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" FOUR ELECTRIQUE A CHAUFFAGE PAR COURANT ALTERNATIF
DE BASSE FREQUENCE "
La présente invention est relative au chauffage électrique par Induction, et permet de mettre en oeuvre ce genre de chauf- fage aveo un grand rendement à basse fréquence, par exemple à la fréquence du réseau ( laquelle est en général de 60 cycles par seconde ou moins ). L'invention n'est pas limitée à l'uti- lisation de la fréquence du réseau, et l'expression "basse fré- quenae" doit comprendre des fréquences d'environ 100 cycles par seconde et au+dessous.
Jusqu'ici, lorsqu)on demandait un rendement élevé et, en particulier, de hautes températures, on mettait en oeuvre le chauffage inductif soit en employant une fréquence élevée, soit en disposant les objets à ohauffer de façon à ce qu'ils consti- tuent le secondaire d'un transformateur ayant un noyau de fer fermé. Le prix élevé du courant dans le premier cas, et les dif- ficultés de construction dans le second, ont empêché l'usage général du ohauffage inductif dans l'industrie.
Il est naturellement connu d'utiliser à la fois de la haute et de la basse fréquence pour la fusion des métaux, mais il a été jusqu'ici difficile, en employant des creusets sans
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noyau et des appareils de chauffage analogues, de 'partir de l'état froid ou d'autres conditions de départ, étant donné le mauvais facteur de puissance de l'appareil dans ces conditions.
L'objet principal de l'invention est de prévoir un pro- cédé de chauffage par induction qui utilise des systèmes magné- tiques sans noyau, et dans lesquels, tout en employant de la basse fréquence, on obtient un facteur de puissance économique et un rendement optimum.
La présente invention est le résultat d'une série de recherches théoriques et expérimentales. Il va d'abord être don- né un exposé succint de quelques-unes des considérations théori- ques qui sont'5. la base de l'invention, en relation avec les fig. 1 à 8, du dessin annexé, dans lesquelles : la fig. 1 est un diagramme de vecteurs ; les fig. 2 et 3 sont des vues schématiques , res- pectivement en coupe axiale et en plan, d'un copra à l'intérieur duquel doivent se développer des courants de Foucault et d'une bobine d'excitation ; la fig. 4 est une courbe montrant la relation Mentre le facteur de puissance et la tangente de l'angle de dépàa-
Sage du courant de Foucault ; la fig. 5 montre schématiquement un creuset avec un enroulement pour chauffage inductif ;
la fig. 6 montre la distribution du flux magnéti- que dans la fig. 5 ; la fig. 7 montre la distribution des courants de
Foucault dans le fig. 5 ; la fig. 8 est une courbe montrant la relation entre l'épaisseur de la bobine d'excitation et le déphasage du courant de Foucault induit dans la matière de la bobine d'exci- tation elle-même, d'une part, et l'ensemble des pertes dans la bobine d'excitation, d'autre part.
Dans la figo 1, le vecteur ni représente le nombre d'au- pères-tours d'une bobine dans laquelle un conducteur à l'intérieur
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duquel vont se développer des oourants de Fouoault, va être sou- mis à 1$influence du flux magnétique développé. Le voltage à vide correspondant sera représenté par le vecteur Eo à angle droit du vecteur des ampères-tours, la grandeur de Eo étant don- née par l'expression oonnue 10- 8
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( 1 ) E0 = 4, 44. f. q. ni. u. b- , b dans laquelle f est la fréquence, q la section transversale en centimètres carrés du corps dans lequel se produisent les cou- rants de Foucault, u la perméabilité résultante, et b la longueur
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de la bobine en centimètres.
La chute de voljrage Eo est une chu- te imaginaire qui se produirait si ledit corps composé d'une masse feuilletée comme un noyau de transformateur, ou sa conduc- tivité, était nuls ; dans les deux cas, la chute de voltage à travers la bobine amènerait le courant ni à 90 , comme montré sur la fig. 1. Le vecteur Js du courant induit dans ledit corps est déplacé par rapport au vecteur ni du courant primaire d'un certain angle 180 - a et est dirigé presque en sens inverse du vecteur du oourant primaire.
Dans ledit corps, à l'intérieur du- quel se développent les courants de Foucault, existe une chute de voltage Eo1,égale en grandeur, mais opposée en phase, au voltage à vide Eo, le vecteur Eo1 étant la résultante d'une chute de voltage inductive et d'une chute chmique représentées respectivement par les vecteurs Es et e , à angle droit l'un avec l'autre. Le vecteur Es de chute de voltage induotif est à angle droit avec le vecteur Js et a pour grandeur
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( 2 ) Es ICI Le Wv Je , L étant l'inductance et w étant égal à 2 f , tandis que la chu- te de voltage ohmique e agissant dans la direction du vecteur Js a la grandeur ( 3 ) e = ro.Js ro étant la résistance ohmique du corps dans lequel se dévelop- pent les courants de Foucault.
Bu diagramme vectoriel peut se déduire directement la relation entre les diverses quantités connues et inconnues. C'est ainsi que
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( 4 ) e = ro. Js = Eo1. sin a et ( 5 ) Js = ni cos a , de telle façon que le déphasage du courant de Foucault peut se
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déduire de l'équation Je r. r.
(6) tang a = ##### - --- je*Low L,w La résistance ohmique du corps dans lequel se développent les courants de Foucault, ro , peut se représenter sous forme de quantité vectrielle à partir de la relaticn ( 7 ) ro. ni. Cos a = Eo1. sin a
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Ea , t ang a 1 8 ) ro = - --- ------ ni -
L'équation (8) montre que le déphasage du courant de Fou- cault varie avec la résistance ro dudit corps. Ce corps aurait une telle résistance ohmique si, dans les conditions à vide ( sin a = 1 ) un courant de Foucault Js pouvait naître, c'est- à-dire que cedit courant atteint sa valeur maximum dans le cas imaginaire de l'état à vide, où e = Eo.
D'après ce qui a été dit, on voit que l'angle de déphasage critique du courant induit cu de Foucault peut être déterminé exactement pourvu que l'on donne la grandeur du vecteur ro de résistance à vide. Dans le cas imaginaire de l'état à vide, il est correct de supposer que, à l'intérieur du corps dans lequel se développent les courants de Fouoault, existe une distribution de champ 'Uniforme, de sorte que, dans les fig. 2 et 3, le voltage ex dans un corps solide cylindrique 1 de rayon R ( entouré par une bobine 2); à une dis- tance x centimètres du milieu autour d'une anneau d'épaisseur dx a la valeur
2 ( 9 ) ex = E. (-&-)
R E étant le voltage sur le bord extérieur.
