Chauffage induction-Convertisseurs de fréquence- Jacques Nuns, Jean-Louis Peureux.pdf

20/12/2013
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Publication 3EI 3EI 2003- Journées
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2003-:5522
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Résumé

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Article_Nuns.partie1.doc Page 1/19 CHAUFFAGE PAR INDUCTION : Principes et critères de choix des convertisseurs de fréquence Jacques NUNS – Jean-Louis PEUREUX EDF DRD – Centre des Renardières 77818 MORET-SUR-LOING Cedex Article_Nuns.partie1.doc Page 2/19 Sommaire Sommaire .............................................................................................................................................2 I- Introduction ......................................................................................................................................3 II- Quelques rappels sur le principe du chauffage par induction .........................................................3 II.1- Profondeur de pénétration p ....................................................................................................4 II.2- Détermination de la fréquence.................................................................................................5 II.3 Schéma électrique équivalent d’un inducteur et de sa charge ..................................................6 III- Les convertisseurs de fréquence ....................................................................................................8 III.1- Structure et schémas fondamentaux des convertisseurs de fréquence (fig. 5)......................8 III.2- Les différents interrupteurs électroniques de puissance et leurs modes de commande .........9 III.3 Schémas des convertisseurs de fréquences équipés de thyristors..........................................12 III.3.1- Onduleur de tension f<5kHz (fig. 6)........................................................................12 III.3.2- Onduleur de courant f<10kHz (fig. 7).....................................................................12 III.3.3- Générateur à injection de courant à thyristor (générateur simplifié) f<10kHz (fig. 8)...................................................................................................................13 III.4- Schémas des convertisseurs de fréquence équipés d’interrupteurs commandables à la fermeture et à l‘ouverture (voir tableau 1).....................................................................................14 III.4.1-Onduleur de tension à transistors ou IGCT (fig. 9 et 10).........................................14 III.4.2- Onduleur de courant à transistors ou IGCT (fig. 11 et 12)...................................15 III.4.3- Autres schémas utilisant un seul interrupteur .........................................................17 IV- Conclusion ...................................................................................................................................18 V- Bibliographie.................................................................................................................................19 Article_Nuns.partie1.doc Page 3/19 Résumé Le chauffage par induction présente la particularité d’imposer la fréquence des courants induits en fonction des dimensions et du matériau des pièces à chauffer, de sorte que l’utilisation d’un convertisseur de fréquence est presque toujours nécessaire. Dans le cas de l’application concernée (chauffage par induction), ces convertisseurs sont tous des alimentations dites « à résonance ». Les convertisseurs de fréquence modernes sont équipés d’interrupteurs électroniques de puissance (thyristors, thyristors IGCT, thyristors rapides, transistors bipolaires, IGBT, transistors à effet de champ). Le convertisseur le plus utilisé est encore l’onduleur de courant débitant sur un circuit oscillant parallèle. I- Introduction Développé industriellement dès le début du siècle, le chauffage par induction occupe aujourd’hui une place importante dans les applications électrothermiques industrielles (la consommation annuelle française est de 1,5 TWh environ avec des puissances