles sont robustes, d'une grande ergonomie et d'un coût relativement raisonnable. Ceci étant, compte tenu de leurs excellentes performances (puissance, rapidité, souplesse, propreté, sécurité) en regard de celles des plaques de cuisson classiques, on peut considérer que leur diffusion commerciale n'est encore pas à la hauteur de leur potentiel. Parallèlement, l'émergence probable de normes très dures relatives à l'exposition des personnes aux champs électromagnétiques risque de remettre en cause un certain nombre de techniques éprouvées mises en oeuvre dans certains produits actuels. Les développements futurs de cet indéniable élément de confort "culinaire" vont donc se trouver confrontés à un paradoxe qui oppose l'indispensable réduction des coûts pour atteindre un plus grand nombre de consommateurs à l'accroissement des performances imposé par des contraintes de marketing et le respect de normes d'environnement toujours plus sévères. II- Rappel du principe et des contraintes spécifiques à l'application domestique Le principe de fonctionnement d'un foyer à induction est indiqué figure 1. Un inducteur plan (dit "pancake"), alimenté par des courants à moyenne fréquence (20 à 100kHz) créé un champ magnétique qui va avoir pour conséquence de générer des courants de Foucault dans le fond du récipient. Ces courants provoquent, par effet Joule, l'échauffement direct du dit- récipient. La représentation ci-dessous est purement symbolique car, en réalité, la pénétration du champ et le développement des courants induits se font sur une épaisseur très faible du récipient. Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 4/19 Courant générateur Courants induits z e plaques ferrites plaques ferrites z e Jinduit Figure 1 : Principe de fonctionnement Des plaques magnétiques en ferrite, situées sous l'inducteur, permettent de canaliser les lignes de retour. On retrouve, dans cette représentation schématique, une configuration qui s'apparente à celle d'un transformateur avec des Ampère-tours induits dans le récipient qui s'opposent (loi de Lentz) aux Ampère-tours inducteurs. Trois éléments sont à souligner. Tout d'abord, la distribution du champ due à la structure "pancake" fait que les courants induits ont tendance à se concentrer dans un anneau périphérique. L'échauffement du récipient n'est donc pas homogène avec une zone plus froide au centre. Le second élément est plus fondamental car il concerne la nature même des récipients. Selon l'axe z, la pénétration des courants dépend d'une caractéristique physique du matériau qui est l'épaisseur de peau : F =p πµ ρ δ ρ, résistivité du matériau µ, perméabilité du matériau F, fréquence de fonctionnement A fréquence donnée, plus cette épaisseur caractéristique est faible, plus les courants induits vont se trouver confinés dans une épaisseur faible du matériau, donc se trouver "confrontés" à une résistance élevée. Donnons quelques ordres de grandeur : * Cuivre, ρ = 1.75 10-8Ωm, µ = µo, δδδδp = 0,47mm à F = 20kHz * Aluminium, ρ = 2.7 10-8Ωm, µ = µo, δδδδp = 0,58mm à F = 20kHz * Acier inox, ρ = 11.75 10-8Ωm, µ = 100µo (excitation forte) , δδδδp = 0,12mm à F = 20kHz Il s'avère que la résistance apparente présentée à l'inducteur est beaucoup plus faible dans le cas des métaux conducteurs amagnétiques comme le cuivre et l'aluminium, du fait d'une épaisseur de peau relativement élevée. En pratique, la conception d'un système viable passe par l'utilisation de fréquences raisonnables, proches de quelques dizaines de kHz et, dans ce contexte, seuls les matériaux présentant une perméabilité élevée conduisent à des résistances apparentes adaptées à la chaine générateur-inducteur. Ainsi, un récipient en aluminium se Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 5/19 comportera quasiment comme un court-circuit franc vis-à-vis de cette chaîne. On comprend donc la nécessité d'un label qualifiant les récipients "aptes au service" de l'induction. Le troisième et dernier élément est relatif à l'exposition des personnes aux champs magnétiques. Un couple récipient-inducteur plan comme celui de la figure 1, même dans l'hypothèse d'un récipient couvrant totalement l'inducteur, présente évidemment des lignes de fuite. Le champ magnétique ainsi rayonné, qui reste faible, n'en conduit pas moins à une exposition de l'utilisateur. Si l'on connaît très mal les effets physiologiques des champs magnétiques sur l'être humain, tant à ces fréquences qu'à des fréquences beaucoup plus élevées (téléphone portable), le principe de précaution pousse les autorités en charge de la