Maq. péd. la plaque à induction-Gilles Feld, Emmanuel Hoang.pdf

20/12/2013
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Publication 3EI 3EI 2003- Journées
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2003-:5529
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Maq. péd. la plaque à induction-Gilles Feld, Emmanuel Hoang.pdf

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Article_Feld/Hoang Page 1/12 MAQUETTE PÉDAGOGIQUE : LA PLAQUE A INDUCTION Gilles FELD - Emmanuel HOANG Département EEA – Ecole Normale Supérieure de Cachan 61, Avenue du Président Wilson 94235 CACHAN Article_Feld/Hoang Page 2/12 Sommaire Sommaire .............................................................................................................................................2 I. Introduction.......................................................................................................................................3 II. Principe du chauffage par induction................................................................................................3 III. Modèle de l’ensemble inducteur-casserole ....................................................................................4 IV. Réglage de la puissance fournie, par action sur la fréquence de commande d’un onduleur à résonance..............................................................................................................................................4 IV.1. Essais......................................................................................................................................4 IV.2. Nature des commutations.......................................................................................................6 V. Alimentation de l’inducteur...........................................................................................................10 VI. Etude comparative de différentes plaques de chauffage..............................................................12 VII. Conclusion..................................................................................................................................12 Article_Feld/Hoang Page 3/12 I. Introduction Le texte qui suit pourrait être le compte rendu de travaux pratiques aussi bien d’étudiants en préparation à l’agrégation de génie électrique que d’un étudiant en préparation à l’agrégation de physique, option physique et électricité appliquées. Les différents thèmes abordés, à travers l’étude de cette plaque de cuisson domestique sont : Bilan énergétique Identification comportementale d’un système électromagnétique Etude d’un onduleur à résonance Amélioration du facteur de puissance II. Principe du chauffage par induction Un inducteur constitué d'un enroulement en spirale en fil de Litz produit un champ magnétique variable dans un matériau conducteur (la casserole). Celui ci est donc siège d'un courant induit, qui échauffe le matériau et par conduction les aliments. Il est à noter que le fond de la casserole joue à la fois le rôle : de circuit magnétique d'enroulement secondaire Figure 1 : Plaque à induction Figure 2 : Les inducteurs Casserole Inducteur Ferrites Figure 3 : Les éléments constituant le transformateur équivalent -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -6 -4 -2 0 2 4 6 Figure 4 : Carte équiflux Article_Feld/Hoang Page 4/12 III. Modèle de l’ensemble inducteur-casserole Le champ d’induction crée par les courants circulant dans le fond de la casserole a tendance à s’opposer au champ inducteur. Il en résulte que la profondeur de pénétration des courants, donc les paramètres du dipôle équivalent sont fonctions de la fréquence. R1 L l R2 A B Figure 5-a : Transformateur équivalent l' r' B A Figure 5-b : Dipôle équivalent R1: Résistance du bobinage inducteur. R2: Résistance équivalente correspondant aux courants induits dans la casserole L : Inductance de magnétisation l : Inductance de fuites 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 10 20 30 40 50f (kHz) l'(µH) 0 2 4 6 8 10 12 14 0 10 20 30 40 50f (kHz) r'(ΩΩΩΩ) Figure 6 : Evolution des paramètres de l’inducteur chargé (inductance l’ et résistance r’) IV. Réglage de la puissance fournie, par action sur la fréquence de commande d’un onduleur à résonance. IV.1. Essais Le montage utilisé est celui de la figure 7b équivalent au montage de la figure 7a à condition que le rapport cyclique de commande des