allant de quelques kW jusqu’à plusieurs MW). Le chauffage par induction, de par son principe (voir ci-après), nécessite l’utilisation d’une alimentation électrique périodique. Au début du siècle, les industriels n’utilisaient que la fréquence du réseau, ce qui limitait les utilisations de l’induction aux gros fours de fusion. Par la suite, sont apparus sur le marché les groupes tournants, pour la moyenne fréquence (c’est-à- dire 1 à 10 kHz pour l’induction) et les générateurs de fréquence à tubes pour la haute fréquence (c’est-à-dire 10 kHz à 1 MHz pour l’induction); cela a permis d’étendre les utilisations de l’induction au chauffage avant formage et au traitement thermique dans les industries mécaniques. Les années 70 ont vu l’apparition sur le marché des convertisseurs de moyenne fréquence (<10 kHz) à thyristors (de 25 kW jusqu’à plusieurs MW) qui ont désormais remplacé les groupes tournants, car leurs prix sont plus bas et leur utilisation bien plus souple. Depuis 1985, ont commencé à apparaître sur le marché des convertisseurs à haute fréquence utilisant des transistors de puissance. Ceux-ci atteignent maintenant des puissances élevées (de quelques kW à 1 MW) sur une plage de fréquence étendue (5 à 800 kHz) et ils concurrencent désormais fortement les générateurs à tubes, dont le rendement énergétique dépasse rarement 60 % contre 95 % pour les composants électroniques de puissance. Cette tendance semble désormais inéluctable et actuellement la majorité des convertisseurs à haute fréquence pour le chauffage par induction utilise des transistors. Après avoir rappelé quelques principes concernant le chauffage par induction, nous présentons dans cet article une synthèse sur les convertisseurs de fréquence à thyristors et à transistors de puissance. II- Quelques rappels sur le principe du chauffage par induction Le chauffage par induction est une application très directe à la fois de la loi de Lenz et de l’effet Joule : par un dispositif approprié, qui est le plus souvent un enroulement bobiné ou un solénoïde qu’on appelle « inducteur », on crée un champ magnétique alternatif, donc variable. Conformément à la loi de Lenz, toute substance conductrice de l’électricité, si elle se trouve dans ce champ magnétique variable, est le siège de forces électromotrices d’induction, donc de courants induits. A leur tour, ces courants induits, appelés courants de Foucault, dissipent de la chaleur par effet Joule dans la substance même où ils ont pris naissance. Article_Nuns.partie1.doc Page 4/19 La bobine inductrice n’est pas nécessairement un solénoïde car tout conducteur parcouru par un courant périodique crée un champ magnétique H périodique qui engendre des courants induits dans un corps conducteur placé à proximité. Les configurations d’inducteurs sont très variées et sont liées : - à l’application (fusion, chauffage homogène, traitement thermique, soudage) ; - à la forme du produit (billettes, lopins, fils, tôles…). L’objectif est que la plus grande partie possible de l’énergie nécessaire à l’alimentation des inducteurs soit effectivement dissipée par l’effet Joule des courants induits dans la pièce à chauffer. Pour les applications industrielles, deux grandeurs caractérisent l’efficacité thermique et énergétique de l’induction : Figure 1. Création de courants induits. - la puissance dissipée dans la pièce qui caractérise l’efficacité du phénomène électrique. - la profondeur de pénétration des courants induits dans le métal des pièces à chauffer (encore appelée « profondeur de peau »). II.1- Profondeur de pénétration p C’est une notion importante qui régit le phénomène de chauffage par induction, car elle impose la fréquence des courants inducteurs et induits, donc celle des convertisseurs de fréquence. En première approximation, pour un cylindre de rayon r infini, la répartition de la densité de courant est donnée par : p r o eJJ − = avec 0J , la densité de courant à la surface du cylindre. Si I est l’intensité du courant parcourant une unité de longueur de la pièce. On a .pJdreJI 0 p r 00 • − ∞ == ∫ On constate que 87 % de la puissance totale est dissipée dans la couche d’épaisseur p. Il y a donc concentration de l’effet calorifique dans cette