santé publique à tenter d'imposer des niveaux de champ extrêmement faibles. III- Bilan des solutions techniques utilisées dans les produits actuels III.1- Les inducteurs Les inducteurs présents dans les systèmes actuellement sur le marché sont principalement des inducteurs "pancake" classiques (figure 2-a) fonctionnant à des fréquences comprises entre 20 et 100kHz. Ils sont munis, sur leur partie inférieure, de plaques de ferrites, de nombres et de dimensions variables selon les produits, mais toujours disposées de façon à former un circuit de retour. a - Inducteur simple b - Inducteur double Figure 2 : Inducteurs "pancake" Certains systèmes plus élaborés contiennent des inducteurs doubles (figure 2-b), c'est-à- dire constitués de deux enroulements concentriques, ce qui permet de résoudre en partie le problème d'adaptation à la taille du récipient, en n'alimentant que la zone centrale, si cette taille est faible. Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 6/19 a - Bobines carrées b - Bobines rectangulaires Figure 3 : Inducteurs "multi-enroulements" La problématique de la réduction des champs rayonnés n'est pas réellement prise en compte dans ces dispositifs. Plus récemment une nouvelle classe d'inducteurs multi- enroulements est apparue sur le marché (figure 3) et font partie intégrante du projet sur lequel nous travaillons actuellement. Constitués par l'association d'éléments modulaires carrés ou rectangulaires, ils sont potentiellement multi-formes. Il est en particulier possible de réaliser des inducteurs à plusieurs zones, en alimentant qu'une partie des bobines, ou adaptés à des récipients oblongs tels les poissonnières. Parallèlement, Un choix judicieux du signe du courant injecté dans chacune des bobines (compensation de flux) permet d'obtenir une réduction considérable du champ de fuite par rapport aux solutions "pancake" classiques. Quel que soit la structure de ces inducteurs, les conducteurs utilisés pour bobiner ces inducteurs sont toujours divisés, de façon à limiter l'influence de l'effet de peau, qui est considérable dans les gammes de fréquence considérées. A nouveau, selon les produits, le facteur de division varie mais est généralement compris entre 10 et 100. Les caractéristiques de ces inducteurs sont déterminantes dans les performances de l'ensemble et ils constituent sûrement le maillon encore le plus susceptible d'évolution. Si leur conception a relevé, par le passé, d'un grand empirisme, certains constructeurs abordent maintenant le problème de façon beaucoup plus rigoureuse en utilisant notamment le calcul électromagnétique par éléments finis. Ainsi, des inducteurs "pancake" à pas de bobinage variables (amélioration de la répartition des courants induits dans le récipient et donc de l'homogénéité thermique) tout comme les inducteurs multi-enroulements précédents ont été optimisés avec de tels outils. Un autre aspect de l'étude de ces inducteurs est leur modélisation électrique, nécessaire aux simulations portant sur l'ensemble générateur-inducteur. La figure 4-a montre un type de modèle développé dans ce but et qui permet de représenter assez fidèlement le comportement d'un ensemble inducteur-générateur. Ce modèle s'inspire fortement de celui, très classique, des inductances à noyau magnétique avec un couple L,R correspondant aux composantes parasites de l'inducteur (résistance de l'inducteur et inductance de fuite) et un ensemble R1, R2, L1, L2, circuit en "échelle" qui représente la charge globale avec une prise en compte sommaire des courants de Foucault. Un tel modèle équivalent ne peut malheureusement être établi, dans l'état actuel des choses, qu'à partir de relevés expérimentaux avec un inducteur déjà existant et ses paramètres ne sont valables que pour un récipient donné. Ceci étant, il est valide dans une assez large Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 7/19 bande de fréquence et permet d'évaluer avec une relative précision les grandeurs électriques (à environ 5% près) et les puissances mises en jeu (à environ 15% près) lorsque l'inducteur est alimenté par un source non-sinusoïdale, comme les générateurs dont nous allons parler dans la suite. La figure 4-b montre la bonne coïncidence que l'on peut obtenir, après "fittage", entre modèle et expérience, sur les parties réelle et imaginaire de l'impédance présentée par un ensemble inducteur-récipient. R R1 L L1 R2 L2 a - modèle électrique 100 200 2 4 6 8 10 12 14 16 20 18 Rs (Ω) f(kHz) Ls (µH) 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 120 140 160 180 MODEL EXPERIMENTAL