Plaque standard

Plaque standard :
La cuisson par effet Joule (échauffement provoqué par le passage d'un courant
électrique) est réalisée à l'aide d'une plaque de fonte qui transmet la chaleur émise
par des résistances électriques au récipient posé dessus.
On utilise la formule :
P = U²/R
avec P en Watt - R en Ohm - I en ampère
DESCRIPTION
Une plaque en fonte avec une surface parfaitement plane assure un bon contact
"thermique" avec le fond des ustensiles.
Des résistances circulaires sont coulées dans un ciment isolant.
Un capot réflecteur, en métal à la base, renvoi la chaleur vers le haut.
Un bornier de raccordement électrique est composé de trois ou quatre bornes.
LES DIFFÉRENTS MODÈLES DE PLAQUES
Trois sortes de plaques équipent nos appareils de cuisson.
1. La plaque en fonte standard à 7 positions
Diamètre en
millimètre
Puissance en Watt
145
1 000
180
1 800
220
2 000
2. La plaque en fonte rapide avec limiteur de température.
Cette plaque se distingue par la présence d'un point rouge au centre .
Le tableau suivant indique un ordre de grandeur des puissances fournies par les
plaques standards point rouge en fonction de leur diamètre :
Diamètre en millimètre
Puissance en Watt
145
1500
180
2000
220
2600
3. La plaque à palpeur thermostatique
Le détail de cette plaque est étudié au chapitre du réglage de la puissance.
Plaque halogène
1. Principe de fonctionnement
L'élément principal, le tube halogène (1), est composé d'un filament de tungstène
dans un tube de verre en silice (dit quartz) contenant un gaz inerte et un gaz
halogène.
Ces tubes produisent une lumière infrarouge qui chauffe tout ce qu'elle éclaire.
Les rayons lumineux traversent la plaque d'âtre en vitrocéramique et chauffent le
récipient
80 % par rayonnement
20 % par conduction.
Comme pour le foyer radiant un limiteur de température à canne pyrométrique coupe
l'alimentation en cas de surchauffe.
2. Schéma de principe
Étude du schéma :
On distingue sur ce schéma :
FH4 : foyer halogène 4 d'une puissance de 1200W.
CH4 : commutateur halogène 4 spécial
LT4 : limiteur thermique à 2 fonctions :
limiter la température en coupant toute la plaque NF(1a2a).
indiquer la présence de chaleur grâce à un contact NO
(1b - 2b) non visible sur le schéma.
D4 : diode permettant de réduire de moitié la puissance de
chauffe automatiquement.
Remarque : le foyer halogène est en fait composé de :
2 lampes halogènes de même valeur.
1 résistance radiante.
Exemple du fonctionnement du commutateur :
Plaçons nous en position 1 :
8-8a, 5-5a et 4-4a sont fermés donc la lampe 420W chauffe.
le courant passe dans la diode D4 qui fonctionne en
redressement mono alternance et dans les résistances 360W,
420W et 420W en série.
la puissance est donc
P1 = 0,5 x 1/(1/360 + 1/420 + 1/420)
P1 = 66,3W
Exemple de caractéristique d'un limiteur thermique :
enclenchement
LT4
1a - 1b
60°C
2a - 2b
190°C
déclenchement
70°C
200°C
Étude d'une plaque radiant
Le schéma de principe est associé à un tableau de commutation pour les plaques 7
positions ou à un tableau de régulation dans le cas d'un doseur d'énergie (ou
régulateur).
On donne :
P1 = 100 W
P2 =250 W
P3 =150 W
U13 = 230V
----------------1.Calculer les résistances associées à P1, P2 et P3
:
R1 =
Ohms
R2 =
Ohms
R3 =
Ohms
2. En position 5 et 2, calculer le courant dans les 3
résistances :
commutateur en position 2 commutateur en position 5
I2R1 =
I2R2 =
I2R3 =
A
A
A
I5R1 =
I5R2 =
I5R3 =
3. Compléter le tableau des puissances :
Réponses :
position du
Puissances
commutateur
en Watt
1
2
3
4
5
6
A
A
A
Étude d'une plaque halogène
On donne :
P1 = 500 W
P2 = 1050 W
P3 = 1050 W
A partir des documents techniques fournis,
complétez le tableau des puissances :
position du
commutateur
Réponses :
Puissances
en Watt
1
2
3
4
5
6
Méthode :
Pour chaque position du commutateur :
Refaire le schéma en représentant que les
éléments actifs.
