METODO DE CONTROL PARA UNA PLACA DE COCINA DE INDUCCION Y PLACA DE COCINA DE INDUCCION ADAPTADA PARA LLEVAR A CABO DICHO METODO.

Un método para activar simultáneamente dos calentadores de inducción (A,

B) de una placa de inducción (10) o similar, de tal modo que cada calentador de inducción (A, B) está conectado a un convertidor (HB, QR) para la regulación independiente de magnitudes o niveles de potencia preestablecidos (PA0, PB0) que se han de suministrar desde cada calentador (A, B) a un utensilio de cocina superpuesto (C1, C2), de tal manera que los convertidores (HB, QR) son excitados con señales periódicas ajustables (S1, S2, fHB, fQR, TON, TOFF) durante un periodo de control predeterminado (T), de modo que el método comprende las etapas de:

- activar simultáneamente los calentadores de inducción (A, B) mediante la excitación de sus convertidores (HB, QR) con señales periódicas ajustables (S1, S2, fHB, fQR, TON, TOFF) que presentan una primera frecuencia idéntica (f1, f1OPT) durante una primera fracción (T1) del periodo de control (T),

- activar sólo uno de los calentadores de inducción (A, B) previamente activados durante la primera porción (T1), mediante la excitación de su convertidor (HB, QR) con una señal (S1, S2, fHB, fQR, TON, TOFF) que presenta una segunda frecuencia (f2, f2OPT) durante una segunda fracción (T2) del periodo de control (T)

Método de control para una placa de cocina de inducción y placa de cocina de inducción adaptada para llevar a cabo dicho método.

La presente invención se refiere a un método para controlar la entrega de potencia a un par de calentadores/bobinas de inducción pertenecientes a una placa de cocina doméstica. Los aparatos de cocina de inducción se basan en el efecto inductivo para calentar recipientes de cocina colocados sobre sus superficies de cocina. El calentamiento del recipiente se produce por el acoplamiento inductivo de la sartén metálica con el campo magnético variable con el tiempo generado por el aparato.

La arquitectura o estructura funcional básica que se pone en práctica en un aparato para generar el campo electromagnético, comprende al menos un inductor para cada zona de cocina de los calentadores de inducción (incluyendo una bobina metálica a la que se hace referencia, por lo común, como "espiral"), un generador de potencia eléctrica para alimentar las bobinas, una unidad de control electrónico destinada a supervisar la potencia suministrada por las bobinas y para llevar a cabo los ajustes por parte del usuario, introducidos a través de la interfaz de usuario.

Las denominadas "corrientes parásitas" se inducen en la cara inferior o de fondo de la sartén metálica por causa del campo electromagnético generado por la bobina inductora. La unidad de control electrónica supervisa la potencia entregada a la bobina por medio de una señal de excitación de alta frecuencia. La señal de excitación controla las operaciones de un convertidor de CA-CA (corriente alterna en corriente alterna -"alternate current-alternate current (AC-AC)") (al que se hace referencia en lo sucesivo como "convertidor"), provisto de conmutadores de estado sólido (transistor bipolar de puerta aislada -IGBT ("Insulated Gate Bipolar Transistor")-, o similar) que suministran a las bobinas una corriente CA adecuada. En consecuencia, la bobina genera, en el espacio circundante, un campo electromagnético variable en el tiempo y cuya amplitud y frecuencia determinan la cantidad de potencia que se suministra a la sartén. Las corrientes inducidas encuentran en el fondo del recipiente una resistencia eléctrica R que depende principalmente de las características materiales y de la profundidad de penetración del campo electromagnético (a saber, el efecto de piel). Las corrientes inducidas generan calor de acuerdo con el efecto Joule.

Se conoce que algunos circuitos generan tal campo electromagnético variable en el tiempo, pero, como consecuencia de las frecuencias de funcionamiento típicas y considerando la potencia que se suministra normalmente por un único calentador (que oscila entre 0 y 3 kW), se adoptan, por lo común, dos circuitos convertidores resonantes principales: el convertidor de medio puente (HB -"Half-Bridge") resonante (Figura 2) y el convertidor cuasi-resonante (QR -"Quasi-Resonant") (Figura 3). Las señales de excitación de estos convertidores van, típicamente, de 20 kHz a 50 kHz.

Estos convertidores, gracias a conmutadores de estado sólido como el IGBT, convierten la tensión de enlace de CC (corriente continua -"DC (direct current)") rectificada estática en un perfil o forma de onda de tensión cuadrada que se suministra a un circuito resonante RLC, donde L es la impedancia de la bobina, C es el condensador resonante y R es la resistencia del circuito, ligada a las características de la sartén.

En el caso de la topología de HB, el circuito "acumulador" resonante (la L y la C del circuito resonante) viene definido por la bobina inductora L1 y los dos condensadores resonantes C1 y C2. Una señal de excitación S1, conformada con una forma de onda cuadrada de frecuencia f_HB, conmuta, directamente o a través de una lógica de conmutación SL ("switching logic"), dos IGBT's (SW1 y SW2), alternando, dentro del periodo de control T, la tensión aplicada al circuito resonante. La señal O₁ del convertidor de HB durante el periodo de control T, es un oscilador forzado. La corriente alterna que fluye a través de la bobina L1 induce el campo electromagnético variable con el tiempo en la zona circundante, necesario para calentar la sartén colocada encima.