RESULTS Ls (µH) Rs (Ω) b - Comparaison entre résultats expérimentaux et modèles Figure 4 : Modèles d'inducteurs "pancake" III.2- Les générateurs Les générateurs utilisés peuvent être classés en deux grandes catégories. Les systèmes Européens sous 230V utilisent des onduleurs à résonance (figure 5-a) tandis que le réseau Japonais 120V a généré une culture de générateurs mono-interrupteurs (figure 5-b et c). Dans tous les cas, l'inducteur est associé à un condensateur de façon à réaliser un circuit résonnant qui permet de compenser (plus ou moins bien) sa forte composante réactive. Toutes ces structures fonctionnent à fréquence variable pour le réglage de la puissance. En Europe, la structure de l'onduleur de tension à résonance série est un "standard". Le courant dans la charge est quasiment sinusoïdal (figure 5-a) au régime nominal (avec un récipient adapté), et la tension maximale aux bornes des composants à semi-conducteurs est la tension d'alimentation de l'onduleur, soit 350V max pour un réseau 230V redressé. Elle conduit à une excellente utilisation des composants à semi-conducteur. Ainsi, pour réaliser un système d'environ 3kW, les composants sont soumis à des contraintes instantanées qui sont environ : iTmax = 60A et vTmax = 350V, Ils sont donc choisis dans la gamme "50A-600V". Actuellement, avec l'avènement de circuits de commande à potentiel flottant économiques pour MOSFET ou IGBT, on voit mal quelle structure pourrait se substituer à cet onduleur à résonance série sur nos réseaux. Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 8/19 Sur des réseaux plus basse tension (120V), comme celui du Japon, où il faut noter que les systèmes de cuisson à induction sont beaucoup plus largement répandus qu'en Europe, on peut utiliser des générateurs dont la structure de principe est plus simple (1 seul interrupteur). En réalité, les contraintes électriques y sont telles qu'un foyer de 1,5kW nécessitera l'utilisation de composants de la classe "50A-800V", dans le meilleur des cas, sur un réseau 120V, et "50A-1500V" sur nos réseaux, ce qui les rends, dans ce dernier cas, difficilement viables sur le plan économique. Les systèmes Japonais exploitent pourtant essentiellement ce type de générateurs mais ce choix résulte d'une meilleure adéquation d'ensemble (y compris de l'inducteur) à leur réseau basse tension. C1 Inducteur E C2 vond t E iind iTmax vTmax a - Onduleur à résonance serie Co Inducteur E Demi-onde Pleine onde iind iTmax vTmax t t b - Mono-interrupteur ZVS Ind. E Le Co Pleine onde Demi-onde iind iTmax vTmax t t c - Mono-interrupteur ZCS Figure 5 : Topologies des Convertisseurs D'une façon générale, ces structures DC-AC sont alimentés directement par un redresseur à diodes connecté au réseau 120V ou 230V. Si un condensateur de découplage de faible valeur (quelques µF) est présent pour le découpage HF, il n'y a pas de filtrage BF et la tension aux bornes de ces structures est de forme sinusoïdale redressée. Ceci est parfaitement compatible avec l'application car la variation de puissance électrique résultante n'est pas visible sur le plan thermique. Mieux, à fréquence HF et charge données, ce choix permet d'obtenir une absorption sinusoïdale naturelle sur le réseau, après filtrage des composantes harmoniques HF par les inévitables filtres CEM (comportement résistif équivalent de l'ensemble onduleur- inducteur-charge, hors composantes harmoniques). Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 9/19 III.3 - Les systèmes A partir des éléments de base décrit précédemment, différentes architectures du système "plaque de cuisson" sont envisageables (figure 6). La plus simple est le mono-foyer, sur lequel on a peu de latitude puisqu'il faut évidemment mettre en oeuvre un inducteur et un générateur. Générat. a - Foyer unique Générat. b - Deux foyers générateur unique Générat. Générat. c - Deux foyers deux générateurs Figure 6 : Organisation actuelle des plaques de cuisson Pour les plaques multi-foyers (2 ou 4), deux stratégies principales sont mises en oeuvre. La première consiste à n'utiliser qu'un seul générateur pour deux foyers (figure 6-b). En cas d'utilisation simultanée de ces deux foyers, le générateur est alternativement connecté à chacun d'entre eux par un relais électro-mécanique, avec une séquence dépendant de la répartition de puissance désirée. Sachant qu'un ensemble de deux foyers ne peut absorber, au maximum, que les 3,6kW autorisés par une prise 230V-16A (7,2kW sur une prise 32A, dans le cas d'une plaque à 4 foyers), il suffit que ce générateur unique