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Générateur symétrique pour le chauffage électrique par induction.
L'invention concerne le chauffage électrique par induction. Ce procédé est fréquemment utilisé pour chauffer des parties conductrices de l'électricité: ces parties soht exposées au champ magnétique alternatif d'un inducteur formé par un ou plusieurs conducteurs que traverse un courant électrique de fréquence plus ou moins élevée.
D'une façon générale, cet inducteur présente la forme d'un enroulement hélicoïdal à champ magnétique essentiellement aaial, le pas de l'hélice étant petit par rapport à sa plus grande dimension transversale.
L'invention concerne en particulier le cas dans lequel ce courant électrique.alternatif est obtenu à l'aide d'un généra-
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teur à circuit de sortie symétrique, alimenté à une'prise médiane de l'inductance de ce circuit.
Le solénolde formant cette inductance constitue soit l'inducteur direct soit l'enroulement primaire d'un transformateur dont l'enroulement secondaire est relié à l'inducteur. Les extrémités de ce solénolde sont toutes deux reliées à une même borne de la source d'alimentatiom en courant, chacune par l'intermédiaire d'un organe de commande de courant. Ces deux organes identiques sont commandés de la même manière et à tour derôble. Le circuit de sortie mentionné comprend un condensateur qui est généralement relié en parallèle aux extrémités mentionnées. La prise médiane, par contre, est reliée à l'autre borne de la source d'alimentation en courant, généralement par l'intermédiaire d'une bobine de self-inductance. L'ensemble est donc symétrique.
Le fonctionnement.d'un tel générateur est décrit pour une autre application dans la Revue Technique Philips, tome 23, 1961, n s 7-8, dans l'article de J.J. Wilting intitulé "Convertisseurs courant continu-courant alternatif, à redresseurs au silicium commandés, pour l'éclairage fluorescent."
Toutefois, pour obtenir que la symétrie de constriction mentionnée se retrouve dans le fonctionnement et offre les avantages que l'on en attend, à savoir identité de la charge de deux organes de commande et usage optimal de l'ensemble, il faut que le solénoïde précité lui-même soit chargé symétriquement. Or, dans le cas où ce dernier forme l'inducteur, il peut être impossible ou difficile de maintenir l'organe à chauffer'dans une position assurant cette symétrie.
C'est ainsi que lorsque cet organe est petit et se trouve à l'extrémité d'un ensemble dont les autres éléments ne doivent pas être chauffés ou sont trop grands pour pouvoir être introduits dans l'inducteur, il ne chargera que l'une des moitiés de cet inducteur. Il en est de même lorsque les organes à chauffer traversent l'inducteur l'un à la suite de l'autre.
Dans le cas où le solénolde considéré forme l'enroule-
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ment primaire d'un transformateur, il est désirable de pouvoir régler le coefficient l'induction mutuelle de ce transformateur 'afin d'obtenir un emploi optimal du générateur. Ce réglage est .généralement obtenu par un déplacement axial des deux enroulements et il est alors impossible de maintenir la symétrie'de la charge que l'enroulement secondaire forme pour le soléncïde primaire.
L'invention concerne un générateur symétrique pour le chauffage électrique par induction, dans lequel la symétrie de fonctionnement est indépendante de la position de l'élément formant la charge.
Le générateur comporte un enroulement dont les deux extrémités sont reliées à la même borne d'une source de courant d'alimentation, chacune par l'intermédiaire d'un organe de comnan- de de courant et dont une prise médian est reliée à une autre borne de ladite source, alors que les deux moitiés de cet enroulement sont pratiquement de même construction et de mêmes dimensions et que les champs magnétiques créent un courant qui traverse en série les deux moitiés dans le même sens.
Le générateur conforme à l'invention présente la particularité que les deux dites moitiés coïncident pratiquement dans l'espace.
Il y a lieu de noter qu'un inducteur pour le chauffage par induction formé par deux solénoïdes reliés en série, dont l'un entoure l'autre, est déjà décrit dans le brevet américain n 1.744.983 déposé le 2-8-1928. Le dispositif décrit dans ce brevet vise à réduire.àzéro la valeur du champ magnétique de dispersion à l'extérieur de l'inducteur, le champ du solénoïde extérieur étant opposé à celui du solénolde intérieur. Les sens des champs des deux solénoldes doivent donc être opposés tant à l'intérieur qu'à l'extérieur de l'inducteur, la présence d'un champ résultant à l'intérieur de l'inducteur étant due au fait que les diamètres des deux solénoldes sont très'différents.
