ES2335879T3 - Generador de alimentacion de un circuito oscilante, para una placa de coccion por induccion. - Google Patents
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Abstract
Generador de alimentación de un circuito oscilante que comprende una inductancia (L) y un condensador de resonancia (C3, C4), apto para funcionar con una frecuencia fija y que comprende al menos una pareja de transistores (I1, I2) montados en semipuente y controlados siguiendo una relación cíclica variable (δ) para modificar la potencia, alimentando el punto de unión de dichos transistores la inductancia de resonancia, caracterizado porque comprende un primer diodo (D5) entre un primer transistor (I2) de dicha pareja y la alimentación de dicho generador y un segundo diodo (D4) entre el punto de unión de la inductancia (L) y del condensador de resonancia (C3, C4) y el punto de unión de dicho primer transistor (I2) y de dicho primer diodo (D5) estando conectado dicho segundo diodo de forma que durante una fase de funcionamiento la corriente en la inductancia circule en el cortocircuito formado por dicho segundo diodo y dicho primer transistor.
Description
Generador de alimentación de un circuito
oscilante, para una placa de cocción por inducción.
La presente invención se refiere a un generador
de alimentación de un circuito oscilante.
También se refiere a un conjunto de dichos
generadores y a una placa de cocción por inducción que comprende
varios generadores según la invención.
La presente invención se dirige en general a los
sistemas de calefacción por inducción y en especial a las placas de
cocción que comprenden varios focos alimentados con respectivos
generadores.
Dichas placas de inducción necesitan la
generación de una corriente de alta frecuencia, del orden de de 20
a 50 kHz, en el recipiente o material que se desea calentar.
Clásicamente, esta corriente se crea con un
campo magnético procedente de un inductor acoplado a un generador
de potencia.
Generalmente, este generador de potencia es un
generador de resonancia como se muestra en la figura 1.
El generador de potencia se alimenta a partir de
una red eléctrica, con una tensión de alimentación rectificada y
filtrada E.
De este modo, en cada foco F, que comprende una
inductancia y una carga resistiva R formada fundamentalmente por el
recipiente que se desea calentar, van asociados condensadores de
resonancia C_{3}, C_{4} para formar un circuito resonante a la
pulsación \omega de tipo
L(C_{3}+C_{4})\omega^{2} = 1.
El funcionamiento de resonancia es tanto más
importante cuanto más importante sea el par frecuencia de recorte/
/
potencia del generador.
potencia del generador.
Esto ocurre particularmente en la inducción cuya
frecuencia de recorte es de al menos 20 kHz y las potencias
emitidas por el generador son del orden de 3 kW.
La utilización de estos generadores de
resonancia permite transmitir una potencia máxima a una carga
inductiva al colocarse en la frecuencia de resonancia del sistema de
alimentación.
Se puede además hacer trabajar a los
semiconductores de estos generadores de potencia sin pérdidas por
conmutación, para evitar recalentamientos importantes en los
semiconductores.
De esta manera clásica, se obtiene un modo de
conmutación suave en el cero de tensión de los transistores
I_{1}, I_{2} proporcionando a esos transistores I_{1}, I_{2}
de manera habitual con diodos D_{1}, D_{2} y condensadores
C_{1}, C_{2}.
Para conservar estos modos de conmutación suave,
las regulaciones de potencia en los generadores se efectúa por lo
general regulando la frecuencia de trabajo en torno a la frecuencia
de resonancia.
Esta modulación de potencia por variación de la
frecuencia de trabajo del generador presenta sin embargo muchos
inconvenientes.
En particular, el intervalo de frecuencia en el
que debe variar el generador es relativamente alta si se quiere que
la potencia modulada varíe también en un intervalo fuerte (en una
relación de 1 a 10 por ejemplo).
Además, cuando varios generadores de resonancia
trabajan en paralelo, es imposible sincronizarlos si se quiere
conservar una posibilidad de modulación de potencia
independiente.
Esta situación genera ruidos de intermodulación
entre los distintos generadores que trabajan cerca con frecuencias
diferentes.
Un ejemplo de este tipo de generador resonante
de conmutación suave se muestra en el documento FR 2 792 157.