soit lui-même dimensionné à 3,6kW pour offrir toutes les combinaisons possibles de puissance sur les deux foyers, y compris la configuration 3,6kW sur l'un lorsque l'autre est au repos. Sur le plan économique, cette solution est très intéressante. Elle souffre de deux inconvénients à l'utilisation. La commutation électromécanique assurant la répartition de puissance se fait à une fréquence obligatoirement basse (quelques Hz). Elle est relativement bruyante et induit un phénomène de bouillonnements alternés dans les deux récipients. La seconde solution reprend la logique d'un générateur par foyer (figure 6-c). Elle est nettement moins intéressante que la précédente sur le plan économique puisqu'elle nécessite deux générateurs de 3,6kW, si l'on veut assurer la même fonction (possibilité d'avoir toute la puissance sur un foyer). Un autre problème se pose dans cette architecture. Comme nous l'avons déjà indiqué, le principe de fonctionnement des générateurs implique une commande à fréquence variable. Avec deux fréquences distinctes dans le même système, on risque fort d'être confronté à des phénomènes de battements, qui interviennent tout d'abord dans la partie électrique mais sont ensuite amplifiés par les récipients, ce qui provoque une nuisance sonore désagréable pour l'utilisateur. Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 10/19 Pour éviter ou limiter ces effets, il faut soit introduire un découplage électrique sérieux des deux générateurs à l'aide de filtres, ce qui contribue à alourdir encore cette solution, soit opter pour un mode de commande alterné des deux générateurs par paquets de périodes réseau (cf. contrôle). III.4- Le contrôle La définition puis la mise en œuvre des principes de contrôle d'un système de cuisson à induction sont des aspects très sensibles de sa conception. Ils déterminent ses performances en terme de souplesse, de rapidité de réaction, d'exploitation de la puissance disponible. Ils sont également essentiel sur le plan de la robustesse, dans un contexte ou la charge est a priori inconnue. Les principaux points délicats du contrôle sont la détection du placement ou du retrait d'un récipient sur l'inducteur, le choix du point de fonctionnement en fonction de la puissance demandée par l'utilisateur mais en tenant compte des contraintes appliquées à l'électronique, le contrôle simultané de la puissance sur plusieurs foyers avec des générateurs commandés à fréquence variable et d'une manière générale, la sûreté de fonctionnement dans le milieu hostile que peut constituer une cuisine avec ses usagers, dont la préoccupation n'est évidemment pas de ménager des transistors IGBT dont ils ignorent l'existence. Tous les systèmes présents sur le marché font appel à des commandes majoritairement ou totalement numériques. Le générateur sur lequel nous travaillons est contrôlé par un DSP qui assure l'intégralité des fonctions de commande, de régulation et de détection. Les quelques précisions que nous apportons ci-dessous correspondent à cette configuration mais les principes sous-jacents sont assez généraux même si leur réalisation peut différer selon le contrôleur utilisé. III.4.1-Détections Le principe des détections est un point essentiel et sensible du "know-how" industriel. Il est donc délicat de l'aborder en détail et nous n'indiquerons ici que quelques éléments de base. L'ensemble des procédures de régulation et de sécurité est basé principalement sur la mesure du courant dans l'inducteur. Lorsqu'un utilisateur met en route un foyer par l'intermédiaire du clavier sensitif (présent dans tous les produits), le contrôleur met en route un cycle de démarrage de l'onduleur correspondant, qui débute par une première scrutation sur quelques périodes de découpage à fréquence maximale (FMAX≥ 50kHz), sans risque pour l'onduleur. Pendant cette phase, la lecture du courant dans l'inducteur et de quelques autres paramètres, permet de déterminer si l'on a affaire à un récipient acceptable (mais pas obligatoirement bien adapté). Si ce n'est pas le cas, on ne lance pas le découpage et l'on informe l'utilisateur (clignotement au clavier par exemple). Si c'est le cas, à partir de la valeur FMAX, on réduit ensuite progressivement la fréquence en vérifiant que les différents paramètres critiques restent dans une enveloppe préalablement définie considérée comme sûre pour l'onduleur (cf. paragraphe suivant), pour arriver, si le récipient est adapté, au point de fonctionnement en puissance demandé par l'utilisateur. En cas d'inadaptation de ce même récipient, le système peut