Si le petit tube dx a une résistance ohmique définie rx circongérentiellement, les con- diticns ne sont plus strictement celles de l'état à vide, mais l'équation (9) est encore approximativement valable ; l'énergie
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développée dans le tube sera alors ( 10 ) dW = 21t watts r
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En outre, la résistance ohmique du tube élémentaire peut être
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représentée par il ) 27cx.s ooms b,àx,104 s.10-4 étant en ohms par centimètres cubes, la résistance spéci- fique de la matière constituant le corps dans lequel se dévelop- pent les courants de Fouoaul. En remplaçant la valeur de rx ti- rée de l'équation (11) dans l'équation (10) et intégrant,
on ob- tient l'énergie en watts ( la ) W = E2.b.104
8. s pour le cylindre de telle façon que la grandeur cherchée du vec- teur de résistance imaginaire à vide est
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( 13 ) ro 8 1t. s ohms. 10 ob
En supposant par exemple avoir affaire à un cylindre d'acier fondu de 40 centimètres de long, de résistance spécifi- que s = 1,6 à 1.6000, la résistance vectorielle à vide ro sera égale à 10-4 ohms.
De même,si l'on suppose une coupe d'un tube perpendiculaire à l'axe de rayons interne et externe r et R, res- pectivement, on peut montrer par une analyse mathématique sembla- ble que le vecteur de résistance imaginaire à vide
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( 14) ro 8 Ir g3 -- 1 --- ohms* 104. b l - (;) Selon cette dernière expression, la valeur cherchée ro pour un tube de fer de 150 centimètres de long, d'épaisseur 1,2 centimè- tre, avec des rayons r et 6,2 centimètres, ayant une résistance spécifique s = 0,12, est donnée par (1 ro = 3,5. 10 6 ohms.
De même, à partir des équations déjà données, la valeur de tang a peut âpre trouvée pour la section transversale particulière vou- lue du corps dans lequel se développent les courant de Foucault,
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étant donné que L est oonnuqpar les équations (1), (6) et (8) , U. 10 - ¯8 pour être donné par 2 7t b pour un cylindre de rayon R, en conséquence, on obtient ., 8s ss ' ia ( 15 ) tang a = ##.-.-.##. f.uoR2
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Pour un tube de rayons externe et interne R et r, respectivement,
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on obtient l, 8. s.104 1 obtient 16 ) tagn 1:::- . -r--:rr:
ë-Ë-ja') 16 ) tagn -------t 16 ) "" ' -- f.u.Ra \1 - (-ii) ll R Pour un corps de section transversale rectangulaire v.c centimè- tres et de longeur b centimètres, avec v.b.c = V centimètres cu-
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boa, on a 16, a 2 02 bea, (17 ) ijll . .¯.¯¯¯¯.,..
(17 ) -10 306.6.104 v--- 1, 2- (17 ) 10 ¯30 j* jl¯- . io4 ---jgµë v e# et 18 ) tang a #####- . ####¯#.
18 f.u * v2<cS L'angle critique de déphasage dépend en conséquence de la réais- tance spécifique à une température donnée, de la perméabilité pour des ampères-tours donnée, de la fréquanoe et ded dimensions critiques du corps dans lequel se développent les courants de Fouoault. Les dimensions voulues pour cedit corps peuvent donc être déterminées pour toute valeur poptimum cherchée du déphasa- ge nécessité pour la production de la chaleur dans un corps à l'intérieur duquel naissent des courants de Foucault.
Dans ? fig. 1, l'énergie en watts W qui se développe dans cedit corps est donnée par le produit de ( 19) e = Eo1. sin a et d'un courant induit ou de Fouoault ( 20 ) Js = ni. cos a
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de telle sorte que 1 tang a ( 21 ) W = Ea . ni. -¯¯¯¯¯¯¯¯ 2¯¯¯ 1 + tang a tang a Eo .ni étant la charge réactive et l'expression tang a 1 + tang2a étant le facteur de puissance dont la valeur maximum est égale à la moitié et se produit lorsque tang a = 1, de sorte que le veo- teur de résistance à vide ro = L.w et que la résistance ohmique est par conséquent égale à la résistance induotive. L'angle de déphasage entre le courant induit et (le courant dans la bobine est donné par tang a = 1, et par conséquent le faoteur de puis- sance cos a = 0,7.
La puissance maximum avec les ampères-tours relativement minima est donc obtenue par de telles dimensions du corps dans lequel se développent les courants de Foulault, qui
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sont représentées fig. 4 par la partie pointue de la courbe fac- teur de puissanoe-tang a.
Selon l'invention, il est donc prévu un procédé de trai- tement par chauffage inductif à basse fréquence, utilisant un
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S3rrt/ s t: rn {!..f.c système électromagnétique sans noyau dans lequel se eve oppe le courant induite e com p réat un corps dans lequel se développent les- dits courants induits et des moyens d'excitation pour engendrer lesdits courants induits dans ledit corps, celui-ci étant consti-
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tué par un creusetspfun revêtement de celui-ci, par la charge Qui doit être chauffée, par un organe séparé ou par une combinai- son de ceux-ci, où au moins 20 % du volume total dudit corps est un objet de telle nature et de telles dimensions dans des plans à angles droits avec les lignes de force, que par rapport à la fréquence ducourant dans lesdits moyens d'excitation, l'expres-
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sion #.#r<.=#.-.#.-.#.- a,
dans les conditions de départ, une valeur
1 + bang a égale ou supérieure à 0, 25, 180 - a étant l'angle de déphasage entre le courant dans les moyens d'excitation et le courant in- duit dans le corps susdit.
Lorsqu'il existe un non-conducteur entre ledit corps et
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la bobine, le ohamp à vide existe aussi dans le non-conducteur et le voltage réactif qui natt ainsi s'ajoute géométriquement au
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voltage &66'ciÊ ci: . ,,,,,..(.I4-e.r augmente le voltage voulu par tour de la bobine. On a trouvé que pour un travail. efficace l'épais- seur du non-conducteur doit être choisie de façon que, eu égard )au facteur de puissance du corps dans lequel naissent les cou-
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rants induits,, le facteur de puisaanoeYé4ykÀnt(cos a ) du four a une valeur égale ou supérieure à 0,2.
