Plaque à induction, inducteur. Noël Burais-J.Yves Gaspard.pdf

20/12/2013
Publication 3EI 3EI 2003- Journées
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2003-:5532
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Plaque à induction, inducteur. Noël Burais-J.Yves Gaspard.pdf

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Article_Burais.doc Page 1/4 Les plaques à induction : Etude de l'inducteur Noël BURAIS * - Jean Yves GASPARD ** (*) CEGELY, Ecole Centrale de Lyon, 69134 Ecully Noel.Burais@eea.ec-lyon.fr (**) MAGTECH, Centre scientifique "A. Moiroux", 64 chemin des Mouilles, 69130 Ecully mag_tech@club-internet.fr Article_Burais.doc Page 2/4 Résumé de la communication Le chauffage par induction est une technique déjà ancienne et très utilisée en électrothermie (fusion de métaux, formage et traitement de pièces,..) et également dans les industries agroalimentaires, chimiques, etc... Ses applications industrielles augmentent régulièrement en raison notamment de la possibilité d'obtenir des densités de puissance élevées et maîtrisées. L'application dans le domaine de la cuisson peut être qualifiée de plus récente puisque des plaques à induction existent depuis une quinzaine d'années sur le marché grand public. Il présente de nombreux avantages par rapport aux procédés classiques (résistance, gaz, foyer radians,..) : - Chauffage direct du récipient seul sans inertie thermique. - Puissance instantanément disponible avec un rendement élevé (min : 92 %). - Réglage précis de la puissance délivrée. - Sécurité et confort pour l'utilisateur car le support des récipients reste "froid", c'est à dire à des températures bien inférieures à celles rencontrés avec les procédés classiques. Il existe cependant une grande différence entre un système à induction utilisé en métallurgie et une plaque à induction culinaire (voir résumé et ordres de grandeurs sur le tableau 1). Le convertisseur (onduleur à résonance) faisant l'objet d'une présentation séparée [7], cet article sera consacré à l'ensemble inducteur-récipient. Electrothermie industrielle Induction culinaire Puissances 100 W - 10 MW 1.5 à 6 kW Fréquences 50 Hz - 500 kHz 20-50 kHz Températures < 1800 °C < 200 °C Utilisation 24h/24 2-3 h/jour Fabrication et coût Industrielle à "l'unité" Moyenne et grandes séries Encombrement A l'échelle des puissances ! Restreint et normalisé Pièce à chauffer (matériau, dimensions,..) Connue Inconnue Formes pièce et inducteur quelconques Plates (récipients !) Structure inducteur- condensateurs à résonance Adaptée à chaque pièce figée Refroidissement inducteur Liquide Ventilation ou aucun Tableau 1 : Quelques différences entre le chauffage par induction dans l'industrie et son application dans les domaines culinaires grand public et professionnel. En induction culinaire, l'inducteur doit répondre à nombreuses contraintes, en particulier : - Puissance importante induite dans le récipient. - Rendement électromagnétique le plus élevé. - Répartition de température la plus homogène possible dans le fond du récipient. - Impédance équivalente de l'ensemble inducteur-récipient sensiblement constante pour un bon fonctionnement de l'onduleur. - Fuites électromagnétiques minima, compatibilité avec les normes de CEM, et les normes ou recommandations d'exposition humaine aux champs électromagnétiques. Article_Burais.doc Page 3/4 - Structure simple, faible encombrement et faible coût. - Pertes minima dans l'inducteur. Et ce, quelque soit le diamètre du récipient, et les nuances d'acier ferromagnétique utilisé pour la fabrication du fond. L'obtention d'une puissance importante compatible avec les normes de CEM et le confort de l'utilisateur (fréquence > seuil audible), impose l'utilisation de récipients dont le fond doit être ferromagnétique ou équivalent. On notera que certains de ces paramètres sont contradictoires : par exemple, une puissance importante dissipée nécessite un champ magnétique élevé dans le récipient, alors que ce même champ doit être le plus faible possible au voisinage immédiat. L'étude et l'optimisation d'un tel système électromagnétique (ensemble inducteur - récipient) seront donc difficiles, et ce d'autant plus que la fabrication des plaques à induction et des récipients concernent deux domaines industriels très différents. Certes un label a été créé pour les récipients, attestant de leur compatibilité avec certaines marques de plaques à induction. Le nombre de fabricants de plaques évoluant, la compatibilité d'un récipient se limitera dans la plupart des cas à une simple indication Induction qui ne préjuge en rien des performances, c'est à dire de la puissance effectivement dissipée dans ce récipient par rapport à celle annoncée par le fabricant de plaques. L'étude peut se limiter à un calcul analytique très simplifié (mise en équations électriques, équations 1D électromagnétiques et thermiques). Cela permet d'obtenir des ordres de grandeurs, mais la complexité des phénomènes électromagnétiques (régis par les équations de Maxwell) imposent rapidement l'utilisation d'outils de modélisation électromagnétique 