Les deux moitiés de l'enroulement conforme à l'invention,
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qui sont identiques en ce qui concerne leur constitution et leur position, sont toujours couplées simultanément à la charge quelle que soit la nature et la position de celle-ci, ce qui assure la symétrie du fonctionnement du générateur, à condition que celuici soit construit d'une manière symétrique.
Il va de soi que les deux moitiés ne sauraient occuper exactement la même position, mais diverses dispositions permettent d'obtenir pratiquement le même résultat. Lorsque chaque moitié d'un enroulement hélicoïdal forme par exemple une couche cylindrique à spires pratiquement jointives, et de section rectangulaire, l'une des moitiés peut entourer l'autre aussi étroitement que le permet l'épaisseur des couches, c'est-à-dire celle du conducteur linéaire et de a matière isolante. En ce qui concerne le couplage, la différence en rayon de ces couches pourra en général être négligée.
Lorsqu'on néglige cette différence, dans ce dispositif, les spires formées par les deux moitiés peuvent soit avoir le même pas, soit avoir un pas opposé de même grandeur; dans ce dernier cas, une moitié est symétrique par rapport à l'autre en ce qui concerne un plan passant par l'axe.
Les deux extrémités du cylindre commun peuvent être désignées par Nord et Sud. Le conducteur linéaire est enroulé d'abord . du Nord vers le Sud. Avec le pas opposé, dès qu'il est arrivé au Sud, il forme un faible coude et retourne vers le Nord tout en étant toujours enroulé dans le même sens. La prise médiane se trouve donc au Sud et les deux extrémité au Nord.
Le conducteur est toujours enroulé dans le même sens pour que les champs magnétiques, qui sont créés dans chacune des deux moitiés par un courant qui les traverse en série, soient de même sens. Dans le cas de pas égaux non seulement en grandeur mais également en sens, le conducteur, lorsqu'il est parvenu au Sud retourne vers le Nord, et un conducteur auxiliaire non enroulé relie le Nord au Sud. La prise médiane est alors reliée à ce conducteur auxiliaire, l'une des extrémités se trouvant au Nord et l'autre au Sud.
D'autre part, avec des demi-enroulements, à même pas et
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traversés en série pas un courant électrique d'une intensité variable, la tension électrique entre les spires voisines des demienroulements est toujours égale à la moitié de la tension totale aux bornes de l'enroulement, tandis que, dans le cas de pas opposés, cette tension totale est atteinte à proximité des extrémités. Pour un isolement électrique donné, il est donc possible d'induire des courants plus intenses dans les organes à chauffer lorsque les demi-enroulements ont le même pas.
Lorsque, dans ce dernier cas, les spires de chacune des deux demi-bobines présentent des interstices suffisants, il est en outre possible d'enrouler desspires d'une moitié entre celles de l'autre demi-bobine. Les rayons des deux cylindres sont alors rigoureusement égaux. Un tel enroulement pourrait être appelé "bifilaire" et cette forme de réalisation préférée est représentée schématiquement sur le dessin annexé.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif,. fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.
Le générateur représenté est alimenté par une source de courant 1 dont l'une est reliée, par l'intermédiaire d'une bobine de self-inductance 2, à un conducteur auxiliaire 3 qui forme, entre ses extrémités 3a et 3b, la prise médiane de l'enroulement hélicoïdal 4 faisant office d'inducteur.
L'autre borne de la source 8 est reliée aux extrémités 4a et 4b de l'inducteur 4 par l'intermédiaire d'organes de commande d'intensité de courant formés par les redresseurs semi-conducteurs commandés 5a et 5b, également appelés thyristors. Ces éléments ne laissent passer le courant que dans leur sens "direct" et qu'après avoir été rendus conducteurs par une courte impulsion de courant fournie à leur électrode de commande 6a, 6b. Leur propriété de conducteur disparaît par exemple lorsque le courant qui les traverse passe par zéro et ne réapparaît qu'après l'applica-
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tion d'une nouvelle impulsion de commande. Ces impulsions sont fournies ici aux instants requis par une source d'impulsions 7 de réalisation connue. Un condensateur 8 est inséré entre les extrémités 4a et 4b.
L'organe à chauffer 9 est représenté en poin- tillé comme partie d'un ensemble plus volumineux 10.
