EP2027754B2

EP2027754B2 - Dispositif de chauffage par induction à haute fréquence, et four à induction équipé d'un tel dispositif

Info

Publication number: EP2027754B2
Application number: EP07788840.2A
Authority: EP
Inventors: Philippe Roehr; Ivan Novikoff
Original assignee: Fives Celes
Current assignee: Fives Celes
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2027-06-06
Also published as: ATE451816T1; ES2338182T3; EP2027754B1; FR2902274A1; WO2007141422A1; EP2027754A1; DE602007003719D1; FR2902274B1; ES2338182T5

Description

L'invention est relative à un dispositif de chauffage par induction du genre de ceux qui comportent :

une seule alimentation électrique à haute fréquence,
un inducteur propre à entourer, au moins partiellement, un élément induit à chauffer, l'inducteur ayant une inductance de valeur déterminée pour une puissance de chauffage souhaitée,
et un montage capacitif de liaison entre l'alimentation et l'inducteur prévu pour augmenter la tension aux bornes de l'inducteur par rapport à la tension fournie par l'alimentation.

Par l'expression « haute fréquence » utilisée pour le courant alternatif on désigne une fréquence égale ou supérieure à 10 kilohertz (kHz).
Une application du chauffage par induction concerne les bandes métalliques. Le chauffage par induction de bandes métalliques est de plus en plus utilisé par l'industrie sidérurgique pour des applications diverses telles que:

amélioration de la productivité de four conventionnel ;
séchage de produits de revêtement divers (peinture, galvanisation, etc...);
traitement thermique (recuit, survieillissement...),

La progression des performances des semi-conducteurs permet maintenant de fabriquer des convertisseurs de fréquence de puissance unitaire de plusieurs mégawatts et de fréquence de sortie de plusieurs centaines de kilohertz.
Le principe d'une installation classique, selon l'état de la technique, est illustré sur les Figures 1 à 3 des dessins annexés dans le cas d'un circuit oscillant parallèle et d'un inducteur à flux longitudinal. Un autre example de chauffage par induction est connu de US 5 837 976 . Une alimentation électrique 1 à courant alternatif à haute fréquence est constituée d'un convertisseur de fréquence. Un ou plusieurs condensateurs de compensation 2 sont branchés aux bornes du convertisseur. L'inducteur 3 entoure une bande métallique 4 à chauffer ; la longueur de la bande 4 est perpendiculaire au plan de Fig.1. Des courants inducteurs d'intensité I entourent la bande 4 de manière à créer des courants induits dont la circulation est schématiquement représentée par une courbe 5 en pointillés. Le convertisseur de fréquence 1 fournit la puissance active nécessaire au chauffage de la bande métallique 4. Le condensateur, ou la batterie de condensateurs, 2 fournit la puissance réactive nécessaire à la magnétisation de l'espace dans lequel le champ magnétique créé par l'inducteur 3 se développe. Selon Fig.3 deux condensateurs de liaison 2' en série, combinés avec le condensateur 2, sont prévus pour augmenter la tension aux bornes de l'inducteur. Le circuit formé par l'inducteur 3 et les condensateurs 2, 2' est un circuit oscillant, et la tension électrique U (exprimée en volts) qui se développe aux bornes de l'inducteur 3 (abstraction faite de la résistance ohmique) s'écrit: U=LωI, formule dans laquelle :

L est égal à l'inductance de l'inducteur 3 (exprimée en henry),
ω est la pulsation du courant alternatif du courant d'alimentation (en radians par seconde)
I est l'intensité du courant dans l'inducteur 3 (en ampères).
ω = 2πF, avec F égal à la fréquence du courant alternatif.

La puissance Pt transférée par induction à la bande 4 est proportionnelle :

au carré du champ magnétique, lui-même proportionnel au nombre d'ampères tours n.l , où n est le nombre de spires de l'inducteur 3 ou circuit primaire,
à la racine carrée de la pulsation ω du courant.