éventuellement se positionner dans un régime à la limite de l'enveloppe mais ne correspondant pas au réglage souhaité (puissance plus faible). Pour la détection de retrait du récipient, disons simplement que le contrôle du courant inducteur mis en place pour le réglage du point de fonctionnement (cf. paragraphe suivant) Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 11/19 permet de détecter aisément et rapidement le passage d'un point de fonctionnement à puissance donnée au fonctionnement à vide apparaissant lors du retrait. On augmente alors la fréquence de découpage pour limiter le courant. Une difficulté est ici de trouver le bon niveau de sensibilité, afin de ne pas arrêter intempestivement le générateur s'il s'agit simplement d'un déplacement fugitif du récipient. III.4.2- Réglage du point de fonctionnement d'un foyer et sécurités Le réglage du point de fonctionnement en régime normal utilise également la mesure du courant inducteur. La figure 7 illustre le type de contrôle que l'on peut imaginer d'appliquer. Un transformateur de courant permet d'avoir une image propre du courant inducteur, dont la forme évolue de presque triangulaire, à fréquence élevée, jusqu'à presque sinusoïdale à la résonance. A partir de ce courant et de la séquence de commande des IGBT, il est possible de reconstituer le courant "calculé" de la figure 7. vond t E iind t IGBTt Diode t Cde IGBT1 Cde IGBT2 Courant calculé Figure 7 : Exemple de mesure de courant utilisée Ce courant reconstitué correspond à celui conduit par un couple IGBT-diode et peut donner différentes informations : - à tension d'alimentation donnée, sa valeur moyenne donne l'image de la puissance dans l'inducteur, - il contient les informations "courant crête" et "courant commuté" dans l'IGBT, - il permet de retrouver les durées de conduction respectives de la diode (valeurs négatives) et de l'IGBT (valeurs positives) dont on peut déduire aisément le déphasage entre le courant inducteur et la tension de l'onduleur. Différentes exploitations de ces données sont possibles. Un exemple de solution consiste à utiliser l'information puissance pour réaliser une régulation de cette grandeur à partir de la consigne imposée au clavier par l'utilisateur. Cette régulation agira sur la fréquence de fonctionnement de l'onduleur. Parallèlement à cette régulation, qui peut être à constante de temps relativement lente, un contrôle du courant crête et du déphasage permet de définir l'enveloppe de sécurité que nous évoquions précédemment. La limitation du courant crête par Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 12/19 action sur la fréquence est un élément évident de sécurisation mais qui est efficacement complété par la mesure de déphasage. Ce dernier ne doit pas passer en dessous d'une valeur minimale afin d'être certain de rester en mode ZVS. Parallèlement, à cette valeur minimale, le système est proche de la résonance avec un courant commuté faible (faibles pertes par commutations), le courant crête peut donc être maximal. Inversement, lorsque l'on se rapproche d'un déphasage de π/2, le courant commuté se rapproche du courant crête et les pertes augmentent sensiblement. Une bonne technique est donc de pondérer la limitation de courant crête par la mesure de ce déphasage, ce que peut faire aisément un contrôleur moderne. La limitation globale obtenue agira également sur la fréquence, de façon prioritaire à l'action de la régulation de puissance. III.4.3- Réglage de puissance sur deux foyers Nous avons déjà évoqué la problématique du réglage simultané de deux foyers. Nous apportons ici quelques précisions. Sur la figure 8-a, nous avons fait apparaître le principe de fonctionnement d'une configuration comprenant un seul onduleur pour deux foyers. Un relais électromécanique aiguille la puissance alternativement d'un foyer à l'autre à une fréquence proche du hertz. Sur l'illustration présentée, qui ne fait apparaître que l'enveloppe des courants dans les inducteurs, le point de fonctionnement correspond sensiblement à une puissance totale de 3kW répartie équitablement entre les deux foyers. Pour un tel régime, la puissance fournie à un inducteur pendant sa phase de connexion à l'onduleur est de 3kW pour une puissance moyenne de 1,5kW. La figure 8-c est un zoom qualitatif permettant de mieux comprendre l'imbrication des fréquences BF et HF. t t Onduleur sur inducteur 1 Onduleur sur inducteur 2 Pcrête = 3000W Pmoyenne = 1500W Onduleur 3000W x 1 Fréquence réseau (BF) Enveloppe du courant inducteur1 Enveloppe du courant inducteur2 a - Commande