Éste describe una solución en la que se pueden
controlar varios inductores con la misma tensión, con una misma
frecuencia, pero con una relación cíclica regulable de acuerdo con
lo conocido por el estado de la técnica en el sistema anterior de
modulación de anchura de impulsión MLI.
Sin embargo, en el documento FR 2 792 157, este
tipo de funcionamiento necesita utilizar estructuras particulares
que empleen la noción de generador maestro y generadores esclavos
cuyos funcionamientos estarían vinculados al funcionamiento del
generador maestro.
Este tipo de estructura es poco apta para un
conjunto de placas de cocción por inducción en el que cada uno de
los focos debe funcionar de manera independiente sin que se pueda
definir un maestro y uno o varios esclavos.
La presente invención tiene el objetivo de
resolver los citados inconvenientes y proponer un generador de
alimentación de un circuito oscilante que permita una modulación de
potencia a partir de una frecuencia fija, en una relación de
potencia importante.
Con este fin, la presente invención se refiere
en primer lugar a un generador de alimentación de un circuito
oscilante que comprende una inductancia y un condensador de
resonancia, apto para funcionar con frecuencia fija y que comprende
al menos una pareja de transistores dirigidos siguiendo una relación
cíclica variable para modificar la potencia.
Según la invención, este generador comprende un
primer diodo entre un primer transistor de dicha pareja y la
alimentación del generador, y un segundo diodo entre el punto de
unión de la inductancia y del condensador de resonancia y el punto
de unión del primer transistor y del primer diodo.
Gracias a este montaje particular, la fase de
funcionamiento del generador en el que conduce el segundo diodo es
relativamente corta.
Esta fase de funcionamiento, que corresponde a
un funcionamiento lineal del generador, es por tanto muy pequeña en
comparación con el funcionamiento en resonancia de ese generador, de
forma que se puede maximizar la potencia restituida por éste.
Según una característica preferida de la
invención, los transistores están asociados a diodos y condensadores
aptos para generar un funcionamiento en conmutación suave en el
cero de tensión de dicho generador.
De este modo se obtiene un generador de
alimentación que funciona con frecuencia fija y con resonancia para
obtener el máximo de potencia en una carga inductiva, y que funciona
en conmutación suave de tipo ZVS (acrónimo del término inglés Zero
Voltage Switch), modo en el que la conmutación se efectúa con una
tensión nula y con la corriente nominal.
Este tipo de conmutación permite evitar
recalentamientos excesivos en los semiconductores que constituyen
el generador de potencia.
La presente invención también se refiere a un
conjunto de generadores de alimentación conformes con la invención,
estando dichos generadores sincronizados en frecuencia y adaptados
para ser dirigidos según una relación cíclica diferente.
Por último, la presente invención también se
refiere a una placa de cocción por inducción que comprende varios
inductores aptos para formar uno o varios focos de dicha placa.
Según la invención, cada inductor está asociado
a un generador de alimentación conforme con la invención, estando
dichos generadores sincronizados en frecuencia y adaptados para ser
dirigidos según una relación cíclica variable independientes entre
sí.
En la descripción que sigue se verán otras
particularidades y ventajas de la invención.
En los dibujos anexos, dados a modo de ejemplos
no limitativos:
- la figura 1 es un circuito eléctrico de un
generador de alimentación según el estado de la técnica, arriba
descrito;
- la figura 2 es un circuito eléctrico de un
generador de alimentación según un primer modo de realización de la
invención;
- las figuras 3, 4 y 5 son curvas que muestran,
en relaciones cíclicas diferentes, los valores de las tensiones y
de las corrientes en distintos puntos del circuito eléctrico de la
figura 2;
- la figura 6 es un circuito eléctrico que
muestra un segundo modo de realización de un generador de
alimentación según la invención;
- la figura 7 es un circuito eléctrico que
muestra un tercer modo de realización de un generador de
alimentación según la invención; y
- la figura 8 es un esquema de bloques que
muestra un conjunto de generadores de alimentación según la
invención.
\vskip1.000000\baselineskip
En primer lugar, y en referencia a la figura 2,
se va a describir un circuito eléctrico de un generador de
alimentación según un primer modo de realización de la
invención.