En travail normal, comme pendant le chauffage d'objets froids, ce facteur de puissance rMMjt- tant sera de préférence maintenu entre 0,5 et 0,2, Il a également été trouvé possible, en travaillant avec la fréquence du réseau, d'utiliser des voltages compris entre 8 et 60 volts par tour de la bobine même avec les plus grandes dimensions d'appareil.
Le corps dans lequel naissent les courants induits peut
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être constitué par un conducteur ou un semi-conducteur spéciale-
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ment prévu pour ce but, par le revêtement du creuset dans lequel on met la matière ou le corps à, traiter, par la matière ou le corps à traiter lui-même ou par une combinaison de deux ou plu- sieurs de ces dispositifs. Le corps dans lequel naissent les cou- induits peut être solide ou liquide. Ce corps est de pré- férence constitué par un tube formant le revêtement du creuset ou disposé immédiatement à l'extérieur de celui-ci, de sorte que le corps en traitement est chauffé en partie par radiation, en partie par conduction.
Quand le corps dans lequel naissent les curants induits est constitué par le contenu du creuset, il a été trouvé que les conditions les plus favorables sont réalisées lorsque plus de 20 % du volurue du contenu du creuset consistent en matériaux capables d'agir comme corps dans lequel naîtront les courants induits, et ont des dimensions dans les limites spé- cifiees. Ledit corps peut également, dans certains cas, revêtir d'autres formes., et peut être disposé au-dessus, au-dessous ou à l'extérieur d'autres parties conductrioes ayant d'autres dimen- siens, pour être soumis au traitement par la chaleur. Ce corps peut être en métal approprié, oxydes métalliques ou composés mé- talliques, semi-conducteurs, éléments ou composés amphotères, ou leurs combinaisons.
Par exemple un revêtement de creuset conduc- teur en carbure de silicium absorbera une grande quantité de cha- leur et il est ainsi possible de soumettre des objets métalliques de petites dimensions à un-traitement de chauffage et de fusion avec le meilleur facteur de puissance. Des éléments conducteurs, comme le graphite, le soufre ét autres semi-conducteurs et leurs composés, conviennent également dans beaucoup de cas pour consti- tuer ledit corps.
De tels corps auxiliaires agissant comme corps dans lesquels doivent naître les courants induits peuvent être protégés à l'extérieur par des isolants thermiques contre les pertes de chaleur, et d'autre part à l'intérieur contre les réac- tions chimiques nuisibles, avec les matériaux en-,traitement, au moyen de revêtement! chimiquement neutres, ou au contraire par des revêtements capables de réagir d'une façon convenable, si l'on veut produire des réactions.
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Un creuset, ou son revêtement, peut être fait d'un maté- riau non-conducteur contenant une matière, telle que du graphite, par exemple, qui le rend conducteur. Dans certains cas, on peut disposer les choses de façon que le matériau conducteur soit par- tiellement ou totalement enlevé au cours du chauffage du creu- set.
On peut par exemple s'arranger pour qu'une combinaison chi- mique ait lieu entre le matériau du creuset ou du revêtement, et le matériau conducteur, et cette action chimique peut rendre non- conductrice la partie intérieure du creuset ou du revêtement, tan- dis que la partie extérieure reste conductrice.
Etant donné que l'effet de chauffage maximum doit être pro- duit dans le corps où naissent les courants induits, il est clai- rement souhaitable que la perte d'énergie provenant du chauffage 'du matériau conducteur de la bobine soit aussi diminuée que pos- sible. La présente invention est également relative à ce problème et ci-après est exposée une analyse montrant comment les pertes dans la bobine peuvent être maintenues faibles,cette analyse étant un exemple particulier de la théorie générale déjà exposée.
Il rentre cependant aussi dans le oadre de l'invention de rendre élevées les pertes de la bobiner et on s'arrange alors pour que la chaleur engendrée dans la bobine participe au chauf- fage de la charge.
A cet effet, selon une des caractéristiques de l'invention, les moyens d'excitation sont disposés de façon que la plus grande part de la ohaleur engendrée en eux soit transférée au matériau qui doit être chauffé, et sont faits de telles nature et dimen- nions, que la tangente de l'angle de déphasage du courant induit en eux ait une valeur égale ou inférieure à 4. Dans de telles dispositions, la bobine elle-même constitue tout ou partie du corps dans lequel naissent les courants induits.
Sur la fig. 5 est représenté sohématiquement un creuset 3 en matériau non-Conducteur entouré d'une bobine 2. Le corps dans lequel naissent les courants induits ou de Fouoault est supposé
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constitué par la matière,ou le corps,qui doit être traitée, la- quelle est placée dans le creuset.
Comme on le voit sur la fig. 6, le flux dans la matière conductrice de la bobine 2, fig. 5, s'élève d'un peu au-dessous de zéro à la périphérie jusque un maximum sur le bord intérieur comme représenté entre les points 4 et 5. Dans les parois non- conductrices, c'est-à-dire entre les points 5 et 6, le champ a une valeur constante, tandis que dans la charge conductrice (en- tre les points 6 et 7), il a une forme approximativement para- bolique. Comme représenté fig. 7, le courant Js dans le corps à l'intérieur duquel naissent les courants induits est maximum à l'extérieur et nul au centre.
Etant donné que le champ de dis- persion de la bobine, représenté par la ligne inclinée 4,5 a une valeur moyenne qui est à peu près égale à la moitié de celle du champ magnétique qui, d'après la théorie, est supposé se dévelop- per à l'intérieur d'une bobine, l'inductance à cet endroit sera la moitié de ce qu'elle était précédemment, et l'angle de dépha- sage sp entre les courants d'excitation et induit dans la bobine
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sera donné très approximativement par ri ( 22 ) tang ap ----- won Wu il ro étant le vecteur connu de résistance à vide, et --- , l' im- 2 pédance inductive. Ce cas peut être déduit de l'équation (18) en supposant que le conducteur n'est qu'une simple boucle portant un courant ni, ayant une longueur égale à la circonférence.
Etant donné le fait que les lignes de force sont perpendiculaires à la circonférence, on concevra que la longueur circonférentielle et la largetir de la bobine correspondent à c et v dans l'équation ( 18 ), et la longueur b, fig. 5, à b dans l'équation ( 18 ). On
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alors 3, 6010 .