Calculer les puissances
Plaque à induction
Fonctionnement
1. Rappel : le phénomène d’induction magnétique
D’abord un champ magnétique est crée par un courant :
Un conducteur parcouru par un courant s'entoure d'un champ magnétique analogue à
celui produit par un aimant (découverte faite par le physicien HANS CHRISTIAN
OERSTED en 1819).
Ce champ circulaire entoure le conducteur sur toute sa longueur. Les lignes de force
le constituant forment des cercles concentriques autour de ce dernier et le plan sur
lequel elles s'appuient est perpendiculaire à la direction du conducteur.
Si le circuit électrique est fermé, il y a alors création d’un courant induit dans le circuit.
puis ce champ magnétique est canalisé comme dans un transformateur
2. Application à la plaque à induction.
Le but est de créer un courant induit dans le fond d’une casserole afin que celui-ci
s’échauffe par effet Joule.
Si l’on considère
que le fond de la casserole possède une résistance R,
que le courant induit dans le fond de la casserole est I
Le fond de la casserole dégage donc une puissance :
P = R I²
Afin de créer le courant induit dans la casserole, la table de cuisson possède une
bobine d’induction (de valeur L). En faisant circuler un courant variable dans cette
bobine nous créons un flux magnétique variable ( ) dans la bobine.
Ce flux magnétique est transmis à la casserole.
Le fond de la casserole est donc soumis à un flux magnétique variable qui crée alors
le courant induit utilisé pour chauffer.
Le bobinage de la plaque de cuisson est appelé : l’inducteur (il crée le flux
magnétique)
Le fond de la casserole est appelé : l’induit (il est le siège du courant induit)
Ce principe est aussi utilisé dans le transformateur.
3. Analyse structurelle d’une plaque à induction
La plaque à induction doit donc comporter un inducteur.
La gestion de l’énergie est assurée par des cartes électroniques : il n’y a aucune
résistance chauffante, aucun combustible.
Conclusion :
Avec une plaque à induction c’est la casserole qui chauffe les aliments
3.1. Schéma structurel d'une plaque à induction
Les différents composants :
L'inducteur
C'est la bobine qui permet la création du flux magnétique.
Les cartes électroniques
La plaque à induction est principalement composée de :
carte d'alimentation qui fournit les différentes tensions.
carte de gestion à microcontrôleur.
carte de puissance qui fournit la tension (600V) et le courant nécessaire à la création
du flux. Un interrupteur de puissance à transistor sert d'interface entre la carte de
gestion et la carte de puissance.
Le ventilateur
Les composants électroniques sont très sensible à la température. Afin de fonctionner
correctement, les cartes sont refroidies grâce à un ventilateur couplé à une
thermistance (CTN) qui mesure la température du foyer.
3.2. Réglage de la puissance de chauffe : le phénomène de RÉSONANCE
Afin de régler la puissance de chauffe de la plaque à induction, on utilise la résonance
d’un circuit LC.
La résonance d’un circuit LC.
Considérons un circuit LC sachant que la bobine L possède une résistance interne R.
Schéma électrique :
Calcul de l’impédance
On a
Z =  (R² + (Lw - 1/Cw)²
Les valeurs utilisées sont : L = 30 mH et C = 10nF donc f0 = 29 kHz.
On remarque que lorsque Z est minimal le courant est alors maximal.
On utilise une plage de fréquence comprise entre le maximum et un minimum afin de
permettre un réglage adapté à la plaque de cuisson. La courbe utile est donc :
4. Application à la variation de puissance d’une plaque à induction.
Afin de régler la puissance de la plaque à induction il suffit de régler la fréquence de
fonctionnement :
à la résonance la puissance est maximale car le courant est maximale (point A)
en s ’éloignant de la résonance, le courant diminue, la puissance aussi (point B).
Le réglage de la puissance d’une plaque à induction se fait en réglant la fréquence de
fonctionnement.