avec aiguillage par relais Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 13/19 Onduleur sur inducteur 1 Pmoyenne = 1500W Onduleur sur inducteur 2 Pcrête = 3000W Onduleur Onduleur t t 3000W 3000W x 2 Fréquence réseau Enveloppe du courant inducteur1 Enveloppe du courant inducteur2 b - Commande par trains de périodes secteur Enveloppe tension secteur redressée Alternance de commande sur les deux générateurs Fréquence de découpage > 20kHz c - Zoom qualitatif de la commande par trains de périodes secteur Figure 8 : Principes classiques du réglage de puissance sur deux foyers La figure 8-b montre un principe similaire mais correspondant à l'existence d'un onduleur par foyer. Il n'y a plus de commutation électromécanique et la fréquence d'aiguillage peut être beaucoup plus élevée, ce qui élimine le bouillonnement alternée. Ce choix implique néanmoins de dimensionner chacun des deux onduleurs pour 3kW. Dans ce second cas et contrairement à l'illustration, il est parfaitement imaginable que les deux onduleurs fonctionnent simultanément. Il faut alors prendre garde aux éventuels phénomènes de battement si les deux fréquences de découpage sont différentes. III.4.4-Le Booster Les dernières évolutions des produits présents sur le marché comportent une fonction "booster", chère aux constructeurs de différents appareils "grand public". Elle correspond Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 14/19 simplement à l'autorisation temporaire d'un fonctionnement à puissance élevée (3kW à 3,2kW), pour un ensemble dimensionné à 2,6-2,8kW. La durée de fonctionnement de ce booster est limitée par la température maximale de fonctionnement des composants qui est également mesurée et contrôlée. Cette durée peut être comprise entre 10 et 20mn. Ceci permet, par exemple, d'emmener plus rapidement à ébullition un important volume d'eau. IV- Perspectives d'évolution IV.1 - Problématique du module à deux foyers Dans la partie précédente, nous avons indiqué que les solutions actuellement utilisées, bien que tout à fait opérationnelles, souffrent toutes d'inconvénients. Un challenge immédiat est l'amélioration de cette brique de base organisée autour de deux foyers, en particulier en ce qui concerne l'électronique d'alimentation. IV.1.1 - Un bras d'onduleur et deux foyers La solution d'un bras d'onduleur pour deux foyers, qui conduit à une électronique minimale, est une solution sur laquelle nous avons beaucoup travaillé pour essayer de résoudre le problème de la répartition de puissance sur les deux foyers sans commutation électro-mécanique, au moins en régime établi. Un exemple de développement sur cette base est illustré par le schéma de la figure 9-a. Les deux inducteurs sont alimentés simultanément par le même générateur mais sont associés à des condensateurs distincts qui créent donc deux fréquences de résonances différentes. Sur la figure 6-b, nous rappelons comment évolue qualitativement la puissance en fonction de la fréquence dans un onduleur à résonance, à charge et à fréquence de résonance données (courbe P1). En ajustant la fréquence de commande dans ce graphe, on peut donc régler la puissance. On choisit un inducteur maître (ici l'inducteur 1, courbe P1) à condensateur de résonance fixe et avec une fréquence de commande correspondant au point de puissance désiré sur ce maître (M1). La fréquence de résonance du second inducteur est ajustable par commutation de la capacité de résonance (réglage discret par commutation électro-mécanique). En ajustant cette fréquence de résonance (avec fo2 > fo1), on peut régler la puissance sur le second inducteur (M2 ou M'2). La commutation électromécanique n'intervient que pour changer le réglage de puissance, donc lors d'une sélection au clavier, et non plus en permanence. Une combinaison bien choisie de 4 condensateurs permet d'avoir accès à 16 points de réglage sur l'inducteur esclave, ce qui est suffisant pour la fonction. Il est important de préciser que pour fonctionner dans des conditions optimales en termes de pertes dans les composants à semi-conducteurs, l'onduleur à résonance série doit normalement fonctionner à une fréquence supérieure à la fréquence de résonance. En fait, cela correspond à une configuration où le courant dans un transistor est positif à l'instant ou l'on veut inverser le signe de la tension délivrée par l'onduleur à la charge résonnante. Dans le cas plus complexe proposé ici, il faut toujours respecter cette dernière condition, sachant que le courant délivré par l'onduleur est maintenant la somme de deux courants de