( 23 ) tang ap = 2 tang a = 2, --------- -- F*UOVZ étant donné que v est beaucoyp plus petit que c. A cause ds la réduction de l'intensité du champ à la moitié de sa précédente
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valeur, la voltage à vide de la bobine est égal à 4,44:.f.u.Q.ni ( 24 ) Eo = # , ---------------- 2 b.108
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et 1'énergie en watts 1 ni 2 tang sp .. 8 25 ) -- . 4, 440f,u.Q. (##) ) ---------g-- .10 25) 3 4J44of.u.. b 1 + tang sp En outre, la perte en watts par centimètre cube (q.b) est donnée par
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( a6 ) -"-'= S..33.u.f (¯1) io"8. 2 tang a t,b b l + 4 ta.ng 2 D'autre part, la. parla totale ohmique Wo est (27 ) Wo = J2. r - ( ni )2. r J étant le courant induit et r la résistance ohmique de la bobi-
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ne.
La rapport des deux pertes par centimètre cube donne ce qu'on appelle le "facteur de peau" ou "skin facto<" sk -1 e-- I? - - d';où l'on tir parte totale l + 4 tang a d'eu 1*on tire la perte totale tang ( 28 ) Wa " J8 r ( 1 + ek ) = j3.r ( 1 + -16----) 1 + 4 tangua
Si par exemple une bobine de cuivre ( s = 0,02, u = 1,78) a une épaisseur v = 2 centimètres, à 50 cycles par seconde, tang a sera trouvée, à partir de Inéquation (23) , égale à 2 et le facteur de peau sk sera 0,95. Cela veut dire que si la perte ohmi- que était par exemple de 25 kilowatts, la perte effective mesurée serait de 1,93 . 25 ou 48 kilowatts.
Il faut signala que u a pour valeur 1,78 dans l'air, en tenant compte du fait qu'avec un courant alternatif, i a une va- leur qui est la valeur maximum du courant divisée pac 2.
En observant que la bobine n'est pas, comme supposé, une simple boucle portant un courant ni, mais une bobine de n tours portant un courant i, le chiffre ci-dessus doit être multiplié par un facteur de volume, compris généralement entre 0,7 et 0,9.
La perte purement ohmique peut être diminuée en emplo- yant des bobines plus épaisses, mais la perte de courant induit est alors plus grande pour un nombre donné d'ampères-tours et une longueur donnée d'enroulement* La fig. 5 montre une courbe de perte totale #R pour différences épaisseurs de bobine, et la l'angle de/ 1 courbe pour la tangente de/déphasage à 50 cycles par seconde. un minimum de perte est obtenu en un point pour lequel tang sp = 8, et les valeurs pratiques optima de perte sont obtenues dans la
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partie concave de la courbe de perte, là où tang sp est plus grands que 4.
Pour des sections transversales diminuées par des tubos refroidissants, les pertes par centimètre cube peuvent être calculées d'une manière correspondante.
Si, d'autre part, tang sp est égale ou supérieure à 4, on obtient des valeurs de #R qui se trouvent situées sur la pointe da lacourbe en traita pleine de la fig. 8, et les :-:pertes élevées dans la bobine engendrent de grandes quantités de cha- leur. Si tang ap est supérieure à 4, on dispose les choses pour que la chaleur engendrée soit transférée au matériau qui doit 3tre chauffé. Das exemples de tels dispositifs sont décrits ci- après.
L'angle de déphasage interne choisi entre le courant d'ex- citation et le courant induit a aussi une influence importante sur les forces électro-dynamiques engendrées dans un corps fluide à l'intérieur duquel naîtront des doutants induits, et c'est un autre objet da l'invention de disposer les choses pour que ces forces aient une telle grandeur, dans le sens centripète, qu'il se produise un frottement aussi réduit que possible entre la pa- roi du creuset ou du revêtement et le matériau fondu, d'où une réduction de l'usure dudit revêtement et une économie de travail dans les opérations à basse fréquence, et si possible aveo la formation d'une couche de scorie entre les deux.
Dans le dispositif représenté fig. 5, on suppose que la bobine comporte ni ampères-tours et que le corps dans lequel nai;,- trony les courants de Foucault est un liquide contenu dans le creuset 3. Comme montré fig. 6, le champ magnétique #m dans le fluide a une forme parabolique et, comme montré fig. 7, le cou- rant induit Js ainsi engendré décroît d'un maximum à l'extérieur juscu'à zéro au milieu. Par conséquent, le courant induit a une valeur moyenne Jm qui est la moitié de la valeur sur le bord ex- ni. cos a térieur, soit Jm = ni. cos a/@ ampères et le flux est - a m 10. 2 étant la valeur maximum du flux.
Dans l'espace à l'intérieur du creuset, fig. 5, on a figuré les directions du flux, du cou-
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rant et de la force. On comprendra que ces trois directions ne peuvent pas être représentées dans un plan, car elles sont mu- tuellement perpendiculaires l'une à l'autre. Le flux #m qui agit dans une direct.ion verticale produit avec le courant Js agissant dans la direction périphérique, suivant la règle des trois doigts, , une force centripete P tendant à. écarter le fluide des parois du creuset, et dont la force est
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( 29 ) P = Jm . rn . 2;R.tr dynesy Yr 4-n-ni si la bobine a un rayon R.
Le (lux m ----------- et en portant bobine xayon 10. b portant la valeur de Jm, on ni. a cos sin 4 'Ifni ( 30 ) P = ####..-.#-.#.- . 2Rlt ----- 010-6 kilogram- 2o 10 10ob mes, et la force centripète p en kilogrammes par centimètre car- ré est donnée par tang / ni,2 tang a ( 61 ) p . - - --- Aïtf#".. -- ÎÎÉ"" o 10 31 ) p = ------ '1..,..¯J , 2 10- 3 R"1t b b 1 + tang a Dans ces formules, on trouve de nouveau le facteur de puissance ( dont la valeur maximum est 1/2 ) comme expression pour l'in- fluence du déphasage.
Si par exemple on suppose un four à induc- tion de 200.000 ampères-tours ( par exemple 2.000 ampères et 100 tours ) , ayant une longueur de 100 centimètres;, la force élec- tro-dynamique par centimètre carré avec facteur de puissance ma- ximum est donnée par p + p = 0, 12 kilogrammes par centimètre carré.
