Introduction
L’apparition des dispositifs de semi-conducteurs électroniques électroniques modernes, a élargi les systèmes de chauffage à induction et l’introduction par conséquent dans le marché des appareils ménagers. Son application à des cuisinières à induction, offrant d’énormes avantages tels que la réduction du temps de cuisson, la puissance et la température réglables, le nettoyage facile et l’économie d’énergie par rapport aux autres technologies de cuisson. Les cuisines électriques à induction sont des équipes qui augmentent la qualité de vie d’une société, améliorant l’indice sur le développement humain (IDH), l’indice de pauvreté multidimensionnelle (IPM), le bien-être de ladite société et l’efficacité énergétique du système énergétique.
Le travail actuel expose les principes physiques théoriques qui expliquent les processus d’induction électromagnétique, ainsi que les méthodes existantes pour la modélisation de la charge. Les circuits de puissance et de contrôle sont conçus et mis en œuvre, basés sur un investisseur à pont moyen, pour une application dans la cuisson des aliments grâce au chauffage par induction. Les simulations effectuées sur le système d’alimentation sont affichées et validées à partir des résultats pratiques obtenus.
Caractéristiques des matériaux
Les systèmes de chauffage d’induction d’applications nationales ont attiré une attention particulière à la société moderne. Un produit complètement intégré à ce groupe est une cuisine induction tout au long de plusieurs avantages qu’il présente. Cependant, une cuisine induction ne peut pas atteindre des valeurs d’efficacité énergétique élevées, bien que son électronique de puissance optimisée. Pour cela, il est nécessaire d’effectuer une sélection correcte de la forme de l’inducteur et du matériau des conteneurs.
Il est important de définir que le matériau des conteneurs utilisés dans les systèmes de chauffage par induction est non seulement sélectionné par résistivité et valeurs élevées de perméabilité relative, car le phénomène appelé effet de film joue un rôle important. dans la génération de chaleur.
Le phénomène de l’effet de film limite la profondeur de la pénétration des courants induits dans un matériau conducteur. La profondeur de pénétration est la distance de la surface d’un matériau conducteur infiniment épaisse, pour laquelle le courant induit a atteint environ 38% de sa valeur sur la surface, est donné par équation (1).
dans l’équation 1, il est que ρ est la résistivité du matériau, μ_R, la perméabilité magnétique relative du matériau et la fréquence de la Courant électrique.
à partir de ce paramètre, il est possible d’effectuer le calcul de la résistance de la surface du matériau (RS) à des hautes fréquences, qui est effectuée à travers l’équation (2).
Analyse d’équation (2) Vous permet d’identifier que la sélection de la fréquence de fonctionnement est l’un des paramètres les plus importants à prendre en compte compte, pour la conception d’un système de chauffage par induction. Une gamme de valeurs de résistance de surface peut être disponible pour le même matériau, uniquement en faisant varier la fréquence de fonctionnement du courant. Par conséquent, pour obtenir un système efficace concernant la génération de chaleur dans le conteneur, la sélection du matériau à chauffer est basée principalement sur les paramètres suivants: profondeur de pénétration, perméabilité magnétique relative et résistivité du matériau. Les matériaux ferromagnétiques ont des valeurs élevées de résistance à la surface contre les non-ferromagnétiques, qui permettent la même valeur de puissance pour réduire les valeurs de courant. Cela provoque que l’efficacité énergétique des cuisines d’induction est considérablement compromise pour les matériaux non ferromagnétiques.
Un aspect à prendre en compte pour la sélection des matériaux de conteneur est la conductivité thermique que les métaux présents, car une plus grande mesure de ce paramètre plus uniforme constituera la température dans le conteneur. Les métaux qui ont les meilleures caractéristiques de la conductivité thermique sont la résistance de surface la plus faible. Pour cette raison, de nombreuses entreprises produisent des conteneurs spéciaux conçus pour absorber l’énergie magnétique et propager rapidement la chaleur. De cette manière, un système de haute efficacité est obtenu, où aucun point chaud n’est produit qui brûle les aliments dans une zone, tandis que dans d’autres, il reste cru.