natures différentes. Les figures 9-c et 9-d montrent un exemple de fonctionnement (simulation et expérience) où l'on aboutit à ces conditions de fonctionnement favorables. Malheureusement, bien que le principe ait été validé, l'économie d'un deuxième bras conduit à une structure "relais + condensateurs" lourde à gérer et dont le comportement en régulation de puissance n'est pas simple à maîtriser, si l'on veut éviter des phases de Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 15/19 "cliquetis" bruyantes dans la recherche de certains points de fonctionnement. Comme cela arrive souvent dans ce type de développement, la solution, bien qu'intéressante, n'a pas été jugée suffisamment "améliorante" pour être plus approfondie. Pour l'anecdote, ce principe de mélange de deux fréquences de résonance sur un seul bras est particulièrement intéressant au niveau de l'étude théorique. i1 i2 Co1 iT Co2 Inducteur 1 Inducteur 2 a - Structure P1 fo2 f P2 fo1 f'o2 P'2 M1 M2 M'2 b - Zones de fonctionnement 15 10 5 0 -5 -10 -15 (AMP.) iT i1 i2 t 5µs 10µs 15µs 20µs 35µs25µs 30µs c - Résultats de simulation (AMP.) 15 10 5 0 -5 -10 -15 i2 iT i1 t 5µs 10µs 15µs 20µs 25µs 30µs 35µs d - Résultats expérimentaux Figure 9 : Principe d'un système multi-inducteurs/générateur unique IV.1.2- Deux bras d'onduleur et deux foyers Par la force des choses et de la logique industrielle (mise en œuvre de solutions éprouvées pas forcément optimales suivie d'une réduction forcenée des coûts), tous les produits récemment conçus comportent deux bras d'onduleurs à IGBT, un pour chacun des deux foyers, sur lesquels sont appliqués les principes de contrôle décrits au paragraphe 3.4. Comme nous l'avons déjà dit, un bras devra donc être capable de fournir la puissance maximale, ce qui correspond à des courants très important (80A crête en booster) et des pertes élevées concentrées sur deux composants. Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 16/19 Une solution sur laquelle nous travaillons actuellement mais dont nous ne pouvons préciser les détails, consiste à utiliser les deux bras dans une configuration en pont pour alimenter l'inducteur fonctionnant à pleine puissance. La structure multi-enroulements des inducteurs utilisés permet de modifier l'interconnexion des bobines de façon à obtenir une impédance plus élevée, nécessaire au fonctionnement en pont. Le gain obtenu est alors considérable puisque, à puissance donnée, le courant est divisé par deux et les pertes sont réparties dans quatre composants au lieu de deux. Le problème est qu'il reste nécessaire d'alimenter éventuellement le deuxième inducteur, évidemment à puissance faible mais réglable indépendamment du premier. Toute l'astuce consiste alors à trouver un moyen de découpler ce réglage de puissance entre deux inducteurs alimentés par le même pont. IV.2- Le plan de chauffe ou la généralisation du concept multi-inducteurs Les systèmes de cuisson à induction ayant maintenant largement fait leurs preuves le besoin de nouvelles fonctionnalités apparaît logiquement, soit exprimé par les utilisateurs finaux, soit plus ou moins habilement créé par les constructeurs eux-mêmes, pour "booster" la consommation. Dans ce bouillonnement d'idées parfois loufoques, le plan de chauffe est un concept évoqué régulièrement, dont l'intérêt certain (dans un contexte haut de gamme ou professionnel) n'a d'égal que la complexité technique qui se cache derrière. Il nous paraît intéressant d'en aborder ici la problématique qui résume assez bien les principales tendances d'évolution que l'on peut imaginer sur les différents maillons de la chaîne. La figure 10 montre ce que pourrait être ce système ultime. Les foyers ne sont plus localisés mais une disposition matricielle d'inducteurs élémentaires, couvrant l'intégralité de la table, permet d'introduire cette notion de plan de chauffe à induction. Figure 10 : Principe d'une table de cuisson"universelle" L'utilisateur peut placer le récipient où bon lui semble, un système de détection identifie les inducteurs élémentaires concernés. La taille du récipient importe peu et l'on peut imaginer d'injecter les 7,5kW correspondant à la prise domestique 32A dans un unique récipient de grande taille ou dans une demi-douzaine de petites casseroles. Parallèlement, cette philosophie semble être celle qui est la plus à même d'apporter des solutions au problème du Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 17/19 rayonnement électromagnétique. En effet, cette structure se caractérise par une grande adaptabilité de la zone inductrice au