En el caso de la topología QR, L2 y C3 definen el circuito "acumulador" resonante. El único IGBT (SW4) del circuito es excitado con una señal de onda cuadrada (S2) generada por el control electrónico, que alimenta en energía la salida de circuito (O₂) únicamente durante la porción T_ON del periodo de excitación y deja oscilar libremente la salida de circuito (O₂) durante T_OFF. De hecho, durante T_ON, el IGBT conduce y la bobina L2 se carga desde la tensión de enlace de CC estática, mientras que, en el siguiente tiempo del periodo T, cuando el IGBT está abierto, el circuito está oscilando libremente como un oscilador harmónico amortiguado. T_OFF se define, por lo tanto, como el tiempo transcurrido entre el final de T_ON y el instante temporal en que la corriente oscilante que fluye a través del condensador C3, ó la tensión a través de sus terminales, pasa por el valor cero por primera vez. T_OFF está, por tanto, ligada a la física del oscilador con el T_ON seleccionado, de tal modo que la oscilación libre queda determinada por las L2, C3, R del sistema (cuando la sartén se coloca sobre la bobina), en las que las condiciones oscilatorias iniciales son definidas por la carga de la bobina L2 (carga) acumulada durante T_ON. La potencia suministrada por la bobina en espiral L2 se ajusta, por tanto, escogiendo el tiempo T_ON adecuado.

En otras realizaciones equivalentes, T_OFF puede estar destinado a ser el tiempo transcurrido entre T_ON y el instante temporal para el que la tensión a través de la bobina L2 pasa por el valor cero por primera vez.

Se hace notar aquí que las señales de salida de los convertidores de CA no son, habitualmente, sinusoides regulares. Por esta razón, en la siguiente descripción, cuando se mencione una frecuencia de CA, se pretende que ésta haga referencia a la frecuencia fundamental de la señal en el sentido del análisis espectral de señales.

La frecuencia fundamental de funcionamiento de la señal de CA suministrada como salida por el convertidor viene dada, por tanto, por f_QR = 1/(T_ON + T_OFF).

Para un convertidor de HB, la característica de transferencia de potencia de los sistemas acoplados, que es la relación existente entre la potencia P suministrada desde el calentador a utensilios de cocina, ollas, sartenes, cacerolas o elementos similares dispuestos sobre él, y la frecuencia f_HB de la señal de excitación generada por la unidad de control electrónica, se parece a la forma típica que tiene un oscilador harmónico forzado y ligeramente amortiguado.

Para un convertidor QR, la potencia de salida P guarda una relación directa con la frecuencia de conmutación f_QR, una vez que se ha estabilizado T_ON, y la característica de transferencia de potencia relacionada de los sistemas acoplados representa este enlace. También en este caso, la característica de transferencia de potencia de los sistemas acoplados se parece a la forma típica de un oscilador harmónico forzado y ligeramente amortiguado.

Para ambas topologías del convertidor, el factor de oscilador amortiguado viene proporcionado por la resistencia R, específica de cada sartén, reproducida como imagen especular en la sartén a través del acoplamiento inductivo.

Con el fin de evitar daños en el IGBT y para incrementar la eficacia del convertidor (lo que significa reducir la potencia disipada durante las operaciones de conmutación), en ambas topologías del convertidor los IGBT's deben ser conmutados dentro de la estrecha ventana temporal en la que la tensión a través de los IGBT's está pasando por cero. En ocasiones, los IGBT's son también protegidos contra sobreintensidades o corrientes excesivas mediante la aplicación de redes amortiguadoras en paralelo.

La ventaja principal de la topología QR, en comparación con la topología de HB, radica en su coste más bajo, debido al número reducido de componentes. Las desventajas se encuentran en la apretada conmutación temporal a la que se somete el IGBT.

Un problema que afecta a las dos topologías cuando se funciona en pares con el fin de activar simultáneamente dos calentadores de inducción de una forma no coordinada y optimizada, es la ocurrencia de un parpadeo luminoso demasiado frecuente...

1. Un método para activar simultáneamente dos calentadores de inducción (A, B) de una placa de inducción (10) o similar, de tal modo que cada calentador de inducción (A, B) está conectado a un convertidor (HB, QR) para la regulación independiente de magnitudes o niveles de potencia preestablecidos (PA₀, PB₀) que se han de suministrar desde cada calentador (A, B) a un utensilio de cocina superpuesto (C1, C2), de tal manera que los convertidores (HB, QR) son excitados con señales periódicas ajustables (S1, S2, f_HB, f_QR, T_ON, T_OFF) durante un periodo de control predeterminado (T), de modo que el método comprende las etapas de:

- activar simultáneamente los calentadores de inducción (A, B) mediante la excitación de sus convertidores (HB, QR) con señales periódicas ajustables (S1, S2, f_HB, f_QR, T_ON, T_OFF) que presentan una primera frecuencia idéntica (f1, f1_OPT) durante una primera fracción (T1) del periodo de control (T),

- activar sólo uno de los calentadores de inducción (A, B) previamente activados durante la primera porción (T1), mediante la excitación de su convertidor (HB, QR) con una señal (S1, S2, f_HB, f_QR, T_ON, T_OFF) que presenta una segunda frecuencia (f2, f2_OPT) durante una segunda fracción (T2) del periodo de control (T).