couche, appelée « profondeur de pénétration » et qui est définie par : rof p µµπ ρ = Lignes de champ Courants induits Bobine inductrice Article_Nuns.partie1.doc Page 5/19 où ρ : résistivité du métal µo : perméabilité du vide = 4 π 10-7 Hm-1 , µr : perméabilité magnétique relative pour un corps magnétique f : fréquence utilisée Remarque : Les densités des courants induits subissent aussi un déphasage lorsque ces courants pénètrent dans la pièce à chauffer (fig. 2), ce qui signifie que cette pièce ne doit pas être considérée comme une résistance pure, car elle présente une puissance réactive non négligeable. Figure 2. Répartition de la densité de courant et répartition de la densité de puissance entre l’extérieur et le cœur d’un conducteur (en haut) ; déphasage, en fonction de leur pénétration, de la densité des courants induits dans une pièce à chauffer (en bas). II.2- Détermination de la fréquence Pour obtenir un bon rendement électrique, les courants induits dans une pièce doivent pouvoir se reboucler sans se gêner mutuellement, compte tenu de leur profondeur de pénétration dans cette pièce. La résolution des équations de MAXWELL conduit à l’expression suivante de la puissance Pcharge(w) injectée dans la pièce. SF p H wP ech •= 2 arg )( ρ Densité de puissance Densité de courant (a) Déphasage entre la densité de courant au niveau x et la densité de courant en surface (r=o) Article_Nuns.partie1.doc Page 6/19 avec ρ : résistivité électrique de la pièce p : profondeur de pénétration H : champ magnétique efficace créé par l’inducteur S : surface externe de la pièce F : facteur du transfert de puissance. Si l’on considère des pièces de formes simples telles que des cylindres ou des plaques, le facteur de transfert de puissance F est présenté sur les courbes de la figure 3, en fonction du rapport d/p où d représente l’épaisseur (ou le diamètre) de la pièce à chauffer. Ainsi la fréquence doit être choisie de telle façon que le facteur de transfert de puissance F soit le meilleur possible, par exemple de l’ordre de 0,7 si l’on désire chauffer la pièce de façon homogène, ou proche de 1 si l’on désire la chauffer dans une couche mince (trempe). Nota : En chauffage par induction, le choix de la fréquence des courants induits est imposé par les dimensions, la résistivité électrique (ρ) et la perméabilité magnétique relative (µr) des pièces à chauffer. Remarque : d’autre part, il est très difficile de chauffer de façon homogène des pièces de formes compliquées. Figure 3. Facteur de puissance active. II.3 Schéma électrique équivalent d’un inducteur et de sa charge Comme nous l’avons vu précédemment, la charge d’un inducteur (pièce à chauffer) présente une puissance réactive. Il en est de même pour le cuivre du bobinage de l’inducteur. D’autre part, il est nécessaire de magnétiser le volume d’air compris entre la charge et l’inducteur (entrefer) et de tenir compte du champ magnétique situé à l’extérieur de l’inducteur. Cas de la plaque (épaisseur d) Cas du cylindre (diamètre d) Article_Nuns.partie1.doc Page 7/19 Dans tous les cas, l’ensemble inducteur-charge peut être représenté par un schéma électrique équivalent de composantes L et R. Nous avons l’habitude de les représenter en série (voir fig. 4). Le schéma électrique équivalent vu des bornes de l’inducteur se réduit à une inductance L et une résistance R, branchées en série, dont l’angle de déphasage ϕ du courant par rapport à la tension est toujours variable et très élevé, par conséquent, le cos ϕ est toujours faible : 222 LR R cos ω+ =ϕ F2πω = Figure 4.– L’ensemble inducteur-charge peut être représenté par une association série (L-R) d’inductances et de résistances et, donc, finalement, d’une inductance et d’une résistance. Il est donc toujours nécessaire de compenser la puissance réactive des inducteurs avec des condensateurs branchés en série ou en parallèle avec ces inducteurs. Cela est fondamental, car les inducteurs et leurs condensateurs de compensation de puissance réactive forment des circuits oscillants de types série ou parallèle. Ainsi, les convertisseurs de fréquence utilisés en chauffage par induction sont tous des alimentations dites « à résonance », car ils entretiennent en état