récipient et les possibilités de couplage offertes par l'existence de ces inducteurs élémentaires permettent d'espérer des mécanismes de compensation de champ. Le côté séduisant de ce dispositif va évidemment de pair avec son extrême complexité. La détection constitue une difficulté évidente. D'autre part, l'existence de plusieurs dizaines d'inducteurs élémentaires suppose un système d'alimentation et un réseau d'interconnexions sortant de l'ordinaire. IV.2.1 - Incidence probable sur la conception des inducteurs Le plan de chauffe implique la mise en œuvre d'un grand nombre d'inducteurs élémentaires (disons entre 30 et 100), d'une puissance de quelques centaines de Watt. Le coût unitaire de ces inducteurs devra être très bas et leur disposition matricielle devra faire appel à des solutions d'interconnexion particulièrement astucieuses. Celles-ci seront fortement liées au principe de l'électronique d'alimentation. IV.2.2- Incidence probable sur le conception de l'électronique Nous avons déjà largement évoqué le problème du contrôle de deux inducteurs. Il est donc clair que l'alimentation optionnelle de quelques dizaines d'inducteurs élémentaires est un challenge considérable. Différentes solutions peuvent être envisagées, mais celle qui nous paraît la plus plausible est d'associer un convertisseur élémentaire à chaque inducteur. Si l'on parvient à synchroniser ces convertisseurs, ils peuvent être tous connectés sur la même ligne d'alimentation continue. Une telle disposition permettrait d'éviter toute commutation électro-mécanique, chaque convertisseur étant capable d'alimenter ou d'isoler l'inducteur associé. La figure 11 montre un exemple de topologie qui pourrait s'intégrer dans cette philosophie. T1 D C T2 Inducteur iind vT2 vc Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 18/19 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 t (µs) tensions (V) -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 Courant (A) vc iind vT2 Régime à faible rapport cyclique (0,08) -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 t (µs) tensions (V) -50.00 -40.00 -30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 Courant (A) vc iind vT2 Régime à fort rapport cyclique (0,5) Figure 11 : Exemple de convertisseur adapté à des systèmes multi-inducteurs Elle n'a pas été évoquée dans la partie précédente car elle mal adaptée à des puissances pouvant atteindre 3kW. Par contre, dans le contexte ici présent, ses caractéristiques sont tout à fait intéressantes. Si elle est toujours basée sur l'exploitation d'un bras de pont et d'un mécanisme de résonance, elle peut être commandée en modulation de largeur d'impulsion, à fréquence constante. Des exemples de formes d'ondes obtenues en simulation (figure 11) donnent une idée générale du mode de fonctionnement. Il est alors possible d'associer n structures identiques synchronisées sur la même fréquence de découpage. IV.2.3- Incidences technologiques probables Le nombre élevé d'inducteurs élémentaires et de convertisseurs nécessaires à la mise en œuvre de ces systèmes implique de revoir complètement les principes de réalisation. Le câblage filaire traditionnel paraît peu envisageable et des solutions de report sur des matrices de connexion planes doivent être envisagées. La réalisation d'inducteurs imprimés (PCB ou SMI) est également une hypothèse de réflexion intéressante. Elle pourrait s'accompagner de Article_Forest/Montloup/Gaspard Page 19/19 l'intégration des convertisseurs sur le même support. Les volumes de fabrication de ces systèmes sont tels (unité de base : 100 000 exemplaires/an) que des choix technologiques relativement sophistiqués peuvent être fait pour peu qu'ils fassent appel à des matériaux économiques et à des procédés de fabrication adaptés à la grande série. V- Conclusion Nous avons essayé de montrer quelques uns des aspects et enjeux techniques qui se cachent sous la plaque vitrocéramique d'une table à induction ainsi que leurs interactions avec sa fonction d'usage. L'observation des performances des systèmes existants ou le potentiel des extrapolations que nous avons présentées nous conduisent à souligner une nouvelle fois, tout l'intérêt que peut présenter l'introduction de techniques avancées du génie électrique dans la vie de tous les jours, pour en améliorer le confort mais aussi la sécurité. D'autre part, il nous faut également rappeler l'ampleur de l'investissement en matière grise et en moyen nécessaire à la résolution du paradoxe "coût - performances", indispensable à la pénétration des marchés grand public.