Si le facteur de puissance a la valeur minimum selon la présente invention, soit 0, 25, on trouverait une valeur de 0,06 kilo- gramme par centimètre carré, On a généralement trouvé au moyen de calculs et d'éxpériences que, pour le travail à basse fréquence, p devait être égal à ou plus grand que 0,05 kilogrammes par cen- timètre carré.
Le champ magnétique peut être engendré par un courant monm- ou polyphasé. Avec du oourant pàlyphasé, il est important détenir une charge primaire pratiquement uniforme. Selon une des caractéristiques de la présente invention, on utilise, dans le travail avec du'courant polyphasé, deux ou plusieurs bobines
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d'excitation disposées concentriquement, enroulées l'une par- dessus l'autre de façon qu'un champ monophasé combiné soit forme lorsque chaque bobine est alimentée avec une phase différente.
La même combinaison de champ a lieu si deux ou plusieurs bobines sont disposées avec leurs tours contrariés l'un par rapport à l'autre. Dans le premier cas, afin de maintenirlesinductancesuni- formes, il faut s'arranger pour qu'une des phases présente un croisement au moins en uh point. Des capacités et/ou des induo- tances pàuvent âtre employées afin de donner une charge primaire pratiquement uniforme, et la compensation du facteur de charge peut être combinée avec la compensation d'équilibrage ou peut être effectuée par les mêmes éléments. Avec un dispositif di- phasé, en conséquence du fait qu'aveo des conditions de charge données une phase porte principalement la charge réactive et l'autre principalement la charge active, une compensation secon- daire peut être réalisée seulement dans une phase.
Des oondensa- teurs ( qui peuvent être des condensateurs électrolytiques pour le travail en courant alternatif ) prévus pour la compensation peuvent avoir un voltage de travail compris entre 500 et 1.000 volts, et il est désirable qu'ils soient connectés dans le cir- cuit secondaire, en supposant que le voltage par tour de la bo- bine est convenablement cloisi.
Si l'on veut travailler avec une seule phase d'une ins- tallation polyphasée, des moyens sont de préférence prévus pour corriger le déphasage entre les phases utilisées et celles non utilisées et équilibrer la charge primaire. Cela peut être fait avec des réactances convenables sur le côté primaire ou seoon- daire, ou sur les deux côtés, du transformateur d'alimentation.
Dans quelques cas, on peut faire un compromis et employer des réactances fixes, mais il vaut mieux employer un système de ré- actances contrôlé automatiquement. Un dispositif connu convenant à ce but comporte par exemple un certain nombre de conden4ateurs mis automatiquement en circuit et hors circuit. Lorsqu'un oon- densateur associé à une phase est mis en circuit, un oondensa-
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tour correspondant associé avec une autre phase est mis hors circuit.
Certains appareils et circuits auxquels la présente invention est applicable sont montrés schématiquement sur les figures 9 à 13, dans lesquelles la fige 9 montre l'agencement du circuit pour tra- vailler sur un réseau triphasé ; la fige 10 montre une ohaudière à tubes de feu em- ployant des conducteurs d'exaitation reotilignes ; la fige 11 montre comment le traitement thermique peut être mis en oeuvre selon la présente invention ; les fig. 12 et 13 montrent les meilleures formes de fours à induction et leurs connections à un réseau triphasé.
Comme montré fig. 9, un creuset 3 en matière isolante a un revêtement 8 conducteur ou semi-donduoteur agissant comme corps dans lequel se développent les courants induits. L'excita- tion est réalisée par deux bobines 9 et 10 dont les tours sont sontrariés. L'alimentation en courant se fait par un réseau polyphasé M de 10000 volts et un autotransformateur du type Scott est disposé pour donner du courant diphasé à 866 volts de la fa- çon connue, tandis que la compensation du facteur de puissance aussi bien que l'équilibrage de la charge primaire sont réalisés par des circuits comprenant des condensateurs et des résistances, comme représenté.
Le rapport déjà donné entre la chaleur engendrée par le courant enduit et la grandeur du déphasage de celui--ci ou, ce qui est équivalent, les dimensions du corps dans lequel se déve- loppent les courants induits, est applicable non seulement aux bobines enroulées autour dudit corps, mais aussi aux conducteurs rectilignes qui peuvent par exemple être disposés à l'intérieur dudit coupe. La fig. 10 représente la construction d'une chaudiè- re à tubes de feu chauffée électriquement, dont les tubes à feu
12 constituent le corps dans lequel doivent naître les courants induits, tandis qu'à l'intérieur de ces tubes sont prévus des
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conducteurs 13 reposant sur des isolateurs 14. Ces conducteurs 13 peuvent être sous forme de tubes ou de fils.
Des groupes in- dividuels de tubes chauffeurs peuvent être connectés électrique- ment selon le nombre des phases et le voltage disponible du ré- seau, et alimentés par le réseau soit directement, soit par l'in- termédiaire de transformateurs.
Dans d'autres cas, comme représenté par exemple sur la fig. 11, les objets qui doivent subir le traitement thermique peuvent être soumis à une aimantation, de sorte que, la chaleur nécessaire pour la trempe ou pour le recuit en vue d'un traite- ment ultérieur, comme le laminage, sera développée par les cou- rants induits engendrés à l'intérieur des objets. Sur la fig. 11 on voit un conducteur 15 enroulé autour d'un arbre et d'un mane- ton qui doivent être chauffés. Si les dimensions de la partie à chauffer ne sont pas convenables, on peut augmenter artificielle- ment ces dimensions de façon à. obtenir la grandeur optima. Cela est représenté dans le cas du maneton ; il est garni d'un man- chon 16.
Ce manchon peut être fendu parallèlement à son ae, de façon à permettre sa mise en place, et il est prévu pour que les bords de la fente se touchent.
Un corps dans lequel doivent naître les courants in- duits présentant la forme liquide, peut aussi dans certains cas être utilisé pour chauffer certains objets. Un exemple de cela. est représenté fig. 12, dans laquelle un tel corps liquide 17 est prévu dans l'espace annulaire entre une paroi extérieure iso- lante 18 et la paroi 19 du creuset 3 contenant la matière à chauf- fer. Avec cette disposition, on peut atteindre de très hautes températures, particulièrement si le creuset est fait en matière à point de fusion élevé, réfractaire comme l'oxyde de zirconium ou de glucinium, ou en d'autres composés.