Este generador comprende dos transistores
I_{1}, I_{2} montados en semipuente y alimentados con una
tensión E correspondiente a la tensión de la red eléctrica
rectificada y filtrada.
De manera clásica, estos transistores I_{1},
I_{2} están asociados a diodos D_{1}, D_{2} y a condensadores
C_{1}, C_{2} siguiendo un montaje que permite una conmutación en
modo ZVS, es decir un modo de conmutación suave al pasar por cero
la tensión.
El circuito oscilante alimentado por dichos
transistores I_{1}, I_{2} está formado por una inductancia L y
condensadores de resonancia C_{3}, C_{4}.
Este tipo de generador de resonancia permite
transmitir una potencia máxima con cargas inductivas de tipo L, R
tales como las que encontramos en los focos de inducción, en los que
las cargas están formadas por un inductor y un recipiente que se
quiere calentar.
A modo de ejemplo aquí, L puede tener un valor
del orden de 50 \muH y los condensadores de resonancia C_{3},
C_{4} un valor de 680 \muF.
Según la invención, un primer diodo D_{5} está
montado en serie en uno de los transistores del semipuente y aquí,
a modo de ejemplo no limitativo, en el transistor I_{2}.
De este modo, este primer diodo D_{5} está
montado entre el transistor I_{2} y la alimentación E del
generador.
Un segundo diodo D_{4} está montado en
paralelo con un condensador de resonancia C_{4}.
Este segundo diodo D_{4} está montado entre el
punto de unión de la inductancia L y del condensador de resonancia
C_{4} y el punto de unión del transistor I_{2} y del primer
diodo D_{5}.
Los diodos D_{4}, D_{5} están montados de
modo que el cátodo del segundo diodo D_{4} está conectado al
cátodo del primer diodo D_{5}.
Por supuesto, se podría obtener un montaje
equivalente montando un diodo en serie con el otro transistor
I_{1} del semipuente y un diodo en los bornes del otro condensador
de resonancia C_{3}.
En las figuras 3, 4 y 5 se muestra el
funcionamiento de este generador conducido por medios de control
(no representados).
En estas figuras, se ha representado con trazo
continuo la tensión en función del tiempo en el punto A del
circuito como se muestra en la figura 2, es decir la tensión en los
bornes de los transistores I_{1}, I_{2}.
La curva en trazo de puntos representa la
corriente I_{L} que circula en la carga inductiva F y la curva
con trazo mixto representa la tensión en el punto B del circuito, es
decir en los bornes de los condensadores de resonancia C_{3},
C_{4}.
La tensión en el punto A es una tensión de
alimentación de frecuencia fija de manera que el período T de
reproducción de las señales es idéntico en las tres curvas de las
figuras de 3 a 5.
El período anotado T_{on} corresponde al
tiempo durante el cual el transistor I_{2}, montado en serie con
el primer diodo D_{5}, conduce.
De este modo, la potencia suministrada puede
variar modificando la relación cíclica \delta correspondiente a
la relación de la duración T_{on} en el período T de repetición de
las señales.
Esta relación cíclica \delta puede variar
entre 0,5 (ver figura 4) donde la potencia es máxima y un valor
\delta máx (ver figura 5) donde la potencia es mínima.
Este valor \delta máx puede estar comprendido
típicamente entre 0,8 y 0,9.
De este modo, la modulación de potencia se
realiza modulando el período T_{on}, es decir el período durante
el cual el transistor I_{2} conduce, conservando la periodicidad
de las señales T constante.
\vskip1.000000\baselineskip
De este modo, se distinguen en cada período T de
funcionamiento cinco fases diferentes, numeradas de 1 a 5 en las
figuras:
Fase
1
El transistor I_{1} conduce. La corriente
I_{L} en la carga inductiva disminuye y los condensadores de
resonancia C_{3}, C_{4} se descargan en modo resonante.
Fase
2
El circuito de control bloquea entonces el
transistor I_{1} La corriente I_{L} carga entonces los
condensadores C_{1}, C_{2} hasta la conducción del diodo
D_{2}, creciendo lentamente la tensión en los bornes de los
transistores I_{1}, I_{2} durante la conmutación, tal y como se
genera con el montaje en conmutación suave de tipo ZVS.