Pour transmettre une puissance élevée, il faut, toutes choses égales par ailleurs, que le courant I soit important, de l'ordre de quelques milliers d'ampères à plusieurs dizaines de milliers d'ampères.
L'inductance L en raison de la taille géométrique de l'inducteur 3, souvent reliée à celle de l'induit 4 qu'il entoure, ne peut descendre au-dessous d'une valeur minimale de l'ordre de quelques dixièmes de microhenry pour des inducteurs de chauffage de bande, même en construisant des inducteurs dits « monospires », c'est-à-dire à une seule spire.
Enfin, ω atteint des valeurs élevées pour permettre de chauffer des bandes minces 4 et éviter une chute de rendement du système.
L'équation U= LωI montre directement que le courant I important, nécessaire pour que la puissance transmise soit élevée, ne peut être obtenu qu'en appliquant une tension U de plusieurs milliers de volts. Cette tension est le plus souvent atteinte par un montage capacitif « multiplicateur de tension ou élévateur capacitif ». Selon Fig.3 cet élévateur capacitif fait intervenir deux condensateurs 2' en série avec l'inductance.
Pour assurer de bonnes conditions d'oscillation du circuit formé par l'inducteur 3 et les condensateurs 2, 2' du circuit de l'inducteur, on s'efforce généralement de satisfaire la condition de résonance entre les valeurs de l'inductance L et la capacité C_eq équivalente à celles des condensateurs du circuit, selon la formule: L C_eq ω² = 1
Dans l'exemple de Fig.3; en considérant le cas où les trois condensateurs 2, 2' ont chacun même valeur C de capacité , la capacité équivalente C_eq de ces trois condensateurs en série dans la boucle fermée comportant l'inducteur est C_eq = C/3.
La relation : L C_eq ω² = 1 devient, en remplaçant C_eq, par C/3 : $L C / 3 ω^{2} = 1$

d'où : L ω = 3/ Cω

La tension aux bornes de l'inducteur LωI est donc égale à 3 I / Cω, tandis que la tension aux bornes de la capacité de compensation 2, qui correspond à la tension d'alimentation, est égale à I/ Cω. La tension aux bornes de l'inducteur est donc multipliée par trois.
La tension très élevée appliquée à l'inducteur pose de nombreux problèmes de réalisation des équipements, qui doivent éviter une chute de tension inopportune entre le condensateur, ou la batterie de condensateurs, et l'inducteur. Les connexions de raccordement doivent être « compensées », c'est-à-dire présenter une inductance de liaison minimale. Cette diminution de l'inductance des connexions ne peut être obtenue qu'en rapprochant le mieux possible les conducteurs d'alimentation de l'inducteur et les conducteurs internes de la batterie de condensateurs. Comme illustré schématiquement sur Fig.2, la distance e entre les connexions de raccordement doit être minimale pour limiter l'inductance parasite de la connexion.
Mais on se heurte à la présence d'une tension très élevée. La faible distance e entre les connexions rend particulièrement difficile la réalisation d'une isolation électrique fiable permettant d'éviter un claquage de l'isolant (flash).
La même contrainte s'applique à la batterie de condensateurs, souvent constituée de condensateurs élémentaires de faible tenue en tension unitaire, connectés en série- parallèle.
L'invention a pour but, surtout, de fournir un dispositif de chauffage par induction qui permet de transférer une puissance élevée par l'inducteur tout en réduisant les difficultés de construction créées par les tensions, en particulier au niveau des connexions de l'inducteur et des condensateurs.
Selon l'invention, un dispositif de chauffage par induction du genre défini précédemment est caractérisé en ce que l'inducteur est constitué d'au moins deux parties inductives élémentaires distinctes reliées entre elles en série par au moins un condensateur, la tension qui apparaît entre les points de raccordement des parties inductives élémentaires étant réduite par rapport à la tension nécessaire au fonctionnement de l'inducteur, pour une puissance de chauffage souhaitée.
Le dispositif peut comporter un condensateur branché entre les bornes de l'alimentation et trois parties inductives élémentaires distinctes, ayant ou non même inductance élémentaire, reliées entre elles en série par deux condensateurs de liaison .
Selon une variante, le dispositif peut comporter un condensateur branché entre les bornes de l'alimentation et deux parties inductives élémentaires distinctes, reliées entre elles en série par un condensateur de liaison.
D'une manière plus générale, le dispositif comporte un condensateur branché entre les bornes de l'alimentation et N parties inductives élémentaires distinctes, reliées entre elles en série par N-1 condensateurs de liaison.
Avantageusement, le ou les condensateurs de liaison ont des valeurs de capacité égales entre elles, et égales à la capacité du condensateur branché aux bornes de l'alimentation.
Néanmoins il est possible d'obtenir des facteurs d'élévation de la tension particuliers et non entiers en utilisant une ou des batteries de condensateurs de liaison de valeur équivalente différente de celle de la batterie de condensateurs branchée aux bornes de l'alimentation. Dans ce cas, les condensateurs, ou batteries de condensateurs, de liaison, ont des valeurs de capacité différentes de celle du condensateur, ou de la batterie de condensateurs, branché aux bornes de l'alimentation haute fréquence, pour obtenir des rapports d'élévation de la tension non entiers.
De préférence, le ou les condensateurs de liaison sont situés dans une zone opposée à l'alimentation par rapport à l'induit.
Les condensateurs ou batteries de condensateurs peuvent être répartis sur le périmètre de l'induit afin d'optimiser l'occupation de l'espace au voisinage de l'induit.
Le ou chaque condensateur de liaison peut être constitué par une batterie de condensateurs.
De préférence, la capacité C_eq équivalente à celles des condensateurs du circuit dans lequel se trouvent les inducteurs élémentaires est liée à l'inductance L équivalente à celles des parties inductives par la relation L C_eq ω² = 1.
L'invention est également relative à un four de chauffage par induction.
Un four de chauffage pour bandes métalliques, selon l'invention, est caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de chauffage à induction, à une ou plusieurs spires, tel que défini précédemment. Avantageusement, les condensateurs, ou batteries de condensateurs, de liaison peuvent être disposés à l'intérieur de l'enveloppe du four, dans l'atmosphère du four.
Une autre application du chauffage par induction suivant l'invention est la fusion de verre ou d'oxyde en spire directe.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs.
Sur ces dessins :