De même que le corps dans lequel naissent les courants induits, ou une partie de celui-ci, peut être fait en toute ma- tière métallique ou non, conductrice ou semi-conductruie, les bo- bines et conducteurs pourront donner des résultats exceptionnel-
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lement bons en les constituants aussi dans certains cas en élé- ments semi-conducteurs et ampotères, o leurs composés.
Du point de vue constructif, il est souvent désirable que les champs magnétiques induits sciant engendrés au moins par- tiellement dans des parties en fer fermées afin déviter les ef- fets nuisibles sur d'autres parties de matières magnétiques en- trant dans la construction. Avec des creusets sans noyau, cela. est aisément réalisé par l'emploi d'anneaux disposés radialement ou de masses feuilletées, ou avec des matériaux en feuilles dis- posés axialement autour du creuset. Ces manchons de fer doivent être prévus pour faire saillie au-delà de la bobine d'environ un quart du diamètre de celle-'ci.
La fig. 13 représente un exemple d'une telle construc- tion appliqué 4 un four à basse fréquence fermé pour la fusion
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"j et 1'&ffinage des métaux.
On voit un creuset 3 ayant un revêtement 8 dans lequel naîtront les courants induits, et un enroulement d'excitation 2.
A l'extérieur de celui-ci sont disposés une série de masses feuilletées en fer 20 disposées radialement et offrant une faible réluctance au flux magnétique de retour. A l'extérieur de celles- oi se trouve une enveloppe de transformateur 21, en fer. Le creu- set a un,:couvercle 22 fermé au moyen d'une garniture à segments 23. Un registre de coulée 24 a son organe de travail 25 manoeu- vrable à travers une garniture à segments 26, ou autre garniture convenable. Un moule pour lingot 27 est également entouré par une enveloppe 28 derme par une autre garniture à segments 29 ou analogue. La vidange et,si l'on veut,le remplissage avec des gaz réagissants ou neutres peuvent se faire par des conduits 30 et 31, le premier aboutissant au creuset et l'autre au moule.
Il n'est pas essentiel que le conducteur présente la forme d'une bobine : des conducteurs rectilignes peuvent être employés si l'on veut, le matériau qui doit être chauffé étant placé soit à l'intérieur, soit à l'extérieur du oonduoteur.
On comprendra que la nature du corps conducteur ou
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semi-conducteur employé dans les moyens d'excitation sera détermi- née d'après la température à laquelle il doit travailler. Pour fondre desalliages de fer et d'acier, et des métaux précieux, des corps capables de résister aux températures élevées nécessai- res serrent choisis.
Il est à remarquer qu'un appareil de chauffage inductif à basse fréquence est habituellement prévu pour constituer une charge monophasée d'importance considérable, et il est parfois nuisible de prendre la puissance pour un tel appareil sur une seule phase d'une source polyphasée.
Selon la présente invention, si l'on a affaire à un dis- positif comprenant un appareil de chauffage inductif à basse fré- quence ayant un enroulement d'excitation prévu pour travailler à partir d'une source polyphasée de courant alternatif comme charge monophasée, on associe électriquement audit enroulement des ré- actances d'équilibrage de telles dimensions et dispositions, que la charge est répartie sur plusieurs phases de la source. Il est avantageux que les réactances d'équilibrage soient dimensionnées et disposées de telle façon que des impédances égales soient pré- sentées à toutes les phases de la source.
Selon une des caractéristiques de l'invention, un appa- reil de chauffage inductif à basse fréquence est disposé pour travailler sur une source polyphasée de courant alternatif comme charge de simple phase, et on prévoit, associés électriquement audit enroulement, pour augmenter le fac- teur de puissance effectif dudit appareil, et des réactances d'é- quilibrage de telles dimensions et dispositions que des impédan- cas égales soient présentées à toutes les phases de la source.
Les réactances d'équilibrage peuvent être partiellement inductives et partiellement capacitives, auquel cas la partie inductive peut être constituée par tout ouartie de l'enroule- ment d'un transformateur ou d'un auto-transformateur, ou par une bobine d'équilibrage séparée. Les grandeurs de ces réactandea sont de préférences réglables pour compenser les variations de
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charge, et si l'on prévoit des moyens de régler le facteur de puissance, ceux-ci peuvent aussi être réglables pour pouvoir com- penser les variation de l'angle de phase de la charge.
Si l'on prévoit, comme il est habituel, un transforma- teur ou un auto-transformateur pour coupler l'enroulement d'ex- citation à la source de courant, on peut disposer les réactances de correction d'équilibrage et/ou du facteur de puissance soit sur le primaire, soit sur le secondaire du transformateur, ou bien on peut les disposer partiellement sur le primaire et par- tiellement sur le secondaire.
Ctte partie de l'invention sera bien comprise à l'aide de l'exposé ci-après et en se référant aux figures suivantes, qui ne sont que des acharnas données à titre d'exemple : la fig. 14 représente un circuit disposé selon l'invention; la fig. 15 est un équivalent simplifié du circuit représenté fig. 14 ; las fig. 16 et 17 sont des diagrammes vectoriels auxquels on se référrera en expliquant le dispositif représenté sur les fig. 14 et 15 ; les fig. 18 et 19 sont des circuits d'autres dis- positifs établis selon la présente invention.
Il est entendu que les parties correspondantes dans les différentes figures reçoivent les mêmes chiffres de référence.
Comme montré fig, 14, les trois conducteurs 1, 2 et 3 d'un réseau triphasé sont connectés comme représenté aux enrou- lements primaires en étoile 4,5 et 6 d'un transformateur tripha- sé. La bobine de chauffage 10 d'un four à induction à basse fré- quence est conneotée à travers le secondaire 8,9 du transforma- teur et une extrémité d'un secondaire 7 est connecté à, l'extrémi- té inférieure de la bobine 10.
L'autre extrémité de l'enroulement 7 est connectée à l'extrémité supérieure de la bobine 10 à travers un condensateur d'équilibrage 11, et un condensateur 12 de cor- rection du facteur de puissance est shunté à travers la bobine 10,
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la valeur du condensateur 12 étant choisie d'une façon qui sera exposée plue loin; en général, ce condensateur a. une valeur tel- le que le facteur de puissance effectif du four est maintenu à la valeur d'environ 0, 8 pour toutes les charges, par exemple.
Il sera bon de supposer, pour l'instant, que le four re- présente une charge de grandeur et de facteur de puissance cons- tants ; en pratique, la grandeur de la charge et le facteur de puissance changent tous deux pendant le chauffage du creuset, et les moyens de compenser ces changements seont exposés plus loin.