Durante esta fase, el modo resonante formado por
la corriente I_{L} y los condensadores de resonancia C_{3},
C_{4} continúa.
Fase
3
El diodo D_{2} conduce y después también
conduce el transistor I_{2}. Los condensadores de resonancia
C_{3}, C_{4} se descargan en modo resonante de modo que la
tensión en el punto B sube hasta un valor suficiente para obtener
la conducción del segundo diodo D_{4}.
Fase
4
El diodo D_{4} conduce de modo que la
corriente I_{L} no circula en los condensadores de resonancia
C_{3}, C_{4}. La corriente I_{L} se descarga lentamente en el
cortocircuito formado por el segundo diodo D_{4} y el transistor
I_{2} que está siempre en modo conducción.
Esta descarga se efectúa en modo exponencial y
no en modo resonante y el valor de la tensión en el punto B sigue
siendo igual al valor de la tensión de alimentación E.
Se constata que, durante esta fase 4, la
corriente I_{L} decrece más lentamente que en el modo resonante,
decreciendo esta corriente I_{L} siguiendo una pendiente
proporcional a L/R.
De este modo, al final de la fase 4, el valor de
la corriente I_{L} sigue siendo positivo de forma que es posible
obtener una conmutación suave al bloquear el transistor I_{2}.
Fase
5
El bloqueo del transistor I_{2} está
controlado y se observa de manera análoga a la fase 2 que la
tensión decrece lentamente en los bornes de los transistores
I_{1}, I_{2} de acuerdo con el modo de conmutación de tipo
ZVS.
El primer diodo D_{5} se bloquea y después
también el segundo diodo D_{4}, de forma que aumenta la tensión B
en los bornes de los condensadores de resonancia C_{3}, C_{4} y
se hace superior al valor de la tensión de alimentación E.
Esta fase 5 continúa con una nueva fase 1 de un
nuevo período T.
Este funcionamiento es idéntico sea cual sea la
relación \delta elegida. En particular, en la figura 4, con
potencia máxima, cuando \delta es igual a 0,5, la corriente
I_{L} que circula en la carga es muy importante para que la
potencia restituida sea máxima. En particular, esta potencia
suministrada por el generador puede ser muy parecida a la obtenida
con un montaje clásico como el que se muestra en la figura 1, con la
frecuencia de resonancia. La reducción de potencia debida al
funcionamiento en casi-resonancia del generador es
sólo del orden del 25 al 30%.
Además, la fase 4 durante la cual el segundo
diodo D_{4} conduce es muy débil.
Por el contrario, en la figura 5, cuando el
valor de la relación \delta es máximo, se obtiene una corriente
I_{L} relativamente débil correspondiente a una potencia mínima
suministrada por el generador.
Sin embargo se constata que, incluso en este
modo de funcionamiento, la corriente I_{L} sigue siendo
suficiente, al comienzo de las fases 2 y 5 para conservar los modos
de conmutación suave de tipo ZVS y sigue siendo suficientemente
importante para descargar los condensadores C_{1}, C_{2} durante
las fases de conmutación.
De este modo, este circuito eléctrico funciona a
plena potencia en un modo cuasi-resonante adaptado
a las cargas inductivas L, R.
Gracias a la modulación de potencia, modificando
la anchura de banda, es posible trabajar con una frecuencia fija
para el generador.
La profundidad de modulación, comprendida entre
\delta igual a 0,5 y \delta igual a \delta máx es
relativamente importante y corresponde a una relación de potencia de
1 a 7.
Además, sea cual sea la relación cíclica
\delta elegida, permite conservar los modos de conmutación suave
gracias a que la corriente IL decrece débilmente en el circuito.
Por supuesto, la presente invención no se limita
al ejemplo del circuito mostrado en la figura 2.
En particular, se aplica de manera idéntica al
circuito eléctrico de la figura 6, que muestra un segundo modo de
realización de la invención.
En este modo de realización, se realiza un
montaje de un tercer diodo D_{6} y de un cuarto diodo D_{3},
análogos respectivamente al primer diodo D_{5} y al segundo diodo
D_{4}, en el segundo ramal del semipuente, de modo que el tercer
diodo D_{6} está montado en serie con el otro transistor
I_{1}.