Pour le fonctionnement de l'ensemble , on se reportera à l'article de J.J. Wilting, mentionné dans le préambule. Lorsque la source d'impulsions 7 a fourni une impulsion rendant conducteur le redresseur 5a, un courant d'intensité croissante traverse la bobine 2, et ensuite une fraction de ce courant traverse le dimiinducteur 3a 4a et une fraction l'autre demi-inducteur 3a, 4b vers le condensateur 8, de sorte que le circuit de courant 3,4, 8 est comparable à un condensateur monté enssérie avec la bobine 2. D'autre part, le condensateur 8 est branché en parallèle avec l'enroulement 4 doht l'inductane n'est pas réduite entièrement à zéro par la présence de la charge 9.
De ce fait, il y a tendance à établissement d'un régime oscillatoire tel qu'une période de conduction du redresseur 5a, période à la fin de laquelle ce redresseur cesse d'être conducteur, suit une période de conduction du redresseur 5b. Cette conduction alternée des redresseurs 5 provoque dans l'inducteur 4 un courant de commande total en forme de créneaux ou plus ou moins sinusoïdal. Les couplages respectifs de chacune des deux moitiés de cet inducteur avec la charge 9 sont en tout cas les mêmes quelle que soit la position de cette charge. Les régimes de fonctionnement de chacun des redresseurs
5 sont donc également identiques. D'autre part, un réglage de fonctionnement optimal pour une demi-période est automatiauement valable aussi pour l'autre demi-période.
Pour l'application décrite ici, l'enroulement 4 est réa- lisé en fil de cuivre mais il pourrait également être réalisé en ruban de cuivre ou par un tube de cuivre que traverse un moyen ré- frigérant.
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Symmetrical generator for electric induction heating.
The invention relates to electric induction heating. This process is frequently used to heat electrically conductive parts: these parts are exposed to the alternating magnetic field of an inductor formed by one or more conductors through which an electric current of more or less high frequency passes.
In general, this inductor has the form of a helical winding with an essentially aaial magnetic field, the pitch of the helix being small compared to its largest transverse dimension.
The invention relates in particular to the case in which this alternating electric current is obtained using a generator.
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Motor with symmetrical output circuit, supplied at a center tap of the inductance of this circuit.
The solenoid forming this inductor constitutes either the direct inductor or the primary winding of a transformer whose secondary winding is connected to the inductor. The ends of this solenoid are both connected to the same terminal of the current supply source, each via a current control member. These two identical components are controlled in the same way and in turn. The mentioned output circuit comprises a capacitor which is generally connected in parallel at the mentioned ends. The middle tap, on the other hand, is connected to the other terminal of the current supply source, generally by means of a self-inductance coil. The whole is therefore symmetrical.
The operation of such a generator is described for another application in the Philips Technical Review, volume 23, 1961, nos 7-8, in the article by JJ Wilting entitled "Direct current-alternating current converters, with silicon rectifiers ordered, for fluorescent lighting. "
However, to obtain that the symmetry of constriction mentioned is reflected in the operation and offers the advantages which one expects from it, namely identity of the load of two control members and optimal use of the assembly, it is necessary that the solenoid supra itself is symmetrically loaded. However, in the case where the latter forms the inductor, it may be impossible or difficult to maintain the member to be heated in a position ensuring this symmetry.
Thus, when this organ is small and is at the end of an assembly, the other elements of which must not be heated or are too large to be able to be introduced into the inductor, it will only charge one halves of this inductor. It is the same when the parts to be heated pass through the inductor one after the other.
In the event that the solenoid considered forms the coil-
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Primary element of a transformer, it is desirable to be able to adjust the coefficient of mutual induction of this transformer in order to obtain optimum use of the generator. This adjustment is generally obtained by an axial displacement of the two windings and it is then impossible to maintain the symmetry of the load that the secondary winding forms for the primary solenoid.
The invention relates to a symmetrical generator for electric induction heating, in which the operating symmetry is independent of the position of the element forming the load.
The generator has a winding, the two ends of which are connected to the same terminal of a supply current source, each via a current control member and of which a middle tap is connected to another. terminal of said source, while the two halves of this winding are practically of the same construction and of the same dimensions and that the magnetic fields create a current which passes through the two halves in series in the same direction.
The generator according to the invention has the particular feature that the two said halves practically coincide in space.
It should be noted that an inductor for induction heating formed by two solenoids connected in series, one of which surrounds the other, is already described in US Patent No. 1,744,983 filed 2-8-1928 . The device described in this patent aims to reduce to zero the value of the magnetic field of dispersion outside the inductor, the field of the external solenoid being opposite to that of the internal solenoid. The directions of the fields of the two solenoids must therefore be opposite both inside and outside the inductor, the presence of a resulting field inside the inductor being due to the fact that the diameters of the two solenoids are very different.