interrupteurs soit de 0 ,5. Les différents essais ont été réalisés avec des condensateurs de capacité C= 330 nF, ce qui fixe la fréquence de résonance à f0 ≈ 14,5 kHz. Dans ces conditions, on obtient la caractéristique de réglage de la figure 8. A la résonance, les formes d’ondes sont données par la figure 9. Article_Feld/Hoang Page 5/12 Uo 2C l' Inducteur + casserole 2 Uo 2 r' vk ik ich Figure 7-a : Schéma de principe d’un onduleur à point milieu Uo C l' Inducteur + casserole r' vk ik ich C Figure 7-b : Schéma de réalisation de l’onduleur à point milieu 1 10 4 1.5 10 4 2 10 4 2.5 10 4 3 10 40 500 1000 1500 2000 2500 3000 Fréquence en Hertz P ( )f f Figure 8 : Caractéristique puissance en fonction de la fréquence en W Article_Feld/Hoang Page 6/12 Figure 9 : Courant traversant l’inducteur à la fréquence de résonance IV.2. Nature des commutations La nature des commutations est différente selon que l’on se place avant ou après la fréquence de résonance. • Fréquence de commande inférieure à la fréquence de résonance : f < f0 Pour f < f0, on observe une commutation dure à la mise en conduction du transistor accentuée par la conduction inverse de la diode précédemment conductrice. Courant dans l’inducteur Commande des interrupteurs Article_Feld/Hoang Page 7/12 Figure 10 : Formes d’ondes pour f < fo Figure 11 : Loupe sur la commutation dure à la mise en conduction D Courant dans l’inducteur ich Courant dans l’interrupteur iK Tension aux bornes de l’interrupteur vK T Courant dans l’interrupteur iK Tension aux bornes de l’interrupteur vK Puissance perdue dans l’interrupteur (10W par carreau) Article_Feld/Hoang Page 8/12 • Fréquence de commande supérieure à la fréquence de résonance : f > f0 Figure 12 : Formes d’ondes pour f > fo Figure 13 : Loupe sur la commutation dure au blocage T Courant dans l’inducteur ich Courant dans l’interrupteur iK Tension aux bornes de l’interrupteur vK Tension aux bornes de l’interrupteur vK Courant dans l’interrupteur iK D Puissance perdue dans l’interrupteur (10W par carreau) Article_Feld/Hoang Page 9/12 Pour f > f0, on observe une commutation dure au blocage du transistor. A condition que toutes les commutations soient de même nature, il est possible d’adoucir la commutation dure restante en plaçant un simple condensateur de capacité Cb en parallèle avec l’interrupteur K pour f > f0. Uo C l' Inducteur + casserole r' vk ik ich C Cb Cb Figure 14 : Schéma permettant d’adoucir les commutations au blocage des transistors Figure 15 : Loupe sur la commutation au blocage en présence du condensateur Cb = 47nF Puissance perdue dans l’interrupteur (10W par carreau) Courant dans l’interrupteur iK Tension aux bornes de l’interrupteur vK Article_Feld/Hoang Page 10/12 V. Alimentation de l’inducteur Le cahier des charges imposait que les plaques à induction puissent délivrer une puissance de 3 kW à partir d'un branchement sur une prise domestique 16 A (efficace). Il était donc nécessaire d'utiliser un étage d'entrée ayant un facteur de puissance ≥ 0,85. Il suffit pour cela de placer un dipôle en sortie du pont présentant : • Une impédance négligeable devant l’impédance du réseau aux fréquences supérieures à la fréquence de découpage. • Une impédance grande devant la résistance équivalente à l’étage d’entrée de l’onduleur pour la fréquence de 100Hz. Un condensateur de capacité Cf = 4,7µF permet de respecter les deux conditions précédentes. INTERFACE DE COMMANDE SKHI 22 Zréseau Inducteur + casserole 230 V Cf C C Figure 16 : Schéma de l’alimentation Article_Feld/Hoang Page 11/12 Figure 17 : Courant traversant l’inducteur et tension en sortie du pont Figure 18 : Courant et tension sur le réseau Tension à la sortie du pont Courant traversant l’inducteur Tension réseau Courant absorbé Article_Feld/Hoang Page 12/12 VI. Etude comparative de différentes plaques de chauffage 0 20 40 60 80 100 0 200 400 600 800 plaque à induction; Pabs = 2650 W plaque électrique; Pabs = 2000 W plaque céramique; Pabs = 1780 W ∆∆∆∆T (°C) t (s) Figure 19 : Elévation de température en fonction du temps pour différentes plaques VII. Conclusion Le remplacement d’une charge R-L par une plaque à induction dans le TP ‘’onduleur à résonance’’ a permis de donner un regain d’intérêt pour ce type d’étude sans pour cela en altérer le contenu scientifique. Ce système de faible coût, peut très facilement être utilisé des classes de terminale, BEP jusqu’au niveau agrégation.