El funcionamiento del generador de resonancia
comprende así dos fases lineales, una cuando la corriente I_{L}
es positiva y otra cuando la corriente I_{L} es negativa.
Además, como se muestra en la figura 7, puede
ser interesante sustituir el semipuente por un puente completo que
comprende cuatro transistores Q_{1}, Q_{2}, Q_{3},
Q_{4}.
Este montaje puede ser particularmente eficaz
cuando las tensiones aplicadas son muy importantes, por ejemplo del
orden de 3.000 voltios, pudiendo alcanzar entonces las potencias
suministradas por el generador los 300 ó 400 kW.
Por supuesto, aunque aquí se haya mostrado la
alimentación de un foco F formado por una carga inductiva L, R,
este tipo de generador también se podría utilizar para alimentar una
bobina de un transformador.
Por otro lado, también se podría eliminar el
montaje de conmutación suave (gracias a los condensadores C_{1},
C_{2}) de los transistores I_{1}, I_{2}, ya que los
semiconductores soportan trabajar en conmutación dura.
Como se muestra en la figura 8, el generador de
resonancia según la invención es particularmente apto para
alimentar en paralelo varios focos.
De este modo, los generadores se pueden
sincronizar en frecuencia mientras siguen funcionando siguiendo
relaciones cíclicas (\delta_{1}, \delta_{2} ...
\delta_{n}) diferentes, de modo que la potencia transmitida a
los distintos focos se puede regular de manera independiente entre
sí.
Este tipo de generadores es apto para alimentar
varios focos de una misma placa de cocción por inducción y en
particular una placa formada por un gran número de inductores
dispuestos matricialmente en la superficie de cocción.
Claims (6)
1. Generador de alimentación de un circuito
oscilante que comprende una inductancia (L) y un condensador de
resonancia (C_{3}, C_{4}), apto para funcionar con una
frecuencia fija y que comprende al menos una pareja de transistores
(I_{1}, I_{2}) montados en semipuente y controlados siguiendo
una relación cíclica variable (\delta) para modificar la
potencia, alimentando el punto de unión de dichos transistores la
inductancia de resonancia, caracterizado porque comprende un
primer diodo (D_{5}) entre un primer transistor (I_{2}) de
dicha pareja y la alimentación de dicho generador y un segundo diodo
(D_{4}) entre el punto de unión de la inductancia (L) y del
condensador de resonancia (C_{3}, C_{4}) y el punto de unión de
dicho primer transistor (I_{2}) y de dicho primer diodo (D_{5})
estando conectado dicho segundo diodo de forma que durante una fase
de funcionamiento la corriente en la inductancia circule en el
cortocircuito formado por dicho segundo diodo y dicho primer
transistor.
2. Generador según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichos transistores (I_{1}, I_{2})
están asociados a unos diodos (D_{1}, D_{2}) y a unos
condensadores (C_{1}, C_{2}) aptos para generar un
funcionamiento en conmutación suave de dicho generador.
3. Generador según la reivindicación 2,
caracterizado porque es apto para trabajar en conmutación en
el paso por cero de la tensión.
4. Generador según cualquiera de las
reivindicaciones de 1 a 3, caracterizado porque comprende un
tercer diodo (D_{6}) entre un segundo transistor (I_{1}) de
dicha pareja y la alimentación del generador y un cuarto diodo
(D_{3}) entre el punto de unión de la inductancia (L) y del
condensador de resonancia (C_{3}, C_{4}) y el punto de unión de
dicho segundo transistor (I_{1}) y el tercer diodo (D_{6}).
5. Conjunto de generadores de alimentación según
cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 4, caracterizado
porque dichos generadores están sincronizados en frecuencia y
controlados siguiendo una relación cíclica diferente
(\delta_{1}, \delta_{2} ... \delta_{n}).
6. Placa de cocción por inducción que comprende
varios inductores aptos para formar uno o varios focos de cocción,
caracterizada porque dichos inductores están asociados
respectivamente a generadores de alimentación según cualquiera de
las reivindicaciones de 1 a 4, estando dichos generadores
sincronizados en frecuencia y adaptados para ser controlados
siguiendo una relación cíclica variable de manera independiente
entre sí.
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