Fig.1 est un schéma d'un dispositif de chauffage par induction selon l'état de la technique.
Fig.2 est un schéma semblable à Fig.1, avec un inducteur monospire représenté en perspective, selon l'état de la technique.
Fig.3 est un schéma d'un circuit avec batterie de condensateurs multiplicateurs de tension, selon l'état de la technique.
Fig.4 est un schéma d'un dispositif de chauffage selon l'invention.
Fig.5 est un schéma équivalent du dispositif de Fig.4.
Fig.6 est une variante du schéma de Fig.5.
Fig.7 est un schéma en perspective illustrant le déplacement d'une bande à chauffer dans un inducteur monospire.équipé d'un condensateur de liaison
Fig.8 est un schéma d'un four de fusion de verre, à une seule spire, selon l'état de la technique, et enfin
Fig.9 est un schéma d'un four de fusion de verre monospire selon l'invention.

En se reportant à Fig.4 on peut voir un dispositif H de chauffage par induction, selon l'invention, qui comporte un convertisseur de fréquence 1 constituant l'alimentation électrique à haute fréquence, égale ou supérieure à 10 kHz. Un condensateur, ou une batterie de condensateurs, de compensation 2 est branché entre les bornes de l'alimentation 1.
L'inducteur, branché aux bornes du condensateur 2 et de l'alimentation, est constitué d'au moins deux parties inductives élémentaires distinctes. Selon l'exemple de réalisation de Fig.4, l'inducteur est constitué de trois parties inductives élémentaires 3a, 3b, 3c reliées entre elles en série par au moins un condensateur, ou batterie de condensateurs, 2a, 2b. L'inductance équivalente à celles des parties inductives élémentaires 3a, 3b, 3c, en série est égale à la valeur déterminée L de l'inducteur 3 d'un montage classique selon Fig.1 à 3.
Selon l'exemple de Fig.4, la tension U1 se développe entre les bornes 6a et 7c des parties inductives élémentaires respectives 3a et 3c ; la tension U2 entre les bornes 7a et 6b des parties inductives élémentaires 3a et 3b et la tension U3 entre les bornes 7b et 6c des parties inductives élémentaires 3b, 3c. Le condensateur 2 est relié aux bornes 6a, 7c tandis que les condensateurs 2a, 2b sont reliés respectivement aux bornes 7a, 6b et aux bornes 7b, 6c.
Les tensions U1, U2 et U3 étant réduites par rapport à la tension de fonctionnement de l'inducteur 3 selon Fig.1 à 3, les besoins en isolation électrique et les précautions à prendre pour la réalisation de l'équipement sont également réduites et les conducteurs peuvent être rapprochés l'un de l'autre avec une diminution du risque de claquage.
Selon l'exemple de réalisation de Fig.4, l'inducteur formé par l'ensemble des parties inductives élémentaires 3a, 3b, 3c, peut être installé à l'intérieur d'une enveloppe 8 d'un four de chauffage se trouvant par exemple sous atmosphère protectrice, notamment H2 + N2, à maintenir séparée de la présence d'air ou d'oxygène pour éviter les risques d'explosion. L'enveloppe 8 est étanche, et réalisée par exemple en tôle d'acier. Les condensateurs 2a, 2b peuvent être logés à l'intérieur de l'enveloppe 8 car le chauffage par induction n'entraîne pas des températures trop importantes dans le volume intérieur de l'enveloppe 8. Dans ces conditions, une seule traversée étanche 9 est à réaliser, à travers la paroi de l'enveloppe 8, pour le passage de branches d'extrémité 10a, 10c des inducteurs 3a, 3c afin de rendre les bornes de raccordement 6a, 7c accessibles de l'extérieur de l'enveloppe 8. La réalisation d'une traversée étanche 9 étant relativement coûteuse, il est particulièrement intéressant de pouvoir éviter une telle traversée étanche au niveau des bornes 7a, 6b et/ou 7b, 6c.
Fig.5 est un schéma électrique équivalent à l'installation de Fig.4. Les mêmes références numériques ont été reprises sur le schéma de Fig.5 faisant apparaître que inducteur, d'inductance L, est divisé en plusieurs parties, trois dans l'exemple considéré, reliées par des condensateurs 2a, 2b, 2.