oscillatoire ces circuits oscillants, à leurs fréquences propres (f0) ou à des fréquences très proches de ces fréquences propres. Il est nécessaire de considérer la tangente de l’angle ϕ qui est le coefficient de qualité du circuit oscillant. R L tg ω =ϕ Bornes inducteur RCU : Résistance de l’inducteur LCU : Inductance de l’inducteur LE : Inductance du volume laissé libre par la pièce à l’intérieur (air à magnétiser) encore appelé « Entrefer » + fuites magnétiques RCH : Résistance équivalente de la charge (pièce à chauffer) LCH : Inductance équivalente de la charge (les intensités des courants induits dans la charge sont déphasées par rapport aux intensités des courants induits en surface). Article_Nuns.partie1.doc Page 8/19 Selon le type de circuit oscillant, tg ϕ est aussi : - le coefficient de surtension du circuit oscillant série, - le coefficient de surcourant du circuit oscillant parallèle. En chauffage par induction, la tg ϕ peut atteindre des valeurs élevées (2 < tg ϕ <40). Lorsque c’est le cas, cela signifie que l’inducteur et sa charge sont magnétiquement mal couplés et que la composante magnétisante du courant inducteur est très élevée. Il en résulte une dégradation significative du rendement énergétique, car les pertes dans l’inducteur sont importantes par rapport à la puissance transmise à la charge. III- Les convertisseurs de fréquence Les circuits oscillants doivent être alimentés à une fréquence proche de leur fréquence de résonance. Cette fonction est assurée par des convertisseurs de fréquence. III.1- Structure et schémas fondamentaux des convertisseurs de fréquence (fig. 5) Les convertisseurs de fréquence ont tous la même structure : - un pont redresseur (commandé ou non), - un système de filtrage du courant ou de la tension, - un pont onduleur. Les schémas fondamentaux des convertisseurs de fréquence sont : - l’onduleur de tension qui débite sur un circuit oscillant de type « série », - l’onduleur de courant qui débite sur un circuit oscillant de type « parallèle ». Figure 5. A gauche : onduleur de tension – à droite : onduleur de courant (en haut) – Evolution, dans chaque cas, de la tension et de l’intensité (en bas). Le circuit oscillant série de l’onduleur de tension, à sa fréquence de résonance, crée aux bornes de l’inducteur et des condensateurs une surtension égale à : ϕ•= tgEU curscondensate Ondulateur de tension Ondulateur de courant Remarque : S1 à S4 sont des interrupteurs électroniques de puissance commandés en commutations (fermés ou ouverts). Article_Nuns.partie1.doc Page 9/19 ϕ+= 2 cinducteur tg1EU Dans ces conditions, les tensions UC et UL peuvent atteindre des valeurs très élevées, parfois difficiles à mettre en œuvre, nécessitant l’utilisation de transformateurs abaisseurs. L’onduleur de tension est donc bien adapté aux inducteurs d’impédance élevée, à condition que la tg ϕ reste raisonnable (≤ 10). Le circuit ondulant parallèle de l’onduleur de courant, à sa fréquence de résonance, est le siège d’un surcourant entre les condensateurs et l’inducteur : ϕ×= tgII curscondensate ϕ+= 2 cinducteur tg1II L’inducteur est parcouru par un courant très élevé, qui crée un champ magnétique intense, sous une tension modeste (600 V). L’onduleur de courant est donc bien adapté aux inducteurs d’impédances basses, ce qui est souvent le cas dans les applications industrielles. Pour ces raisons, l’onduleur de courant est encore le convertisseur de fréquence le plus utilisé en chauffage par induction. III.2- Les différents interrupteurs électroniques de puissance et leurs modes de commande Les interrupteurs électroniques de puissance ont beaucoup progressé en puissance, en rapidité et en facilité de commande. Il existe aujourd’hui sur le marché, différents interrupteurs capables de couvrir la gamme de fréquence de 300 Hz à 800 kHz. Gamme de fréquences des interrupteurs 300 à 2 000 Hz 2 à 5 kHz 10 à 50 kHz 50 à 500 kHz - Thyristors - Thyristors IGCT Thyristors rapides IGCT Transistors IGBT Transistors à effet de champ (MOSFET) - IGBT : Isolated Gate Bipolar Transistor - MOSFET : Metal Oxyde Semi-conductor. - IGCT: Integrated Gate Commutated Thyristor Les modes de commande des interrupteurs Les thyristors ne sont