The two halves of the winding according to the invention,
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which are identical as regards their constitution and their position, are always coupled simultaneously to the load whatever the nature and the position of this one, which ensures the symmetry of the operation of the generator, provided that this one is built of 'in a symmetrical way.
It goes without saying that the two halves cannot occupy exactly the same position, but various arrangements make it possible to obtain practically the same result. When each half of a helical winding forms, for example, a cylindrical layer with practically contiguous turns, and of rectangular section, one of the halves can surround the other as closely as the thickness of the layers allows, that is to say - say that of the linear conductor and of an insulating material. As regards the coupling, the difference in radius of these layers can in general be neglected.
When this difference is neglected, in this device, the turns formed by the two halves can either have the same pitch, or have an opposite pitch of the same size; in the latter case, one half is symmetrical with respect to the other with regard to a plane passing through the axis.
The two ends of the common cylinder can be designated as North and South. The linear conductor is wound up first. from North to South. With the opposite step, as soon as it has arrived in the South, it forms a weak elbow and returns to the North while still being wound in the same direction. The median outlet is therefore to the south and the two ends to the north.
The conductor is always wound in the same direction so that the magnetic fields, which are created in each of the two halves by a current flowing through them in series, are in the same direction. In the case of equal steps not only in size but also in direction, the conductor, when it has reached the South, returns to the North, and an uncoiled auxiliary conductor connects the North to the South. The middle socket is then connected to this auxiliary conductor, one of the ends being to the North and the other to the South.
On the other hand, with half-windings, even and
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crossed in series by an electric current of variable intensity, the electric voltage between the neighboring turns of the half-windings is always equal to half of the total voltage at the terminals of the winding, while, in the case of opposite pitches, this full tension is reached near the extremities. For a given electrical insulation, it is therefore possible to induce more intense currents in the components to be heated when the half-windings have the same pitch.
When, in the latter case, the turns of each of the two half-coils have sufficient interstices, it is also possible to wind the spirals of one half between those of the other half-coil. The radii of the two cylinders are then strictly equal. Such a winding could be called "bifilar" and this preferred embodiment is shown schematically in the accompanying drawing.
The description of the appended drawing, given by way of non-limiting example ,. will make it clear how the invention can be implemented, the particularities which emerge both from the text and from the drawing being, of course, part of the invention.
The generator shown is supplied by a current source 1, one of which is connected, via a self-inductance coil 2, to an auxiliary conductor 3 which forms, between its ends 3a and 3b, the middle tap of the helical winding 4 acting as an inductor.
The other terminal of the source 8 is connected to the ends 4a and 4b of the inductor 4 by means of current control members formed by the controlled semiconductor rectifiers 5a and 5b, also called thyristors. These elements only allow current to flow in their "forward" direction and only after having been made conductive by a short current pulse supplied to their control electrode 6a, 6b. Their conductive property disappears, for example, when the current passing through them passes through zero and reappears only after the application.
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tion of a new control pulse. These pulses are supplied here at the times required by a pulse source 7 of known embodiment. A capacitor 8 is inserted between the ends 4a and 4b.
The element to be heated 9 is shown in dotted lines as part of a larger assembly 10.
For the operation of the whole, we refer to the article by J.J. Wilting, mentioned in the preamble. When the pulse source 7 has supplied a pulse making the rectifier 5a conductive, a current of increasing intensity passes through the coil 2, and then a fraction of this current flows through the dimiinducer 3a 4a and a fraction the other half-inductor 3a , 4b towards the capacitor 8, so that the current circuit 3, 4, 8 is comparable to a capacitor mounted in series with the coil 2. On the other hand, the capacitor 8 is connected in parallel with the winding 4 doht l inductan is not reduced entirely to zero by the presence of charge 9.
As a result, there is a tendency for an oscillatory regime to be established, such as a conduction period of the rectifier 5a, at the end of which this rectifier ceases to be a conductor, a period of conduction of the rectifier 5b follows. This alternating conduction of the rectifiers 5 causes in the inductor 4 a total control current in the form of square waves or more or less sinusoidal. The respective couplings of each of the two halves of this inductor with the load 9 are in any case the same regardless of the position of this load. The operating regimes of each rectifier
5 are therefore also identical. On the other hand, an optimum operating setting for one half-period is automatically valid also for the other half-period.
For the application described here, the winding 4 is made of copper wire, but it could also be made of copper tape or by a copper tube through which a cooling medium passes.