matériaux et méthodes
diagramme dans les blocs de puissance et de commande
Les systèmes de chauffage par induction ont plusieurs étapes, elles sont généralement divisées en phase de puissance et de contrôle, à Expliquez le fonctionnement d’un système d’induction Le schéma ci-dessous est proposé (Figure 1), il convient de noter qu’il suit le motif selon un cuisinier à induction commerciale. Premièrement, comme un circuit de suppresseur harmonique, un filtre d’entrée capacitif a et sous forme de redresseur, un pont diode avec un filtre LC à la sortie. L’onduleur de pont moyenne est la topologie sélectionnée pour créer la tension haute fréquence fournie au système de conteneur inductif, qui est représentée comme une charge variable équivalente du type RL, il existe également d’autres topologies telles que l’onduleur complet de pont ou le quasi-résonant de topologie (référence). Les tensions requises par la commande sont obtenues à partir de l’alimentation commutée de 5 V et 18 V. Dans l’étape de surveillance et de détection des conteneurs, il existe plusieurs circuits utilisés pour mesurer la tension, le courant et la température dans des points essentiels des convertisseurs en fonction de sa fonction . Le système de contrôle est basé sur deux étapes fondamentales. Le premier prend en compte toutes les variables mesurées et les processus présents dans les circuits d’alimentation et repose sur un microcontrôleur. La deuxième étape réside dans l’interface utilisateur, qui est effectuée via un programme développé sur le PC et permet de contrôler la fréquence de fonctionnement de l’investisseur.
Fig. 1
Schéma de principe de la phase de puissance et de contrôle.
La théorie de l’opération et le calcul de tous les éléments de la puissance, du contrôle et de la surveillance du système proposé, pour une puissance de 1000 W et la tension de réseau de 110 V RMS à 60 Hz peut être vue dans. Les résultats théoriques obtenus à partir des éléments de l’onduleur moyen par pont sont ceux représentés dans le tableau 1, obtenant les valeurs de l’impédance de charge utilisée dans le calcul de l’onduleur est expliquée dans les sections suivantes.
Méthodes Utilisé dans l’identification des conteneurs.
L’identification des conteneurs est un aspect extrêmement important des cuisines à induction. Sa fonction est de différencier la prise de conscience de la capacité nécessaire pour le bon fonctionnement de l’appareil. L’absence d’informatique met en réserve le fonctionnement de l’équipe, même sa rupture. Pour cela, il est vital, que la cuisine ait un système de reconnaissance du matériau prédominant avec lequel le chaudron est fabriqué. Les systèmes d’identification utilisent les informations présentes dans les paramètres électriques des matériaux utilisés dans les conteneurs, pour les différencier. L’idée que chaque métal a une résistance électrique équivalente, à une fréquence donnée, est utilisée pour obtenir une identification. Dans la littérature, plusieurs techniques sont décrites pour différencier les matériaux non ferromagnétiques à partir desquels ils sont. Les méthodes les plus utilisées pour l’identification des conteneurs sont la mesure du courant haute fréquence et la réponse dans le domaine temporel avant un stimulus.
La méthode d’identification de la mesure actuelle de l’inducteur est l’une des plus anciennes utilisées. Dans, il est décrit comme à partir d’une commande basée sur la boucle de phase fermée (PLL, pour son acronyme en anglais), la fréquence de résonance du système de conteneurs inductif est recherchée. Pour chaque réglage de fréquence, la mesure actuelle est effectuée par l’inducteur d’un transformateur de courant et en fonction de la valeur obtenue, le type de matériau est connu. Ceci est basé sur les métaux non ferromagnétiques précédemment soulevés ayant une résistance beaucoup plus faible que la ferromagnétique, en appliquant la même tension à l’inducteur, un courant plus élevé est obtenu. Dans ce cas, la tension d’inverseur d’onduleur a été réduite à 20 V, de sorte que le courant de circulation par le système n’affecte pas les semi-conducteurs de puissance. La théorie de la réponse de la méthode dans le domaine temporel avant qu’un stimulus établit, que l’impédance équivalente peut être représentée via un circuit RLC série. Dans, il se pose que la réponse naturelle que ce type de circuit possède est sous-amortie lorsque la fréquence naturelle est supérieure au coefficient tampon exponentiel. Dans, l’effet de 5 conteneurs de matériaux métalliques différents peut être vu avant une impulsion d’activation sur l’un des semi-conducteurs de puissance.Il est évident que la réponse naturelle du système pour tous les cas est sous-amortie.