Dans la fig. lE, représentant le circuit équivalent, la charge effective sur le réseau est représentée par une impédance 13, connectée entre lea phases 2 et 3 du réseau ; la bobine 14 correspond à l'enroulement secondaire 7 de la fig. 14, et le condensateur 15 représente le condensateur d'équilibrage 11.
Afin de compléter les conditions d'équilibrage de char- ge, il est nécessaire de s'assurer que les impédances placées sur les différentes phases du réseau sont égales en grandeur, au- quel cas des courants égaux circulent entre chaque paire de con- ducteurs du réseau. Les différences de potentiel entre les diffé- rents conducteurs du réseau sont montrées sur la fig. 16, dans laquelle le vecteur 1-3 représente la différence de potentiel entre les conducteurs 1 et 3, et les vecteurs 2-3 et 1-2 repré- sentent les différences de potentiel entre lee conducteurs 2 et 3, et 1 et 2, respectivement.
Le courant de charge dans l'impédance 13, fig. 15, est déphasé à partir de la différence de potentiel représentée par le vecteur 2-3, étant donné que le faoteur de puissance de la charge est inférieur à un. Le courant de charge est représenté sur la fig. 17, à laquelle on se réfère maintenant, par le vec- toue CE, le vecteur OD étant parallèle au vecteur 1-2 et l'angle EOD étant l'angle de phase du courant de charge. Afin que le dis- positif soit symétrique, de façon que la charge soit équilibrée sur le réseau, il faut que les courants circulant du réseau dans la maille 13, 14, 15 puissent être représentés par des vecteurs formant les côtés d'un triangle équilatéral, et la manière dont
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cette condition est remplie est représentée sur la fige 17.
Une partie du courant dans la branche UV de la fige 15 passe à travers le condensateur 15 vers le point S du conducteur 1, et ce courant, représenté sur la fig. 17 par le vecteur OF , est en quadrature avec le vecteur 1-3 de la fig. 16 à cause du déphasage introduit par le condensateur 15. Le courant dans le branche UV est en conséquence représenté par le vecteur EF, le- quel est la résultante de CV et de OF. De même, le courant dans la branche QR, fig. 2, comprend le courant dans l'inductance 14 ; ce dernier courant est en quadrature avec le vecteur 1-2, et est représenté sur la fig. 17 par le vecteur OG. Le vecteur résul- tant EG des vecteurs OE et OG représente le courant circulant dans la branohe QR.
Le oourant dans la branche ST, fig. 15, est composé des courants dans l'inductance 14 et le condensateur 15, et est représenté sur la fige 17 par le vecteur FG.
Les courants fournis par le réseau dans le dispositif représenté fig. 15 sont donc représentés par les vecteurs EF, EG et FG sur la fig. 17, et comme il a déjà été exposé, la condition d'équilibrage de charge est celle dans laquelle ces trois vec- tours forment les côtés d'un triangle équilatéral. Etant assuré que le courant de charge est constant, la longueur et la direc- tion du vecteur OE ne peuvent être changées, et l'équilibrage est complété en choisissant les valeurs de l'inductance 14 et du condensateur 15 de telle façon que le triangle équilatéral de vec- teurs soit formé.
Dans l'arrangement pratique de la fige 14, dans lequel l'enroulement7 du transformateur correspond à l'inductan- ce 14 de la fige 15, l'enroulement 7 est de préférence prévu avec des plots pour petmettre à l'inductance effeotive d'être réglée.
On comprendra clairement, d'après la fig. 17, que l'é- quilibrage de charge au moyen d'inductance et de capacité est au mieux réalisé lorsque le facteur de puissance de la charge est élevé et que l'angle ECD est par conséquent petit. Plus le facteur de puissance est élevé, plus est petite la capacité nécessaire d'équilibrage, et on a trouvé qu'avec des charges de faibles fac- tours de puissance, il est bon de prévoir un condensateur correc-
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teur de facteur de puissance, tel que 12 fig. 14, afin de ré- duire la grandeur du condensateur nécessaire pour équilibrer la charge.
En réalité, on a trouvé que la capacité nécessaire pour l'équilibrage ( en l'absence de correction du facteur de puissan- ce ) avec une charge de faible facteur de puissance peut être très légèrement inférieure à la somme des capacités nécessaires pour améliorer le facteur de puissance et équilibrer la charge.
Il est clairement avantageux ( et c'est, en fait, une importante caractéristique de l'inventicn ) , de répartir la capacité entre les fonctions de correction de facteur de puissance et d'équili- brage de la charge, particulièrement lorsque la charge passe par un transformateur, étant donné que meilleur est le facteur de puissance, plus petite sera la puissance réactive pour laquelle doit être prévu le transformateur.
Il a été exposé que la grandeur de la charge représon- tée par le four varie lorsque le matériau se chauffe ; de même, le facteur de puissance varie quand change la résistance du four.
Pour compenser ces variations, la capacité 12, fig. 14, de correc- tion du facteur de puissance et les réactances 7,11 d'équilibra- ge sont de préférence faites variables, avantageusement à plots.
A cet effet, les condensateurs 11 et 12 peuvent être remplacés par des étages de condensateurs avec interrupteurs sélectifs, et le secondaire 7 peut comporter une manette à plots, les différen- tes manettes ou interrupteurs étant disposées pour être action- nées à la. main ou automatiquement, à volonté. Dans les cas où l'on peut prévoir la nature et la grandeur du courant et les va- riations du facteur de puissance, il est préférable de disposer les susdites manettes ou interrupteurs de manière qu'elles manoeu- vrent simultanément.
En se référant maintenant à la fig. 18, la bobine de chauffage 10 du four reçoit le courant d'un auto-transformateur 16, et un condensateur d'équilibrage 11 est connecté entre le con- ducteur du réseau 2 et un jeu de plots situés aux extrémités de 1'auto-transformateur. Le condensateur 11 peut être remplacé ou
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doublé par un condensateur d'équilibrage 11', connecté entre les conducteurs du réseau 1,2 comme figuré, ou entre les conducteurs 2,3.
La valeur de là capacité d'équilibrage et les positions des plots sur l'auto-transformateur sont choisies de telle façon que les impédances pour les différentes paires de conducteurs du ré- seau sontlles mornes* Ici encore, la valeur de la capacité d'é- quilibrage nécessaire est réduite par la présence du condensa- teur 12 de correction du facteur de puissance.