commandables qu’à la fermeture. Les thyristors IGCT et les transistors bipolaires, IGBT et MOSFET sont commandables : - à la fermeture, - à l’ouverture. Ainsi, selon le type de convertisseurs de fréquence et les interrupteurs utilisés, il existe différents modes de commande de ces interrupteurs, sachant qu’ils sont commandés : Article_Nuns.partie1.doc Page 10/19 - soit à la fermeture (mode thyristor), l’ouverture étant spontanée, - soit à l’ouverture (mode thyristor dual ou thyristor diode dual), la fermeture étant spontanée, et que leurs caractéristiques intensité/tension sont différentes (voir tableaux 1 et 2). Tableau 1 – Ensembles interrupteurs – Caractéristiques intensité/tension. BIDIRECTIONNALITE EN COURANT BIDIRECTIONNALITE EN TENSION Thyristor IGCT asymétrique Transistor IGBT Thyristor IGCT asymétrique Transistor IGBT Pour onduleurs de tension Transistor à effet de champ (MOSFET) (Diode inverse incorporée) Transistor à effet de champ (MOSFET) (Diode inverse incorporée) Pour onduleurs de courant Article_Nuns.partie1.doc Page 11/19 Tableau 2 – Modes de commande des ensembles interrupteurs. Onduleurs de tension Onduleurs de courant Les interrupteurs du pont onduleur peuvent être commandés différemment. On distingue quatre cas : - Mode thyristor : Les interrupteurs sont commandés à la fermeture, et l’ouverture est spontanée par disparition du courant. Onduleur de tension (fig. A) ffo - Mode thyristor dual : Les interrupteurs sont commandés à l’ouverture, et la fermeture est spontanée au passage à zéro de la tension. Ondulateur de courant (fig. B) f>fo - Mode thyristor diode dual : Les interrupteurs sont commandés à l’ouverture, et la fermeture est spontanée au passage à zéro de la tension. Ondulateur de courant (fig. D) f fo Thyristor Dual Blocage Commandé Armoçage Spontané Thyristor Symétrique Amorçage commandé Blocage spontané f = fo « Mode à cheval » transistors amorçage commandé blocage commandé Article_Nuns.partie1.doc Page 12/19 III.3 Schémas des convertisseurs de fréquences équipés de thyristors III.3.1- Onduleur de tension f<5kHz (fig. 6) L’onduleur de tension débite sur un circuit oscillant LRC de type série, composé de l’inducteur (et sa charge) et de condensateurs de compensation de puissance réactive. A la fréquence de résonance ƒ0 l’inducteur est le siège d’une surtension propre au circuit oscillant série. L’onduleur de tension est donc naturellement bien adapté aux cas où les inducteurs sont de forte impédance et doivent être alimentés sous tension élevée. Certains constructeurs utilisent le pont redresseur commandé non pas pour régler la puissance, mais comme contacteur électronique (tout ou rien). La puissance est alors régulée en jouant sur la fréquence de commande des thyristors du pont onduleur afin d’alimenter le circuit oscillant à une fréquence qui s’éloigne ou se rapproche de sa fréquence propre f0 avec toujours f< f0 . Cet onduleur est principalement utilisé pour alimenter des fours de fusion de métaux, parfois à de fortes puissances (P > 1 MW). Figure 6. Onduleur de tension à thyristors III.3.2- Onduleur de courant f<10kHz (fig. 7) L’onduleur de courant débite sur un circuit oscillant LRC de type parallèle composé de l’inducteur (et sa charge) et de condensateurs de compensation de puissance réactive. A la fréquence de résonance f0, l’inducteur est le siège d’un surcourant propre au circuit oscillant parallèle. L’onduleur de courant est donc naturellement bien adapté aux cas où les inducteurs Courant et tension interrupteurs Courant et tension circuit oscillant Article_Nuns.partie1.doc Page 13/19 sont de faible impédance et doivent être alimentés sous tension réduite. La fréquence de travail doit toujours être supérieure à f0. L’onduleur de courant à thyristors est le convertisseur actuellement le plus utilisé en chauffage par induction, dans toutes les applications de fréquences inférieures à 10 kHz de puissances parfois très élevées (P > 1 MW). Les principales applications sont : la fusion, la forge, l’estampage, le brassage et le chauffage de bandes ou de tuyaux, etc. Figure 7. Onduleur de courant à thyristors III.3.3- Générateur à injection de courant à thyristor (générateur simplifié) f<10kHz (fig. 8) Le