étant le coefficient de tampon beaucoup plus bas lorsqu’il n’y a pas de conteneur sur la cuisine. Quant aux conteneurs, le temps d’oscillation, comme l’ampleur de celui-ci est beaucoup plus grand pour l’aluminium que pour les matériaux ferromagnétiques restants, il arrive que la fréquence des oscillations. Par conséquent, pour identifier le type de matériau nécessaire pour effectuer le traitement de la réponse, lorsqu’un signal est obtenu avec une fréquence proportionnelle à celle des oscillations. Dans le cas du nombre d’impulsions qu’une référence fixe est supérieure, elle est en présence de conteneurs non ferromagnétiques ou sans conteneur, le système de contrôle prend la décision d’éteindre le système d’alimentation. Sur la figure 2, ce qui précède est précédemment exposé.
Fig. 2 signaux utilisés pour l’identification du conteneur. a) Conteneur en aluminium. b) Conteneur ferraromagnétique Modélisation de la charge électrique.
Modélisation de la charge électrique
Au cours des 25 dernières années, il est possible de trouver une grande variété de méthodes de calcul de la Impédance équivalente du système de conteneurs inductifs. Certaines d’entre elles sont complexes, car elles prennent en compte tous les paramètres physiques, électriques et géométriques de l’inductance, garantissant une approche assez précise. Cependant, il y en a d’autres qui prennent simplement en compte certains paramètres essentiels du système inducteur de conteneurs. Celles-ci ne sont pas aussi précises, mais il est possible d’obtenir des résultats favorables dans le comportement des variables électriques du système.
Ensuite, certaines des méthodes les plus utilisées pour le calcul de l’impédance équivalente sont mentionnées:
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analyse via le modèle analogue du transformateur.
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Analyse de la simulation du champ électromagnétique avec la méthode d’éléments finis (FEA Outil, pour son acronyme en anglais).
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modélisé par l’acquisition de données de la tension et des mesures de courant du système de conteneurs inducteurs dans une plage de fréquences.
Pour la conception des étapes de la puissance du système, spécifiquement l’onduleur, il est nécessaire de connaître les caractéristiques de la charge, qui est variable en fonction de la fréquence de commutation. Par conséquent, dans ce travail, la combinaison des méthodes d’analyse est utilisée via le modèle analogue du transformateur et modélisé grâce à l’acquisition de données de la tension et des mesures de courant du système de conteneurs inducteurs dans une plage de fréquences, pour le calcul. De la charge. La méthodologie utilisée pour obtenir les caractéristiques de la résistance et de l’inductance équivalent par rapport à la fréquence, pour deux conteneurs différents est exposée, ces résultats sont présentés à la figure 3. Il est démontré avec les courbes obtenues, la variation présente dans l’impédance équivalente, qu’il a l’investisseur comme charge. La plage de fréquences à laquelle la charge sera utilisée est de 22 kHz à 45 kHz.
Stratégie de l’étape de contrôle
Le système de contrôle de l’installation expérimentale proposée est composé de l’interface utilisateur et du dispositif de contrôle des circuits d’alimentation. Grâce à un programme développé sur l’ordinateur, les données nécessaires sont envoyées pour définir le point de fonctionnement souhaité sur l’onduleur. Le dispositif de contrôle doit être capable de garder de manière stable le point de fonctionnement fixe. L’élément qui régit toute la stratégie de contrôle du système d’alimentation est le microcontrôleur PIC18F4580, le fabricant de microchip.
Le microntrôleur est responsable de l’exécution de plusieurs fonctions parmi lesquelles la surveillance des protections est, par exemple la tension de la tension de Le réseau pour démarrer le processus s’il est dans les paramètres indiqués, sinon le message de défaillance de la tension est affiché. Effectuez ensuite le processus de mise en œuvre du conteneur conformément à l’algorithme implémenté. Si ce n’est pas possible, un message d’erreur est affiché, au contraire, s’il est ferromagnétique, les valeurs du point de fonctionnement établi sont enregistrées et que les signaux de commande sont donnés à l’onduleur. Chaque cycle moyen du réseau est exécuté un certain nombre de tâches dans un ordre spécifique. Celles-ci consistent en la tension réseau de mesure et la température des semi-conducteurs et des conteneurs.Tous ces signaux sont comparés à une référence, au cas où une anomalie est reflétée par un message et que l’investisseur est désactivé. Tout est synchronisé la coordination de l’événement avec le passage à zéro de la tension du réseau. Chacun d’entre eux est comparé à une référence et vérifie si elle est à la limite possible, sinon le système est éteint. La valeur de courant maximale atteinte dans la plage possible est envoyée au PC. Ce processus sera répété pendant le temps que l’utilisateur établi pour le fonctionnement du système et une fois épuisé, arrête automatiquement et est prêt à régler à nouveau les valeurs. À tout moment, l’utilisateur a la possibilité d’éteindre manuellement l’ordinateur pour lancer le processus depuis le début.
Mise en œuvre des étapes du diagramme proposé.
Les circuits des étapes de puissance, de surveillance et de commande sont conçus dans le même PCB, où les éléments de puissance sont regroupés dans le côté gauche. de la carte, tout en surveillant et en contrôle à droite. La figure 4 a) présente la carte électronique, qui est connectée à l’alimentation réseau, les bornes d’inductance et le câble USB, pour la connexion à l’ordinateur. Il est possible de transférer le transfert du code de programme sur le microcontrôleur, sans avoir à le retirer de la carte, car ICSP (en programmation série de circuit) est utilisé. Un aperçu de la manière dont le système mis en œuvre est effectué est illustré à la figure 4 b). Celui qui fonctionne à une fréquence de 35 kHz après avoir effectué un balayage de fréquence.
Fig. 4
a) Carte électronique avec circuits d’alimentation, surveillance et contrôle de l’installation expérimentale. b) système de puissance et de contrôle mise en œuvre à 35 kHz.
résultats
Simulations et résultats pratiques.
Suivant, les résultats sont présentés de la Simulations obtenues à partir des étapes de courant et le contrôle de l’installation expérimentale proposée. L’outil utilisé est le système d’entrée schématique intelligent ISIS, appartenant au programme de simulation de Professional ProTeus, de la société de systèmes électroniques de LabCenter. Les semi-conducteurs de puissance utilisés dans l’analyse sont IGBT.
Figure 5 a le comportement de plusieurs variables à 28 kHz. Sur la figure 5 a), la tension de l’onduleur de l’onduleur (bleu) a un comportement similaire à celui de la tension de sortie du redresseur, cependant, il existe de petites perturbations dues à des commutateurs sur la charge. Ces commutateurs sont reflétés dans la tension du collecteur de l’émetteur de l’IGBT inférieur (orange), qui présente deux composants à faible et haute fréquence, qui est apprécié est la fréquence basse. La valeur de tension maximale pour prendre en charge les IGB est de 155V, pour une tension de réseau de 110 VRMS. Quant à la figure 5 b), les variables présentées sont l’entrée (bleue) et du courant (orange) de l’entrée du système et de la sortie (verte) et du courant (rose) de l’onduleur. Le comportement du courant d’entrée est pratiquement sinusoïdal et est en phase de tension, ce qui garantit un facteur de puissance près de l’unité. La valeur de courant maximale obtenue pour ce cas est de 10 A, ce qui équivaut à 7,07 bras. En ce qui concerne la tension de sortie de l’onduleur (vert), il est beaucoup plus élevé (287 V pic) que celui correspondant aux valeurs théoriques. Cela est dû à l’opposition de l’inductance équivalente à des changements de courant soudains, lorsque la commutation se produit, ce qui produit des pics de tension qui ne peuvent pas être lissés par des condensateurs d’onduleur, la valeur de capacité de ceux-ci n’est pas suffisamment grande pour contrer les variations soudaines de la tension.
Fig. 5
a) Tension d’inverseur de l’onduleur et tension de l’émetteur de l’IGBT inférieur (orange). b) Entrée de tension (bleue) et de courant (orange) du système et de la tension (vert) et de la sortie actuelle (rose) de l’onduleur.
Tout est exposé arrive, car ils fonctionnent à proximité la fréquence de résonance. Le courant de sortie suit l’enveloppe de la tension d’entrée de l’onduleur, atteignant une valeur maximale de 27,5. Il est également appréciable, car les signaux de sortie de l’onduleur sont alternent, comme prévu selon la théorie. Le composant visible de la figure est que correspondant à la fréquence basse.
sur la figure 6, les comportements à haute fréquence de la sortie de l’onduleur PIC18F4580 (bleu et orange) et de tension (rose) et de courant (rose), pendant 28 kHz sont exposés. (Figure 6 A) et 35 kHz (figure 6 b). Il est apprécié car les signaux de contrôle sont complémentaires les uns des autres, avec un petit temps mort entre eux (1μs), pour les deux points de fonctionnement. En ce qui concerne les signaux de tension et le courant de sortie de l’onduleur, il est observé que les valeurs maximales sont atteintes pendant 28 kHz. Dans ce cas, il est apprécié car le courant suit un comportement pratiquement sinusoïdal, indiquant qu’il est proche de la fréquence de résonance, la valeur maximale atteinte est de 27.5 A. La tension a des pics au moment de la commutation des iGBTS, provoquant des valeurs maximales. Près de 300 V. Cependant, à 35 kHz, la tension et le courant ont des valeurs mineures, car elles fonctionnent à une fréquence supérieure à celle du système RLC naturel. Le comportement du courant est le plus proche d’une exponentielle croissante et décroissante, en fonction de l’impulsion d’activation, la valeur de crête est 16 A. En ce qui concerne la tension, même la valeur maximale obtenue est supérieure à la théorie, car le répondant de la valeur est relativement élevé. , de sorte que les condensateurs de résonance ne peuvent pas contrer la variation de tension. Lorsque la fréquence augmente, l’équivalent de réactivité inductive et la résistance équivalente sont augmentées et le courant diminuera donc, de la même manière qu’il se produit avec la tension de sortie jusqu’à ce que sa valeur soit stabilisée dans les valeurs théoriques.
Fig. 6
Signaux de commande du PIC18F4580 (bleu et orange), sortie de sortie de tension (vert) et de sortie actuelle (rose). a) à 28 kHz. b) à 35 kHz.
Afin de valider les circuits mis en œuvre, les formes d’onde des variables analysées dans la simulation sont obtenues, à la fois des étapes de la puissance et celles de la commande. Les points de fonctionnement définis sont les mêmes que dans les simulations. L’onduleur peut fonctionner une fois que le conteneur est conforme aux exigences de la technique d’identification du conteneur, les résultats obtenus à partir de ce test peuvent être vus.
Les premiers signaux électriques à analyser sont ceux présentés à la figure 7 et correspondent à la tension (jaune) et à courant (bleu) de l’entrée du système, la tension de sortie du redresseur (rose) et le courant (vert) par l’inducteur, à des fréquences de 28 kHz (Figure 7 A) et 35 kHz (Figure 7 B). Semblable à la manière dont dans les simulations, les valeurs de courant maximales se produisent à une fréquence de 28 kHz. À cette fréquence, il peut être apprécié car le courant d’entrée atteint une valeur maximale d’environ 9,75 A, ce qui équivaut à 6,9 bras. Il est remarquable, car le courant (bleu) suit un comportement sinusoïdal et est en phase avec la tension réseau, qui garantit un facteur de puissance proche de l’unité. Cependant, pour 35 kHz, la valeur de crête est de 5,09 A, les bras de 3,61 correspondants et observés comme des déformations sont observées dans la forme d’onde, produite par les harmoniques présentes dans le signal. De plus, il existe une légère phase entre la tension de courant et d’entrée.
Fig. 7
Tension électrique (jaune) et les paramètres d’entrée actuels (bleu), tension de sortie du redresseur (rose) et courant de sortie de l’onduleur (vert). a) à 28 kHz. b) à 35 kHz.
Tant que la tension de sortie du redresseur, sa valeur maximale est de 158 V car la tension du réseau a une magnitude de 112 VRMS. Les valeurs de pointe qui atteignent le courant de sortie de l’onduleur sont de 26 A et 16,8 A pour 28 kHz et 35 kHz, respectivement.
dans l’onduleur de pont moyen la tension maximale que les igbts doivent être supportés est 158 V, pour une tension de réseau de 112 VRMS, qui est appréciée à la figure 8. Dans la figure 8, la tension de sortie de l’onduleur est présentée pour une fréquence de 28 kHz, qui a une valeur maximale de 330 V. Le composant montré de Ces deux signaux de tension sont basse fréquence.
Fig. 8
Inverter Electrical Inverter Paramètres de tension (jaune), collecteur de tension émettant une tension inférieure IGBT (bleue) et de sortie de l’onduleur (rose) à 28 kHz.
Figure 9, recueille les formes d’onde des impulsions d’activation des igbts (jaune et bleu), la tension (rose) et le courant (vert) de l’onduleur, à 28 kHz et 35 kHz . Comme prévu, les valeurs de tension maximale et de courant se produisent pendant 28 kHz, où elle est appréciée car le courant a un comportement sinusoïdal. Cette preuve, qui exploite l’onduleur, près de la fréquence naturelle du circuit RLC, formée par le système de conteneurs inductifs et des condensateurs de résonance. Le comportement de la tension et des magnitudes actuelles, pour les deux points de fonctionnement, sont compatibles avec celles obtenues dans les simulations. La différence réside dans les valeurs de pointe des signaux, qui peuvent être attribuées à la variation du produit d’inductance équivalent au chauffage du conteneur et de sa teneur.
Fig. 9
Tension électrique (jaune) et entrée actuelle (bleue), tension de sortie du redresseur (rose) et courant de sortie de l’onduleur (vert). a) à 28 kHz. b) à 35 kHz.
interface utilisateur avec MATLAB
L’interface utilisateur, qui permet de régler la fréquence de fonctionnement de l’onduleur, est effectuée via un programme développé dans Le guide MATLAB, version 7.7.0.471 de la société Les Mathworks. Il est nommé programme d’installation expérimentale de la cuisine induction (Pieti).
L’objectif principal de Pieti est d’obtenir la fonction de fréquence actuelle, qui a le conteneur, contre l’investisseur mis en œuvre. C’est-à-dire, montrez le spectre de fréquence dans lequel se produit la résonance du circuit RLC. Le programme vous permet de définir différents points de fonctionnement de l’onduleur, via un balayage de fréquence manuellement ou automatiquement. Par conséquent, l’allumage, l’arrêt et le temps que l’onduleur sera en cours d’exécution, est fixé à partir du PC. Pour y parvenir, il est nécessaire d’être connecté au port USB de l’ordinateur, à la carte électronique, qui utilise le convertisseur Serial-USB communiquer par le protocole USAT. Les informations envoyées par le programme au microcontrôleur sont l’état de l’onduleur et la fréquence de fonctionnement. La figure 10 présente l’interface utilisateur de PIMI, où les résultats obtenus de la fonction de fréquence actuelle du conteneur 1 sont présentés, à travers lequel il peut être connu, quelle est la valeur de fréquence de résonance qui a pour l’onduleur mise en œuvre. Avec la fonction de fréquence actuelle obtenue, des estimations peuvent être constituées de la puissance maximale que le conteneur peut consommer et permet de vérifier la sensibilité du courant à la variation de fréquence. Dans le cas présent, on peut le voir car le plus grand courant obtenu est d’environ 10 A, se produisant à 28 kHz. La plus haute sensibilité au changement de fréquence est comprise dans la plage de 29 kHz à 33 kHz, pour la zone inductive.
Fig. 10
Interface utilisateur du programme de contrôle d’installation expérimental une fois qu’un balayage de fréquence est exécuté.
Conclusions
Le cuiseur à induction électromagnétique doit être considéré comme un conteneur de cuisson système, En raison de l’influence qui possède les caractéristiques des matériaux avec lesquelles ce dernier élément est fabriqué sur le système d’alimentation électronique. Le programme développé pour l’interface utilisateur fournit un contrôle total sur l’allumage, le désactivé et l’établissement du point de fonctionnement souhaité sur l’onduleur. De plus, il permet d’obtenir les fonctions de débit actuelles des conteneurs utilisés dans l’installation, ce qui permettra d’autres études dans les travaux futurs. Par la similitude entre les simulations et les résultats pratiques obtenus, il est possible de valider le bon fonctionnement des étapes de la force conçues à partir de l’installation expérimentale. La stratégie de contrôle et l’interface utilisateur conçue garantissent le bon fonctionnement de l’ensemble du système électronique. Avec les résultats obtenus dans le présent travail, un matériau est valide qui explique le fonctionnement de cette technologie appliquée à la cuisson des aliments et est obtenu, une base expérimentale pour le développement d’un prototype de cuisine induction.