Fig.6 est un schéma d'un autre exemple de réalisation pour un circuit oscillant série dans lequel l'inducteur est divisé en deux parties 3a, 3b reliées par un condensateur 2a. Les autres bornes d'extrémité des parties inductives élémentaires 3a, 3b sont reliées respectivement à une plaque d'un condensateur 2 ou 2b, lui-même relié par son autre plaque à une borne de l'alimentation. Ce montage peut être prévu avec ou sans transformateur 11.
Ce concept peut aisément être généralisé à un nombre de points de raccordement différent de ceux illustrés par les exemples de Fig.4 à 6, et/ou avec des inducteurs à deux spires ou plus de deux spires.
Fig.7 est un schéma simplifié en perspective illustrant le cas d'un inducteur monospire 3 pour bande métallique 4 qui défile verticalement selon la représentation de Fig.7.
Fig.8 illustre un autre exemple d'application du chauffage par induction dans le cas d'un four de fusion de verre ou d'oxydes, en spire directe. Dans un four de fusion de verre par induction on retrouve une alimentation électrique à haute fréquence constituée par un convertisseur de fréquence 21, avec un condensateur, ou une batterie de condensateurs, 22 de compensation branché entre les bornes du convertisseur. Un inducteur 23, par exemple monospire, branché aux bornes du condensateur 22 entoure une masse de verre G en fusion, qui est conductrice de l'électricité.
II. est connu que le point faible des fours à induction de fusion de verre ou d'oxydes réfractaires (amiante, silicate...) se situe dans une zone A de fermeture de la spire et de raccordement à l'alimentation. Cette zone A est sujette à amorçage électrique entre les conducteurs en raison de la grande différence de potentiel entre les bornes d'alimentation 26a, 26b de l'inducteur.
Les courants induits dans la masse G de verre sont schématiquement représentés par un tracé en pointillés 25.
Selon l'invention, comme illustré sur Fig.9, l'inducteur est divisé en deux parties inductives élémentaires 23a, 23b, représentées ici de façon symétrique et l'inductance équivalente des deux inducteurs 23a, 23b est égale à celle de l'inducteur 23 de Fig.8.
Les extrémités des inducteurs élémentaires 23a, 23b opposées à l'alimentation sont reliées à un condensateur 22a branché aux bornes respectives 27a, 27b des inducteurs élémentaires.
Avec ce montage, les tensions entre les points 26a, 26b d'une part et entre les points 27a, 27b d'autre part, des parties inductives élémentaires, sont égales à la moitié de la tension qui était appliquée entre les points 26a, 26b selon le montage de l'état de la technique de Fig.8, toutes choses égales par ailleurs.
Ainsi, la tension entre les points 26a, 26b, selon Fig.9, est divisée par deux, alors que la puissance de chauffage transférée est conservée.
Selon Fig.8, l'inducteur 23 ayant une inductance L, et le condensateur 2 ayant une capacité C, la pulsation du courant étant ω, la relation LCω² = 1 est satisfaite pour la résonance. La tension aux bornes de l'inducteur est égale à LωI soit égale à I/Cω, avec I= intensité du courant dans le circuit.
Selon Fig.9, chaque partie inductive élémentaire 23a, 23b a une inductance U2, tandis que chaque condensateur a une capacité double 2C de sorte que la capacité équivalente C_eq est égale à 2C/2 = C. La condition de résonance s'exprime par : L C_eqω² = 1, soit LC ω² = 1. Pour la même intensité I, la tension aux bornes de chaque partie inductive élémentaire est U2 ω I (abstraction faite de la résistance ohmique). La puissance transférée, égale à la somme des puissances transférées par chaque partie inductive élémentaire, est la même que pour Fig.8. Par contre, la tension aux bornes du condensateur 22 et entre les points 26a, 26b est égale à 1/2Cω, soit la moitié de ce qu'elle est sur Fig.8 pour une même puissance transférée dans l'induit à chauffer.
Les risques d'amorçage entre conducteurs isolés au niveau des points 26a, 26b se trouvent sensiblement réduits.
L'exemple de Fig.9 n'est pas limitatif, et l'inducteur pourrait être décomposé en plus de deux parties inductives élémentaires.
Il est à noter que la condition de résonance L Cω² = 1 peut n'être satisfaite que de manière approchée.