2D et 3D couplés à des simulations thermiques. Toutefois, compte tenu des fréquences et de la nature ferromagnétique des récipients, les courants induits dans le récipient sont focalisés dans une épaisseur de peau faible ( < 5/10èmes mm). De ce fait, la connaissance de la répartition des courants induits et de la densité de puissance correspondante donne une 1ère image proche de la répartition thermique réelle. Cela dépend évidemment de la structure du récipient et des divers matériaux utilisés pour sa fabrication. L'inducteur simple de type pancake adapté au chauffage d'un fond plat de récipient reste la configuration de départ. Mais cette structure induit une répartition de courant non homogène provocant la surchauffe d'une couronne dans le récipient. Si le récipient est de diamètre plus faible que celui de l'inducteur, les fuites électromagnétiques sont plus importantes, et l'impédance équivalente est sensiblement différente de la valeur "normale" avec un grand récipient. La 1ère conclusion simpliste qui se présente alors est qu'il "suffit" de placer les différentes spires (alimentées !) de l'inducteur aux bons emplacements et uniquement sous le récipient pour obtenir son échauffement avec une répartition homogène. Malheureusement, cette solution triviale conduit à une impédance non compatible, et les courants induits ne sont pas forcément là où intuitivement on pense qu'ils vont être créés. La conception de l'inducteur sera donc un compromis entre les différents éléments du cahier des charges tout en intégrant les notions simples précédentes. Depuis 1990, dans le cadre de deux thèses et de collaborations avec plusieurs fabricants de plaques à induction dans les domaines professionnels et grand public, les auteurs ont développé diverses structures d'inducteurs répondant plus ou moins complètement au cahier des charges. Ces études basées Article_Burais.doc Page 4/4 sur une grande complémentarité entre la modélisation et l'expérimentation, ont conduit à des inducteurs qui équipent actuellement des plaques à induction sous différentes marques : - Inducteur à isolation inter-spires variable pour une meilleure répartition thermique, avec détermination des distances interspires par optimisation automatique (algorithmes stochastiques de type génétiques) - Inducteurs concentriques à alimentation cyclique, mais de même impédance. - Inducteurs concentriques connectés en série et/ou parallèle, et/ou court-circuit. - Inducteurs multiples et voisins alimentés en parallèle et en opposition (et plus généralement en structure matricielle). Cette dernière solution bien que nécessitant une réalisation plus complexe, répond notablement mieux aux critères simultanés de répartition d'échauffement et de faibles fuites électromagnétiques. Les détails les concernant seront présentés dans l'article définitif et dans l'exposé. On s'intéressera également à l'influence sur la répartition des courants induits des divers matériaux et/ou structures (sandwichs, incrustation,..) utilisés pour les fonds de récipients. Intrinsèquement, un inducteur reste un système électromagnétique de performances moyennes en raison de l'entrefer important correspondant à l'épaisseur de la vitrocéramique équipant une plaque à induction. De ce fait, la sensibilité des performances aux différents paramètres géométriques et électromagnétiques pris séparément (bobinage(s), circuit magnétique à base de ferrite, présence éventuelle de plaque aluminium, …) n'est pas toujours spectaculaire ! C'est la maîtrise simultanée de ces différents paramètres qui permet d'obtenir des inducteurs de plus en plus performants. Le facteur coût ainsi que les normes d'exposition humaine aux champs électromagnétiques vont de plus en plus conditionner les évolutions des inducteurs dans les années à venir. Références : 1 J.Y.GASPARD, N. BURAIS, B. MAKLOUF : "Cuisson par induction : systèmes inducteurs et modèle mathématique associé", Revue Générale de l'Electricité, n° 6, p. 73-78, juin 1992 2 J.Y GASPARD : "Modélisation et réalisation de nouveaux systèmes de cuisson par induction", Thèse de Doctorat, Ecole Centrale de Lyon, 1993. 3 D. LESCHI, J.Y.GASPARD, N. BURAIS : "Inductors modelling and opimization in cooking induction heating systems", 2nd International Workshop on Electric and Magnetic Field, Leuven, Belgique, Mai 1994 4 D. LESCHI, N. BURAIS, F. THOLLON : "Optimization of Cooking Induction Heating Systems using Genetic Algorithm", 3nd International Workshop on Electric and Magnetic Field, Liège, Belgique, Mai 1996 5 D. LESCHI : "Contribution à la conception et l’optimisation de systèmes de cuisson par induction", Thèse de doctorat, Ecole Centrale de Lyon,1996. 6 N. BURAIS, S. PERTOLDI, Jean Yves GASPARD : "Couplage de modèles pour la conception d’inducteur de cuison par induction", 2th European Conference on numerical method in electromagnetism (NUMELEC’97), Lyon, Mars 97. 7 F. FOREST, D. MONTLOUP, J.Y. GASPARD : "Les sytèmes de cuisson par induction "grand public" ou l'électromagnétisme et l'Electronique dans nos cuisines", Journées 3EI'2003, Cachan, 20-21 mars.