Dans le dispositif représenté fige 18, le condensateur 11 est commun aux circuits des deux phases 1-2 et 2-3, et parti- cipe ainsi à la détermination à la fois de la grandeur et de la phase des courants dans les deux parties de l'auto-transforma- teur 16. Il a été trouvé en pratique que l'on obtient un'très satisfaisant équilibrage, rapidement et aisément obtenu, dans les dispositifs tels que celui représenté figo 18, dans lequel on emploie une réaotanoe d'équilibrage commune à deux ou plu- sieurs phases.
Dans le dispositif représenté fig. 19, des réactances d'équilibrage de charge sont associées au coté primaire du trans- formateur 17, lequel alimente la bobine 100 Le primaire du trans- formateur 17 est connecté entre les conducteurs du réseau 1,3 et un auto-transformateur 18 est connecté entre les conducteurs 2, 3. Un condensateur d'équilibrage 11 est connecté entre le conduc- teur 1 et un jeu de plots placés sur un auto-transformateur 18, et le dispositif est prévu pour que les différentes paires de conducteurs du réseau trouvent des impédances égales. Afin de réduire le voltage auquel est soumis le condensateur 11, on peut le coupler à un conducteur 19 au moyen d'un transformateur ré- ducteur de potentiel. Le transformateur 17 peut être supprimé,. et la bobine 10 connectée directement à travers les conducteurs 1, 3.
La fig. 20 représente une variante du dispositif repré- senté fige 14, dans laquelle le primaire et le secondaire du transformateur de résaau sont connectées en étoile. Un condensa-
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teur d'équilibrage 11 est connecté entre les extrémités des se- condaires 7 et 9. Un dispositif connecté en triangle corres- pondant au dispositif connecté en étoile de la fig. 20 est re- présente sur la fig. 21., le condensateur d'équilibrage 11 étant disposé en parallèle avec le secondaire 7.
Le dispositif de la fig. 22 est une variante de celui représenté fig. 21, dans le- quel un secondaire 7 est disposé comme auto-transformateur et présente un point réglable par plots conneoté à une extrémité da l'enroulement 9 ; cette variante présente l'avantage de permet- tre à l'impédance de la branche 7,11 du réseau de conducteurs d'être rapidement réglée pour des fins d'équilibrage de charge.
L'étude de circuits présentant les dispositions figu- rées sur les fig. 18 à 22 peut être conduite en employant la mé- thode vectorielle générale décrite avec référence aux fig. 16 et 17, et il ne parait pas nécessaire de discuter en détail les mé- thcdes par lesquelles on obtient les grandeurs des réactanoes d'équilibrage de ces circuits. Dans tous les cas, les valeurs des condensateurs d'équilibrage nécessaires sont réduites par la présence de condensateurs 10 de correction du facteur de puissan- ce. Dans tous les dispositifs représentés sur les fig. 18 à 22, il faut prévoir une compensation pour les changements dans la grandeur et le facteur de puissance de la charge, ainsi qu'il a été décrit avec référence à la fig. 14.
Bien que dans les dispositifs décrits, l'équilibrage de charge a été effectué par une réactance à la fois induotive et capacitive, il est entendu que dans ce but on peut employer seu- lement des inductances, ou des condensateurs. En outre, il faut remarquer que, dans la pratique, il peut ne pas être nécessaire que toutes les phases de la source de puissance se trouvent avoir la même impédance ; dans certaine cas, il est bon de s'arranger pour que deux phases soient également chargées ( c'est-à-dire, se trouvent avoir la même impédance ) tandis que la charge sur la phase restante ou les phases restantes ) diffère quelque peu de celle qui se trouve sur les deux phases équilibrées.
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Suivant une autre caractéristique de l'invention, on peut avoir une tension relativement basse par tout de la bobine, dans contrôle de/ uies cas où la/tension et des facteurs du courant et de l'énergie thermique est fait séparément et indépendamment pour les parties des moyens d'excitation qui engendrent les courants induits sur les bords du corps dans lequel cesdits courants se développent, lesquels bords sont sujets au plus grand refroidissement.
Suivant cette répartition de l'énergie, les pertes de chaleur sur la surface du corps dans lequel se développent les courants induits, où l'action de la bobine est limitée, peuvent être compensées par une plus grande arrivée de courant, et d'au- tres tours, indépendants ou séparés, peuvent être excités d'une manière différente par des flux magnétiques supplémentaires, aug- mentant ou diminuant la tension, ou par tous autres moyens tech- niques comme la mise en circuit ou hors circuit de capacités ou d'impédances supplémentaires.
La réduction de l'énergie à la partie supérieure des bo- bines aussi bien que dans leur partie centrale peut aussi pro- duire une diminution du mouvement dans le corps fondu liquide à l'intérieur duquel naissent les courants induits, jusqu'à apla- nir la surface pendant les périoces de affinage ou d'alliages, l'augmentation d'énergie sur les bords du bain pouvant produire un accroissement de l'effet de fusion sur les scories ou sur des surfaces se refroidissant facilement sur les bords.
Il faut en outre remarquer que dans le cas d'un traite- ment métallurgique dans un four à induction spécialement pour l'affinage de l'acier, les parois basiques rendraient par leur épaisseur l'installation trop ohèqe,par suite de la nécessité d'installer des condensateurs de très grande capacité. Cet in- convénient peut être cependant évité en renforçant spécialement les parois du couvercle. On établit des avant-corps du revêtement du couvercle ou des prolongements, avec la matière basique ou spéciale pour le traitement métallurgique actuel, et de grandeur telle qu'ils sétendent autour du laitier de traitement.
L'épais-
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saar doit d'ailleurs être telle, que l'action corrosive du lai- tier n'empêche pas l'action continue du four, cette corrosion pouvant être facilement réparée en enlevant le couvercle, ou en prévoyant plusieurs couvercles de rechange.
Le chauffage du laitier lui-même peut se faire soit di- rectement par le moyen des corps dans lesquels se développent les courants de Fouoault, constitués par le métal ou le matériau semi-conducteur, ou par l'alimentation séparée des tours supé- rieurs du bobinage.
L'on peut mettre les corps de chauffage soit dans le cou- vercle, soit dans le revêtement du creuset, ou bien alimenter des bobinages disposés autour du creuset ou autour du couvercle lui-même.
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