La plage de réglage est :
fmin = 29 kHz
fmax = 50 kHz
La fréquence de résonance pour le modèle étudié est : f0 = 29kHz
5. La cuisson par induction
5.1. Avantage de la cuisson à induction :
La plaque ne chauffe pas, c'est la casserole qui chauffe : sans casserole la plaque ne
fonctionne pas. Il n'y a peu de perte d'énergie.
Le rendement est excellent car c'est la casserole qui chauffe directement l'aliment.
La chauffe est très rapide et donc plus économique que les plaques électriques
standards.
5.2. Désavantage de la cuisson à induction :
La casserolerie doit être adaptée. En effet 3 cas peuvent se produire :
1ier cas : la casserole est trop bon conducteur de courant. La résistance R = 0 
(casserole en cuivre ou en aluminium).
La casserole est donc équivalente à un court circuit. Le courant est donc trop grand, il
risque de détruire la plaque.
Le système électronique de contrôle coupe l'alimentation avant destruction.
2ième cas : la casserole n'est pas conducteur de courant. La résistance R =  (
casserole en inox non magnétique ou en verre)
La casserole est donc équivalente à un circuit ouvert. Le courant est donc nulle dans
la casserole. Comme I = 0 la puissance est donc P = 0W.
La plaque ne chauffe pas.
3ième cas : la casserole est normalement conducteur de courant avec une certaine
résistance. La résistance vaut la valeur R.
La casserole est parcourue par un courant correct, la puissance est
P = R I².
Les casseroles adaptées portent le label "CLASS INDUCTION":
Test de l'aimant :
si un aimant colle au fond de la casserole, elle peut être utilisée avec une
plaque à induction
les récipients en acier émaillé.
les récipients en fonte.
les récipients en inox multicouches, ferrique ou en aluminium à fond spécial.
Le prix des plaques à inductions est encore très élevé. Afin de le réduire, il est
possible de combiner les systèmes de cuisson :
2 foyers radiantes + 2 foyers inductions
2 foyers halogènes + 2 foyers inductions
2 foyers inductions (appelé un domino) seules au lieu d'une plaque 4 foyers.
Réglage de la puissance
Le réglage de la puissance de chauffe des plaques électriques est identique pour les 3
types de plaques Les principes utilisés sont :
1. le commutateur à 7 positions
2. le doseur d'énergie
3. le palpeur thermostatique ( utilisé que dans les plaques fonte).
1. Le commutateur à 7 positions.
1.1.Principe du réglage de la puissance
La plaque est commandée par un commutateur ayant six allures de chauffe (plus la
position arrêt) qui donnent des puissances étagées convenant à tous les types de
cuisson.
C'est la mise en série ou en dérivation des 3 résistances composants la plaque qui
permet d'obtenir différentes puissances de chauffe.
L'étude du circuit électrique nécessite des documents fournis par le constructeur :
le tableau de commutation : indiquant les contacts actifs en fonction de la position
du commutateur.
le schéma de principe : indiquant les liaisons électriques entre les différents
éléments de la plaque.
1.2. Étude du schéma de principe
Tableau de commutation :
Le tableau ci-dessous indique la correspondance entre le
schéma (résistance numérotées 1,2,3 et le tableau de
commutation :
exemple : Avec une plaque de 1000W,
la résistance 1 a une puissance P1
= 500W,
la résistance 2 a une puissance P2
= 250W,
la résistance 3 a une puissance P3
= 250 W
puissance\n°schéma
1
2
3
500 w
250 w
250 w
1000 W
850 w
300 w
300 w
1500 W
850 w
300 w
900 w
2000 W
Utilisation du tableau de commutation :
Les contacts a1, b2 ... correspondent aux contacts
électriques du commutateur 7 positions représentés sur le
schéma.
Les contacts sont toujours représentés au repos c'est à
dire :
ouvert pour un contact NO (normalement ouvert)
fermé pour un contact NF ou NC (normalement fermé
ou normalement en contact)
Lorsque les cases sont hachurées cela signifie que le
contact est en position travail, c'est à dire :
fermé pour un NO
ouvert pour un NF
A partir des différentes combinaisons (mise en série ou en
parallèle des 3 résistances, il est possible d'obtenir des
puissances différentes.
Exemple :
pour obtenir 1150W avec une plaque de 1500W il faut
fermé les contacts a1, b2 et d4.
2. Le doseur d'énergie.
2.1. Fonctionnement
Le temps de fonctionnement de la résistance, soit la quantité de chaleur (l'énergie
thermique), varie selon la position du bouton.
Il se compose d'un bilame, et d'une résistance intégré dans le doseur. Le tout est
accouplé à une manette à 12 positions. Le réglage du commutateur augmente ou
diminue le temps de chauffe, donc l'énergie utilisée pour chauffer (voir illustration).
2.2. Étude du schéma de principe
La documentation constructeur est constituée par :
le schéma de principe.
les légendes.
un tableau montrant la puissance en fonction de la position de la manette de
réglage.
Explications:
Schéma de principe :
Le détail du fonctionnement du doseur n'apparaît pas
sur le schéma. Nous pouvons simplement voir :
RP4: P1-2 P2-4 qui sont les contacts
électriques du doseur placés en série avec les
résistances.
RP4 : S-S qui commande le voyant "plaque en
marche".
LT : le limiteur thermique du doseur - Ce
limiteur peut être :
un thermostat bimétallique type "klixon" sur les
plaques standards
un thermostat à canne pyrométrique sur les
plaques vitrocéramiques (radiantes ou
halogènes.
Ce limiteur permet de couper les résistances 2 et
3 afin de réduire la puissance de chauffe. La
résistance 1 reste en fonction afin de maintenir
au chaud.
Ici limiteur est intégré à la plaque (il faut changer
l'ensemble en cas de défaut), dans d'autres
montages il est à l'extérieur (voir exercices) .
La valeur des résistances dépend de la
puissance totale de la plaque.
Tableau de réglage :
Ce tableau indique que la puissance de chauffe
croît avec le réglage de la manette de commande
:
en position 0 : arrêt de la plaque.
position intermédiaire : puissance croissance.
en position 11 : plaque au maximum de la
puissance.
3. Le palpeur thermostatique.
Le palpeur thermostatique est un thermostat à bulbe couplé à la plaque de cuisson.
En général, la plaque est formé de 2 résistances de 1000W.
Le bulbe du thermostat est au contact de la casserole grâce au palpeur (pièce
métallique munie d'un ressort afin de mieux être au contact de la casserole).
Lorsque la température du bulbe correspond à la température réglée par l'utilisateur,
un contact s'ouvre afin de n'alimenter plus qu'un seul résistance. On chauffe alors
avec seulement 1000W, afin de maintenir au chaud les aliments.
Une fois la température redescendue, le contact se ferme de nouveau afin d'alimenter
les 2 résistances : on chauffe alors avec 2 x 1000 W.
L'utilisateur règle la température de chauffe grâce à un bouton gradué.
La régulation de la température
1.Principe d'une régulation de la température
2. Applications
2.1.Application au four
les différents organes sont :
la consigne : la température de cuisson (réglée sur le thermostat par l'utilisateur)
la mesure : la température dans l'enceinte du four
le régulateur : le thermostat à bulbe (ou une carte électronique)
l'amplificateur de puissance : les contacts électriques du thermostat à bulbe ou des
relais
l'actionneur : la ou les résistances chauffantes (voûte, sole, grilloir)
le système : le four
le capteur : effectuée par le bulbe du thermostat ou par une sonde électronique
(CTP)
2.2. Application à la régulation dans un réfrigérateur électronique (CTN)
les différents organes sont :
la consigne : la température de froid (réglée sur le potentiomètre R3 par l'utilisateur)
la mesure : la température dans l'enceinte du réfrigérateur
le régulateur : la carte électronique
l'amplificateur de puissance : le transistor et le relais
l'actionneur : le compresseur
le système : le réfrigérateur
le capteur : la thermistance (CTN)
2.3. Application au chauffage de l'eau dans un lave vaisselle (bilame)
Extrait d'une documentation
les différents organes sont :
la consigne : la température de lavage (choisi par l'utilisateur)
la mesure : la température dans l'enceinte du lave vaisselle
l'amplificateur de puissance : les contacts électriques du thermostat bilame
l'actionneur : la résistance chauffante (placée en fond de cuve)
le système : le lave vaisselle
le capteur : la face sensible du thermostat bilame (klixon)