générateur simplifié a la particularité de n’utiliser qu’un seul interrupteur commandé (thyristor), donc d’être moins onéreux que les autres types de générateurs. En contrepartie, le générateur simplifié est moins performant que les autres dans le sens où il exige un bon couplage entre inducteur et sa charge et cette dernière doit être peu variable. Le générateur simplifié offre donc certains avantages (simple – peu onéreux) mais doit être utilisé à bon escient. Ses principales applications se trouvent en fusion et forge pour des puissances inférieures à 500 kW et des fréquences inférieures à 10 kHz. Pour de petites puissances (< 20 kW), il est possible d’atteindre des fréquences jusqu’à 25 kHz. Courant et tension interrupteurs Courant et tension circuit oscillant Triphasé 50 Hz Article_Nuns.partie1.doc Page 14/19 Figure 8. Générateur à injection de courant (générateur simplifié) à thyristors. III.4- Schémas des convertisseurs de fréquence équipés d’interrupteurs commandables à la fermeture et à l‘ouverture (voir tableau 1) Selon la gamme de fréquence, les interrupteurs sont choisis parmi les suivants : - les thyristors IGCT, - les transistors (IGBT – MOSFET). Les schémas électriques de ces convertisseurs de fréquence sont similaires à ceux équipés de thyristors, mais les interrupteurs offrent la possibilité d’être commandés à la fermeture (comme des thyristors) ou à l’ouverture (thyristor dual), selon le mode de commande choisi. Nous retrouvons donc les schémas fondamentaux (onduleur de tension et onduleur de courant) plus quelques schémas de faibles puissances qui utilisent un seul interrupteur. III.4.1-Onduleur de tension à transistors ou IGCT (fig. 9 et 10) Les ensembles interrupteurs sont : - Bidirectionnels en courant - Unidirectionnels en tension En mode thyristor dual, les transistors sont commandés à l’ouverture, leurs enclenchements n’étant autorisés que lorsque la tension est nulle à leurs bornes. Ils sont caractérisés par de très faibles pertes aux commutations car l’ouverture se fait sous tension réduite, et le courant est dévié par le condensateur d’aide aux commutations. La fermeture se fait sous tension nulle. Fusible Triphasé 50 Hz 380 V Courant et tension interrupteurs Courant inducteur Article_Nuns.partie1.doc Page 15/19 Les applications de ce type de convertisseur de fréquence sont très diverses et à des puissances très variables : - traitement thermique, - chauffage de tôles au défilé, - thermoscellage, - fusion de métaux précieux, etc. Figure 9. Onduleur de tension à transistor ou IGCT Figure 10. Commutations douces (à gauche) : courant et tension en sortie du pont onduleur (à droite). III.4.2- Onduleur de courant à transistors ou IGCT (fig. 11 et 12) Les ensembles interrupteurs sont : - Bidirectionnels en tension - Unidirectionnels en courant Inducteur 400 V 50 Hz Circuits de commande en thyristors duals Mode de commande : thyristor – dual f > fo Auto-blocage Blocage contôlé Amorçage spontané Commutations douces Article_Nuns.partie1.doc Page 16/19 Les circuits r, c (fig. 11) d’aide aux commutations (snubbers) sont faiblement dissipatifs. - Le mode « Thyristor-diode dual », comme le « thyristor dual », assure aux interrupteurs des commutations douces, donc de faibles pertes aux commutations. - Le pilotage en fréquence est très simple : au passage par zéro de la tension du circuit oscillant parallèle, une paire d’interrupteurs est commandée à l’ouverture, l’autre paire reçoit l’ordre de fermeture. Ce convertisseur de fréquence permet d’atteindre des puissances de l’ordre de 1 MW à 1000 Hz avec quatre interrupteurs IGCT et de réduire les coûts, par rapport aux onduleurs d’intensité à thyristors, dans des domaines tels que la forge et la fusion. L’utilisation de transistors permet d’attendre des fréquences élevées (500kHz). Figure 11. Onduleur de courant à transistors Figure 12. Commutations douces (à gauche) : courant et tension en sortie du pont onduleur (à droite) Mode de commande : thyristor - diode - dual f < fo 400 V 50Hz Enclenchement des interrupteurs Commutations douces Article_Nuns.partie1.doc Page 17/19 III.4.3- Autres schémas utilisant un seul interrupteur Ces schémas n’utilisent qu’un seul interrupteur