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que incluye también la etapa de construir las curvas características de potencia (PA, PB) para cada calentador de inducción (A, B) acoplado a su utensilio de cocina correspondiente (C1, C2), colocado por encima, y por que las curvas características de potencia (PA, PB) son construidas y almacenadas en la memoria de la unidad de control antes de la activación.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 y la reivindicación 2, caracterizado por que el periodo de control T es más pequeño que la constante de tiempo térmica (Tau) de los utensilios de cocina (C1, C2) situados por encima, al objeto de proporcionar un suministro de potencia suave a los utensilios de cocina (C1, C2) colocados por encima.

4. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la primera frecuencia (f1, f1_OPT) es diferente de la segunda frecuencia (f2, f2_OPT).

5. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el calentador de inducción (A, B) que se ha de desconectar durante la segunda fracción (T2) es aquél de entre los dos calentadores de inducción (A, B) que sería excitado a la frecuencia de señal más alta (F_HBPA0, F_QRPB0) para suministrar el nivel de potencia requerido (PA₀, PB₀) cuando se activa él sólo.

6. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la primera frecuencia (f1, f1_OPT), la segunda frecuencia (f2, f2_OPT) y la primera fracción de tiempo (T1) se escogen entre las soluciones admitidas que se calculan resolviendo el siguiente conjunto de ecuaciones:

PA₀ = PA(f₁)*D + PA(f2)*(1 - D)

PB₀ = PA(f1)*D.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que la primera frecuencia (f1_OPT), la segunda frecuencia (f2_OPT) y la primera fracción de tiempo (T1) escogidas de entre las soluciones admitidas del primer conjunto de ecuaciones, son las que también optimizan uno o más criterios seleccionados de entre el grupo consistente en:

- uniformidad de potencias entre dos fracciones consecutivas (T1, T2) del periodo de control (T),

- eficiencia global,

- mínimo parpadeo luminoso,

- esfuerzos en los componentes.

8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la primera fracción (T1) y la segunda fracción (T2) del periodo de control (T) se hacen alternar continuamente durante la activación temporal de los calentadores (A, B).

9. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la potencia (P_A, P_B) suministrada a los utensilios de cocina (C1, C2) es medida continuamente durante la activación de los calentadores (A, B), y se calcula la desviación (DE) entre el valor medido (PA₀, PB₀) y el valor correspondiente de la curva característica de potencia, y por que, cuando la desviación (DE) es mayor que un error de umbral predeterminado (T_HE), el método incluye las etapas adicionales de:

- construir una nueva curva característica (PA, PB),

- calcular una nueva primera frecuencia (f1, f1_OPT), la nueva segunda frecuencia (f2, f2_OPT) y una nueva primera porción de tiempo (T1, D),

- reiniciar la activación del calentador con las nuevas soluciones calculadas (f1, f1_OPT, f2, f2_OPT, T1, D).

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por que el error de umbral predeterminado (T_HE) está comprendido en el intervalo entre el 2% y el 10% del error relativo.

11. Un método de acuerdo con la reivindicación 6 ó la reivindicación 7, caracterizado por que incluye, además, las etapas adicionales de:

- encontrar la mejor aproximación del Ciclo de trabajo requerido (<D1>),

- segmentar el periodo de control (T) de acuerdo con un segmento de tiempo (?t),

- permutar el orden de los segmentos.

12. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por que la permutación de los segmentos incluye las etapas de crear y clasificar una matriz de segmentos, y generar una nueva secuencia de segmentos comenzando a partir de la matriz de segmentos clasificados.

13. Un método de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado por que la nueva secuencia de segmentos generados comenzando a partir de la matriz de segmentos clasificados, se crea escogiendo uno de los segmentos de la parte superior de la matriz de segmentos clasificados y añadiendo el segmento a una nueva matriz ordenada que contiene la nueva secuencia ordenada de segmentos, y escogiendo, a continuación, dos segmentos de la parte inferior de la matriz de segmentos y añadiendo los dos segmentos a la matriz ordenada.

14. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por que ?t está sincronizado con la red de suministro de potencia y tiene una duración igual al semiperiodo de la red de suministro de potencia.

15. Una placa de inducción (10) que tiene al menos dos calentadores de inducción (A, B), de tal manera que cada calentador de inducción está conectado a un convertidor (HB, QR) para la regulación independiente de las magnitudes o niveles de potencia (PA0, PB0) que se han de suministrar desde cada calentador (A, B) a un utensilio de cocina (C1, C2) colocado encima, caracterizada por que comprende una unidad de control (90) configurada para llevar a cabo un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes.