Etape N°7 : Industrialisation

Une fois le prototype validé et les tests CE positifs, l’étape de l’industrialisation de la plaque à induction professionnelle peut démarrer.

Plusieurs étapes ont été nécessaires en amont du lancement de fabrication ; en particulier au niveau de la sélection des fournisseurs de matières premières et du calcul du coût de revient.

Sur le marché des plaques à induction domestiques, les volumes de fabrications sont très élevés et se comptent par centaines de milliers. Le marché professionnel est beaucoup plus restreint.

Chez SEIPAM Induction, nous nous adressons uniquement au marché professionnel. Au sein de celui-ci, nous ciblons le segment du haut de gamme où les attentes sont très élevées en termes de précision de cuisson, de robustesse du matériel en utilisation intensive et de qualité de service.

BOM et STP

Nous avons vu dans les articles précédents qu’une plaque à induction se compose de plusieurs éléments :  cartes électroniques, tôlerie, câblage, fil de Litz pour les inducteurs, ferrites, quincaillerie, vitrocéramique… Ces éléments figurent dans la nomenclature, également appelée Bill of Materials (BOM). Nous mettons cette BOM continuellement à jour afin d’actualiser immédiatement le coût de revient matière.

Un autre document est nécessaire pour préciser notre cahier des charges vis-à-vis de nos fournisseurs de sous-ensembles, il s’agit des STP ou spécifications techniques particulières. Ce document précisera le processus de fabrication des sous-ensembles ainsi que tous les points de contrôle qualité.

SEIPAM INDUCTION fait le choix de fournisseurs français pour leur qualité de service et leur proximité. Dans une démarche sociale et solidaire, SEIPAM INDUCTION fait également appel à L’ESAT LA FARIGOULE à la Roque d’Anthéron, pour du câblage.

Gestion des stocks et approvisionnement

En 2021, nous déplorons une pénurie de composants au niveau mondial, affectant toute la filière. La gestion des stocks et des approvisionnements est donc extrêmement compliquée. Les liens étroits que nous entretenons avec nos fournisseurs se révèlent déterminants.

Fabrication

 

A l’heure actuelle, nous avons déterminé une gamme de 60 produits pour répondre aux attentes principales de notre marché.

Nous avons conçu notre gamme afin d’avoir un maximum de sous-ensembles communs à ces 60 produits. Ainsi, nous augmentons les quantités fabriquées et réduisons les coûts de revient matière et les temps de main d’œuvre.

Nous réactualisons constamment le planning de fabrication conformément au prévisionnel de ventes et au carnet de commandes.

Notre organisation de fabrication va consister dans un premier temps à fabriquer des séries de sous-ensembles. Pour cela nous suivons une arborescence très précise afin d’avoir toujours un niveau de stock suffisant de sous-ensembles.

Exemple de sous-ensembles : le boîtier inducteur triphasé PREMIUM

 

Les sous-ensembles seront ensuite assemblés jusqu’au produit fini, en fonction du carnet de commandes, selon les dates d’expédition prévues au planning.

Contrôle qualité

Le processus de contrôle qualité commence en amont chez les fournisseurs, puis lors du contrôle de la réception des approvisionnements et tout au long de chaque étape de fabrication avec une traçabilité de chaque lot de composants et suivi des numéros de série de chaque sous-ensemble.

Avant d’être emballé, chaque plaque de cuisson passera par la zone de contrôle qualité final en fonctionnement pendant deux heures, avec vérification et consignation de la conformité des paramètres relevés avec le cahier des charges.

Fabrication sur mesure

En plus de cette fabrication standard, nous proposons des fabrications sur-mesure (par exemple : des puissances spécifiques, des dimensions de tôlerie ou de vitrocéramiques sur-mesure, des planchas sur mesure…) Nos clients apprécient particulièrement ce savoir-faire. En effet, il permet par exemple, de rénover des cuisines à moindre coût, en adaptant les inductions à des pianos existants.

Ces fabrications sur mesure nous permettent également de répondre aux cahiers des charges de laboratoires de l’industrie agroalimentaire ou pharmaceutiques.

Etape N°6 : Prototypage & tests CE

Après avoir conçu le schéma de fonctionnement, finalisé le routage des cartes électroniques et programmé le microcontrôleur, la phase de prototypage et tests peut débuter.

• Prototypage et tests :

Prototypage :

On fabrique un prototype qui servira à réaliser les tests en atelier.

Durant la phase de test, on réalise un grand nombre de mesures. Les signaux et la forme du courant sont analysés en différents points du générateur. Ces analyses sont réalisées avec différents types d’ustensiles pour effectuer les réglages nécessaires, garantissant la fiabilité maximale des appareils dans des usages extrêmes (ex : des simulations des températures particulièrement élevées dans les cuisines professionnelles).

Le code offre une très grande souplesse et permet de modifier très rapidement et très finement les paramètres de pilotage. Néanmoins, il sera souvent nécessaire de modifier la valeur de certains composants, voire de refaire un prototype tenant compte de ces modifications.

Ustensiles et tests :

La qualité de la casserolerie utilisée joue un rôle important dans le fonctionnement d’une plaque à induction.

En effet, profitons-en pour faire un petit rappel du fonctionnement d’une plaque à induction : un générateur alimente un inducteur placé sous une plaque de vitrocéramique. Un champ magnétique est créé par les courants haute-fréquence dans l’inducteur. Ce champ induit des courants de Foucault dans le récipient qui repose sur la plaque de cuisson. Et ces courants de Foucault se transforment en chaleur par effet Joule dans le récipient.

Le récipient devient donc avec l’induction un élément ACTIF, d’où une faible inertie thermique et une grande efficacité énergétique.

Caractéristiques de l’ustensile pour induction :

• muni d’un fond métallique magnétique (pour être le siège de courants induits)
• électriquement résistant (pour dissiper les courants de Foucault)

Le matériau composant le récipient aura donc un impact déterminant sur le fonctionnement de l’appareil.

Les matériaux utilisés avec les appareils de cuisson à induction comprennent divers alliages d’inox, de fer et d’aluminium. L’aluminium n’est cependant pas magnétique.

L’acier et le fer sont faciles à chauffer car ils ont une résistance élevée. Le cuivre et l’aluminium nécessitent davantage de puissance en raison de leur plus faible résistance.

Dans le cas des aciers magnétiques, on profite à la fois de leur résistance électrique et de leurs propriétés d’hystérésis pour les chauffer par induction. Au-dessus de la température de Curie (500 °C à 600 °C), l’acier perd ses propriétés magnétiques. Mais on peut encore le chauffer à une température plus élevée par les courants de Foucault.

En considérant ces deux paramètres, on s’aperçoit qu’un récipient en fonte chauffera de façon bien plus efficace qu’un récipient en aluminium. En effet, un ustensile en aluminium ne présente pas de pertes d’hystérésis puisqu’il n’est pas magnétique. Par conséquent, il va falloir fournir une fréquence bien plus élevée pour obtenir un chauffage identique avec les seuls courants de Foucault. En l’occurrence, ce n’est pas envisageable avec les IGBT actuels.

Conclusion :

Grâce aux différentes méthodes mises en place, un système à la fois robuste et performant a été défini. Celui-ci fonctionne avec un très bon rendement thermique et donc peu de pertes et d’échauffement des composants. Ceci garantit une bonne fiabilité et peu de besoin de refroidissement.

A l’issue de nos travaux, nous avons pu livrer un modèle fonctionnel, ergonomique et maintenable.

• Tests CE :

Une fois le prototype validé, l’avant dernière étape avant la fabrication en série consiste à réaliser une séance de tests avec le produit fini, afin de vérifier sa conformité aux normes CE de compatibilité électromagnétique (CEM).

Nous avons confié la réalisation de ces tests au laboratoire de l’Ecole Centrale de Marseille, équipé d’une cage de Faraday.

D’autres tests ont été effectués par un organisme certificateur, dans notre cas l’Afnor, en région lyonnaise afin de vérifier la conformité aux normes de sécurité.

 

 

Etape 5 : Le microcontrôleur et son code

Typiquement, un système électronique moderne comporte au moins un microcontrôleur, circuit intégré programmable qui peut réaliser un grand nombre de fonctions. Ces fonctions dépendent des possibilités du microcontrôleur, mais aussi du besoin, de l’application, défini par le logiciel embarqué (enregistré) dans sa mémoire programme, appelé aussi ‘firmware’, ou plus simplement ‘code’.

• Les possibilités du microcontrôleur

Les possibilités du microcontrôleur sont de plus en plus évoluées.

Typiquement on trouve un  ‘cœur’ (CPU). Celui-ci traite des instructions sur des données binaires utilisant 32bits,  avec une architecture RISC (une liste d’instructions ) fournie par la société ARM, leader mondial en ce domaine.

Puis différentes mémoires, de taille très variables, volatiles pour les variables, non volatiles pour enregistrer le code.

Puis une grande variété de ‘périphériques’ : blocs de fonction tels que modules de mesure analogiques (ADC), timers pour générer des signaux ou des délais, horloge temps réel avec calendrier, interfaces de communication filaires ( ports série, USB, SPI, I2C, Ethernet, ….) ou sans fil , telles que Wifi, Bluetooth, ISM, NFC,….

Tout ceci pour quelques euros, voire moins d’un euro , et une très faible consommation électrique ! Les progrès sont permanents.

• Le code

Le code ordonnance toutes ces ressources pour réaliser les fonctions voulues. Dans le cas de nos cuiseurs à induction, il s’agit d’exécuter la demande de l’utilisateur, c’est-à-dire  appliquer la puissance ou la température de chauffe demandée, tout en supervisant le système pour assurer un fonctionnement sûr et une très grande longévité de l’appareil.  Nous effectuons en permanence, un grand nombre de mesures de courants, tensions et températures  pour réaliser cette tâche de supervision.

Malgré le grand nombre de langages de programmation aujourd’hui disponibles, la majorité des développement pour microcontrôleurs s’effectuent toujours en langage C ou C++. Loin d’être le langage idéal, il constitue cependant un bon compromis, avec une programmation haut niveau permettant de ‘descendre’ si besoin au niveau des instructions et registres de base du ‘micro’ et une forte communauté de développeurs.

La plupart des fabricants de microcontrôleurs fournissent gratuitement des environnements de développement (IDE) puissants et relativement ‘user friendly’, avec librairies et exemples de code, et souvent un module de déverminage.

Nous utilisons l’outil LPCXPRESSO/MCUXPRESSO, basé sur l’IDE Eclipse, fourni par NXP, le fabricant de nos microcontrôleurs.

Un exemple de code est montré ci-dessous. Il représente, de façon simplifiée, une construction très classique de machine d’état (state machine). Celui-ci gère, ici avec la variable ‘operating mode’, l’état du cuiseur et le passage d’un mode à l’autre ( STOP, ALERT, POTCHK, NORMAL,..).

Exemple de développement de code avec outil de conception  (IDE Eclipse)

 

Note personnelle à l’usage des compatriotes patriotes: il nous semble aujourd’hui obligatoire de coder en anglais, avec des commentaires en anglais…

L’anglais est de fait la langue technique.

 

 

Etape 4 : Saisie de schéma et routage

Après définition des fonctionnalités souhaitées et de l’architecture électronique ; après le choix des composants, on réalise la saisie de schéma qui décrit la façon dont les divers composants et blocs de fonction sont reliés entre eux :

Aperçu du schéma électrique

Lorsque le schéma est terminé, on passe au ‘routage’ du circuit imprimé qui consiste à placer les composants sur la carte et réaliser les connexions souhaitées. Lorsqu’on commence le routage, on place les composants typiquement en s’inspirant du schéma et on se trouve devant un ‘chevelu’ dans lequel les connexions à réaliser sont représentées par des lignes droites théoriques, en bleu sur la figure :

Début du routage, vue du ‘chevelu’

On trace alors  les pistes de cuivre qui vont réaliser les connexions, en les plaçant sur les différentes couches prévues sur le circuit imprimé (ici on utilise 2 couches, la face avant et la face arrière, mais des circuits complexes peuvent nécessiter 4 ou 6 couches, ou bien plus)

Vue du routage terminé sur 2 couches

En réalité, pour finaliser le routage, il faut tenir compte de nombreuses règles de l’art qui servent à garantir les performances de la carte et respecter les contraintes de fabrication. Saisie de schéma, placement des composants et routage sont réalisés de manière interactive, souvent par la même personne. Le mode traditionnel dans lequel le routage est sous-traité à un spécialiste qui reçoit le schéma d’un concepteur tend à disparaître car les outils de conception modernes permettent de passer facilement de la saisie de schéma au routage et vice-versa, tout en vérifiant automatiquement la correspondance entre le routage et le schéma et une bonne partie des règles de conception.

Vue du circuit terminé, avec plans de masse

Etape N°3 : Le choix des composants

Après l’étape consacrée à l’architecture générale du projet, il s’agit de  choisir et de dimensionner les composants. Un composant particulièrement critique pour le bon fonctionnement d’un générateur à induction est le type de transistor de puissance utilisé pour créer le courant haute fréquence (typiquement 20kHz) qui alimente l’inducteur placé sous le récipient. 

Nous utilisons couramment des transistors silicium de type IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Ils combinent la facilité de pilotage d’un MOSFET avec les performances en puissance d’un transistor bipolaire NPN. 

Une maquette de test sera réalisée (schéma, routage, réalisation de la carte, réalisation du logiciel de pilotage « TRIRPWM_TESTBOARD ») pour valider le principe de fonctionnement et la loi de commande des IGBTs. 

Pour des raisons de coût de réalisation et de flexibilité, nous  pilotons les IGBTs directement par le microcontrôleur ‘type LPC1768 ARM CORTEX M3 32bits 80MHz) en utilisant le périphérique PWM dual-edge de ce microcontrôleur. 

Il suffit de 2 optocoupleurs entre le microcontrôleur et les grilles des IGBTS. Il faut également 2 alimentations 15V flottantes.

Pour le choix du microcontrôleur, l’analyse de ses spécifications  et des sources d’approvisionnement les plus fiables possibles, le site www.octopart.com est un outil que nous utilisons fréquemment.

Une carte d’alimentation spécifique TRIR_FLYBACK est  ensuite développée car nous n’avons trouvé aucun module d’alimentation compatible avec nos besoins :

• Entrée DC 560V ou AC 400V
• 3 sorties isolées : 24V 600mA et  2 x 15V 200mA

Par ailleurs, le logiciel de test TRIRPWM_TESTBOARD a permis de valider le paramétrage du pilotage PWM sans « glitch » ainsi la mesure du courant inducteur au moyen du transformateur d’intensité en série avec l’inducteur (ICT).

Ceci nous a fourni une plateforme très flexible puisqu’on peut complètement ajuster les conditions de commutation des IGBTs avec le firmware du microcontrôleur. On peut donc envisager une grande sophistication de contrôle.

Les tests initiaux ont montré la nécessité de mesurer finement le courant circulant dans l’inducteur, en complément du courant secteur, pour détecter la forme du courant inducteur et la position du système par rapport à la résonance.

Un détecteur de pic a également été ajouté pour détecter d’éventuelles surtensions dues soit au secteur, soit à la configuration créée par l’ustensile.

Au final, une grande variété d’entrées est  prévue sur le microcontrôleur pour sécuriser le fonctionnement et pour piloter l’équipement de plusieurs façons. 

Par souci de modularité, d’organisation de la fabrication  et de simplicité de la maintenance, il a été décidé de concevoir le système avec 3 cartes :

MAIN : circuit imprimé principal supportant les IGBT et toute la partie puissance. Cette carte est entièrement équipée de composants traversants

FLYBACK : alim à découpage à entrée 560V continu, cette carte comporte un transformateur spécifique

CTRL :    Cette carte contient le microcontrôleur LP1768 et les circuits associés, notamment les optocoupleurs.

Nous pouvons ensuite passer à l’étape suivante qui sera l’objet de notre prochain article : la saisie des schémas et le routage des cartes.

 

Étape n°2 : l’architecture du projet

Au préalable, petit rappel sur le principe de fonctionnement d’une plaque de cuisson à induction :

Un générateur alimente un inducteur. Le champ magnétique créé par les courants haute-fréquence dans l’inducteur induit des courants de Foucault dans le récipient qui repose sur la vitrocéramique (ou dans la plaque de cuisson dans le cas d’une plancha à induction). Ces courants de Foucault se transforment en chaleur par effet Joule dans le récipient ou dans la plancha. Le récipient – ou la plancha – deviennent donc avec l’induction des éléments actifs, d’où une faible inertie thermique et une grande efficacité énergétique.