commandé. Les générateurs réalisés selon ces schémas sont de faibles puissances, mais ont l’avantage de ne pas être très onéreux (fig.13). Le problème majeur à résoudre sur ces générateurs est la surtension qui apparaît aux bornes de l’interrupteur, et qui devient rapidement prohibitive lorsque le générateur ne fonctionne pas dans ses conditions optimales (charge magnétique, petit entrefer). Les puissances restent toujours modestes (< 15 kW). Les fréquences peuvent être élevées, selon l’interrupteur utilisé. Ce type de convertisseur est actuellement utilisé surtout pour équiper des cuisinières à induction (grandes cuisines et tertiaire), à des fréquences voisines de 25 kHz et des puissances de 2 à 5 kW. Figure 13. Autres schémas utilisant un seul interrupteur. mono 50 Hz 230 V mono 50 Hz 230 V inducteur inducteur Article_Nuns.partie1.doc Page 18/19 IV- Conclusion Le chauffage par induction ne permet pas de chauffer n’importe quelle charge. Une condition essentielle est que les charges soient réalisées dans un matériau conducteur de l’électricité. D’autre part, si le chauffage doit être homogène, les charges doivent être de formes simples (exemple : plaques – cylindres). Le chauffage par induction présente la particularité d’imposer la fréquence utilisée, selon la nature et les dimensions des charges à chauffer. C’est la raison pour laquelle dans la majorité des cas, il est nécessaire d’utiliser des convertisseurs de fréquence, qui sont en fait des alimentations appelées « à résonance ». Pendant longtemps, les composants électroniques de puissance étaient limités à des fréquences inférieures à 10 kHz et les fréquences supérieures étaient générées par des tubes électroniques (triodes). Le choix des convertisseurs étaient relativement restreint. Aujourd’hui, les nouveaux composants électroniques de puissance ont beaucoup évolué et évoluent encore. Ils permettent d’atteindre des puissances et des fréquences qui couvrent presque tout le domaine du chauffage par induction (jusqu’à 800 kHz). D’autre part, compte tenu de la diversité grandissante des applications du chauffage par induction dans des domaines nouveaux, pour chaque application il existe maintenant un type de convertisseur mieux adapté que les autres. Cela a pour avantages d’améliorer les Quel convertisseur choisir ? Dans la plupart des cas le générateur le mieux adapté à une application peut se déduire grâce au schéma suivant : Exemple : four de fusion de 500 kW – 1 000 Hz : - f < 5 kHz thyristors - charge évoluante onduleur onduleur de tension à thyristors - inducteur impédant tension En première approximation, pour fixer les idées, quels que soient la fréquence et les interrupteurs utilisés : - l’onduleur de tension inducteurs d’impédance élevée (tension élevée) - l’onduleur de courant inducteurs d’impédance basse (basse tension) - le générateur simplifié charges constantes, bien couplées à l’inducteur Article_Nuns.partie1.doc Page 19/19 rendements énergétiques et de baisser les coûts, par simplification et suppression de certains organes tels que les transformateurs d’adaptation d’impédance entre convertisseurs de fréquence et inducteurs. De manière générale, le convertisseur type « onduleur de courant », est encore le plus utilisé. Les puissances installées en chauffage par induction varient de quelques kW à quelques MW selon les applications. Nous avons essayé de résumer, sur la figure 14, différents paramètres en fonction des principales applications de l’induction. Ces paramètres sont : - les puissances installées, - les fréquences, - les différents interrupteurs électroniques de puissance. Outre les domaines classiques (forge et fusion des métaux, traitement thermique en sidérurgie et mécanique), les nouvelles applications potentielles du chauffage par induction se trouvent aujourd’hui dans des domaines tels que : - la chimie, - l’agro-alimentaire, - les matériaux (verres, émaux, carbone). V- Bibliographie • Le chauffage par induction – Brochure réalisée par le département ADEI de la DER-EDF. • La communication douce – Thèse de docteur-ingénieur de Y. CHERON – ENSEEIH Toulouse. • Les principes généraux du chauffage par induction de J. PARENT, chef de service aux A.C.E.C.