Claims

Dispositif de chauffage par induction constitué par :
- une seule alimentation électrique à haute fréquence,

- un inducteur (3, 23) propre à entourer, au moins partiellement, un élément induit (4, G) à chauffer, cet inducteur ayant une inductance de valeur déterminée (L) pour une puissance de chauffage souhaitée,

- et un montage capacitif de liaison entre l'alimentation et l'inducteur prévu pour augmenter la tension aux bornes de l'inducteur par rapport à la tension fournie par l'alimentation,
l'inducteur étant constitué d'au moins deux parties inductives élémentaires distinctes (3a, 3b, 3c ; 23a, 23b) reliées entre elles en série par au moins un condensateur, ou une batterie de condensateurs, (2, 2a, 2b; 22, 22a), la tension qui apparaît entre les points de raccordement des parties inductives élémentaires étant réduite par rapport à la tension nécessaire au fonctionnement de l'inducteur pour une puissance de chauffage souhaitée.
Dispositif selon la revendication 1, comportant un condensateur ou batterie de condensateurs (2) branché entre les bornes de l'alimentation et trois parties inductives élémentaires distinctes (3a, 3b, 3c)" reliés entre elles en série par deux condensateurs de liaison ou batterie de condensateurs (2a, 2b).
Dispositif selon la revendication 1, comportant un condensateur ou batterie de condensateurs (22) branché entre les bornes de l'alimentation et deux parties inductives élémentaires distinctes (23a, 23b), reliées entre elles en série par un condensateur ou batterie de condensateurs de liaison (22a).
Dispositif selon la revendication 1, comportant un condensateur ou batterie de condensateurs branché entre les bornes de l'alimentation et N parties inductives élémentaires distinctes, reliées entre elles en série par N-1 condensateurs ou batterie de condensateurs de liaison.
Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, le ou les condensateurs de liaison (2a, 2b ; 22a) ayant des valeurs de capacité égales entre elles, et égales à la capacité d'un condensateur (2, 22) branché aux bornes de l'alimentation.
Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, les condensateurs, ou batteries de condensateurs, de liaison ayant des valeurs de capacité différentes de celle du condensateur, ou de la batterie de condensateurs, branché aux bornes de l'alimentation haute fréquence , pour obtenir des rapports d'élévation de la tension non entiers.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le ou les condensateurs de liaison (2a, 2b ; 22) étant situés dans une zone opposée à l'alimentation par rapport à l'induit (4, G).
Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, les condensateurs ou batteries de condensateurs étant répartis sur le périmètre de l'induit (4, G) afin d'optimiser l'occupation de l'espace au voisinage de l'induit et limitant ainsi les inductances parasites.
Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, le ou chaque condensateur de liaison étant constitué par une batterie de condensateurs.
Four de chauffage pour bandes métalliques (4), comportant un dispositif de chauffage à induction, à une ou plusieurs spires, selon l'une quelconque des revendications précédentes.
Four de chauffage selon la revendication 10, les condensateurs, ou batteries de condensateurs, de liaison (2a,2b) étant disposés à l'intérieur de l'enveloppe (8) du four, dans l'atmosphère du four.
Four à fusion de verre (G) ou d'oxyde en spire directe, comportant un dispositif de chauffage à induction selon l'une des revendications 1 à 9.