Le récipient ou la plancha doivent donc posséder les caractéristiques suivantes :

• Ils doivent être munis d’un fond métallique magnétique, pour être le siège de courants induits
• Ils doivent être électriquement résistants pour dissiper les courants de Foucault

Une fois le cahier des charges initial défini, il s’agit de définir les choix technologiques, qui vont constituer une innovation à la fois technique au niveau du choix des composants pour une fiabilité améliorée, et ergonomique au niveau de leur placement accessible, de leur modularité et de leur réparabilité :

1 – Le choix de pilotage et de fonctionnement du circuit électronique de puissance : pour notre gamme triphasée PREMIUM, nous optons pour une conception basée sur un système de type demi pont à résonnance série intégrant un système dit « pont en H » pour contrôler la puissance des IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) grâce à un signal PWM (pulse width modulation ou modulation de la longueur d’impulsion). Cela permet de modifier la puissance envoyée dans l’inducteur en agissant seulement sur le rapport cyclique du signal.

2 – La conception de l’inducteur (spécification du fil de cuivre multibrins utilisé, nombre de spires)

3 – Les plans 3D de la tôlerie afin d’optimiser les assemblages usine et l’ergonomie à la fois pour l’utilisateur final et pour l’installation et la maintenance

 

 

4 – La conception des interfaces utilisateur : dans le cadre d’utilisation professionnelle, les contraintes relatives à l’organe de commande d’un cuiseur sont particulières, et conduisent à des solutions assez éloignées des méthodes utilisées pour les appareils domestiques : en termes d’ergonomie, il est nécessaire de fournir un organe de commande à la fois performant et intuitif. Il est hors de question que le personnel de brigade perde du temps à réfléchir devant un organe de commande inconnu.  Les exigences renforcées en matière d’hygiène, et d’esthétique, pour les cuisines visibles de plus en plus « à la mode », imposent que l’organe de commande soit facile à nettoyer et résiste à des nettoyages « musclés » et fréquents. La conception de plus en plus sophistiquée des cuisines professionnelles conduit fréquemment à demander d’éloigner le générateur de la plaque de cuisson, pour faciliter l’intégration des plaques avec d’autres éléments tels que tiroirs froids ou espace de stockage, pour faciliter le refroidissement des appareils, ou dégager l’espace de travail. La technologie verres vitrocéramiques utilisés en cuisine professionnelle diffère des plaques domestiques, pour des raisons de solidité mécanique. L’épaisseur fait 6mm au lieu de 3 ou 4mm, et la face arrière est striée. Ces 2 points rendent impossible le montage de voyants et surtout d’afficheurs sous la plaque vitrocéramique alors que cette technique est courante en usage domestique. Les besoins de maintenance préventive et curative bénéficient largement de la présence d’un afficheur. Celui-ci permet de connaître l’état du système ainsi que les événements importants survenus. Mais cela exige aussi de pouvoir masquer ces détails techniques en mode normal, à la fois pour ne pas déranger l’utilisateur et aussi pour laisser une marge de manœuvre au service technique.

Étape n°1 : le cahier des charges

Écoconception : pour un fabricant français, la certification Origine France Garantie est un premier jalon. Cela signifie que le fabricant s’impose un cadre de travail exigeant en terme de traçabilité de chaque composant et sous-ensemble du produit fini. Elle l’oblige à s’interroger sur son mode de fabrication et à interroger ses fournisseurs pour plus de transparence.

Qualité : il s’agit de concevoir une plaque de cuisson à induction à la fois performante et très robuste, car l’environnement de la grande cuisine est bien souvent hostile pour le matériel !

Service : c’est en cas de panne que le client jugera de l’excellence – ou non ! – du service apporté par la marque qu’il a choisie. Or le service vient d’un parfait binôme fabricant – installateur de cuisines professionnelles. C’est pourquoi, il est essentiel pour le fabricant d’intégrer au cahier des charges initial une maintenance extrêmement simple. Ainsi l’installateur, qui gère des centaines de matériels différents dans son parc installé, est en mesure de faire le bon diagnostic du premier coup et de remplacer la bonne pièce immédiatement et à un coût acceptable.