CA2801515A1 - High-power air-core smoothing inductor - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une bobine d'induction à air (20) pour fortes puissances formée par bobinage de barres creuses en matériau électriquement conducteur. La bobine comprend au moins deux enroulements (21, 22, 23) disposés coaxialement et l'un dans l'autre, les enroulements étant connectés en série de façon à conserver le même sens d'enroulement, la bobine d'induction présentant un rayon moyen A, une demi-section dans un plan comprenant l'axe de la bobine qui est de forme carrée de côté B, de sorte à satisfaire la relation : 2A = 6B = 6A.The invention relates to an air induction coil (20) for high powers formed by winding hollow bars of electrically conductive material. The coil comprises at least two windings (21, 22, 23) arranged coaxially and one inside the other, the windings being connected in series so as to maintain the same winding direction, the induction coil having a radius medium A, a half-section in a plane comprising the axis of the coil which is square in shape on side B, so as to satisfy the relation: 2A = 6B = 6A.
Description
WO 2011/15442 WO 2011/15442
2 PCT/EP2011/059429 BOBINE DE LISSAGE A AIR POUR FORTES PUISSANCES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte aux bobines d'induction à air pour fortes puissances. De telles bobines d'induction sont par exemple utilisées pour l'alimentation électrique des fours à arc à courant continu.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les alimentations électriques des fours à
arc à courant continu utilisent des bobines d'induction à air présentant des valeurs variant entre 100 pH et 1 mH. Ces bobines peuvent être parcourues par des courants pouvant aller jusqu'à 70 kA.
Pour les applications de type four à arc électrique, il est connu d'utiliser des bobines d'induction constituées de solénoïdes monocouches à
base carrée ou hexagonale.
La figure 1 est un schéma explicatif d'une installation électrique pour four à arc à courant continu. La référence 1 désigne un four à arc contenant un matériau métallique 2 à traiter. Le four 1 est équipé, dans l'exemple représenté, d'une cathode 10 et de deux anodes 11 et 12. Deux circuits d'alimentation électrique sont représentés. Un premier circuit comprend un dispositif redresseur à thyristors 3 dont la sortie est branchée entre la cathode 10 et l'anode 11 à travers une bobine d'induction L1. Un deuxième circuit comprend un dispositif redresseur à thyristors 4 dont la sortie est branchée entre la cathode 10 et l'anode 12 à travers une bobine d'induction L2. Les bobines Ll et L2 sont des bobines à air de forte puissance.
L'augmentation de la puissance des fours à
arc électrique installés ces dernières années a provoqué l'augmentation de la valeur du courant continu à fournir et aussi l'augmentation de la valeur des bobines d'induction à air. Ceci conduit à des bobines énormes et implique des pertes Joule importantes. Ces bobines d'induction sont en outre très encombrantes.
Elles posent donc divers problèmes relatifs à leur installation, leur montage, leur refroidissement ...
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a été réalisée pour optimiser les bobines d'induction de fortes puissances afin de réduire notamment leur encombrement et les pertes Joule qu'elles provoquent.
L'invention a pour objet une bobine d'induction à air pour fortes puissances formée par bobinage de barres creuses en matériau électriquement conducteur, caractérisé en ce qu'elle comprend au moins deux enroulements disposés coaxialement et l'un dans l'autre, les enroulements étant connectés en série de façon à conserver le même sens d'enroulement, la bobine d'induction présentant un rayon moyen A, une demi-section dans un plan comprenant l'axe de la bobine qui est de forme carrée de côté B, de sorte à satisfaire la relation : 2 PCT / EP2011 / 059429 AIR SMOOTHING COIL FOR HIGH POWER
DESCRIPTION
TECHNICAL AREA
The invention relates to coils Air induction for high power. Such induction coils are for example used for power supply of electric arc furnaces continued.
STATE OF THE PRIOR ART
Electrical power supplies of ovens DC arc use induction coils with air values varying between 100 pH and 1 mH. These reels can be traversed by currents up to 70 kA.
For arc furnace applications electric, it is known to use coils of induction consisting of monolayer solenoids square or hexagonal base.
Figure 1 is an explanatory diagram of a electrical installation for electric arc furnace continued. Reference 1 designates an arc furnace containing a metallic material 2 to be treated. The oven 1 is equipped, in the example shown, with a cathode 10 and two anodes 11 and 12. Two feed circuits electric are represented. A first circuit comprises a thyristor rectifier device 3 of which the outlet is connected between the cathode 10 and the anode 11 through an induction coil L1. A second circuit includes a thyristor rectifier device 4 whose output is connected between the cathode 10 and the anode 12 through an induction coil L2. The coils Ll and L2 are strong air coils power.
The increase of the power of ovens to electric arc installed in recent years has caused the increase in the value of the direct current to provide and also the increase in the value of air induction coils. This leads to coils huge and involves significant Joule losses. These induction coils are also very bulky.
They therefore pose various problems relating to their installation, assembly, cooling ...
STATEMENT OF THE INVENTION
The present invention has been realized for optimize high power induction coils to reduce in particular their size and the Joule losses that they cause.
The subject of the invention is a reel high-power air induction heater formed by winding of hollow bars made of electrically driver, characterized in that it comprises at least two windings arranged coaxially and one in the other, the windings being connected in series of way to keep the same winding direction, the coil of induction having a mean radius A, a half section in a plane including the axis of the coil that is square-shaped at side B, so as to satisfy the relationship :
3 2A < 6B < 6A.
Avantageusement, les enroulements sont constitués de spires polygonales, par exemple de spires hexagonales.
Les barres creuses peuvent être en aluminium ou en cuivre.
Les barres creuses formant des canaux pour la circulation d'un fluide de refroidissement, chaque enroulement peut posséder son propre circuit de refroidissement pour diminuer les pertes en charge.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des figures annexées parmi lesquelles :
-la figure 1, déjà décrite, est un schéma explicatif d'une installation électrique pour four à
arc à courant continu, selon l'art connu, -la figure 2 est une vue en coupe d'une bobine d'induction, la coupe étant faite dans un plan comprenant l'axe de la bobine, selon la présente invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L'idée qui est à la base de la présente invention consiste à emboîter des enroulements (ou bobines élémentaires) les uns dans les autres pour 3 2A <6B <6A.
Advantageously, the windings are consist of polygonal turns, for example turns hexagonal.
Hollow bars can be aluminum or copper.
Hollow bars forming channels for the circulation of a cooling fluid, each winding can own its own circuit cooling to reduce load losses.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
The invention will be better understood and others advantages and particularities will appear on reading description which follows, given as a non-limiting example, accompanied by figures annexed, among which:
FIG. 1, already described, is a diagram explanatory of an electrical installation for a furnace DC arc, according to the known art, FIG 2 is a sectional view of a induction coil, the cut being made in a plane including the axis of the coil, according to this invention.
DETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
The idea behind this The invention consists in fitting windings (or elementary coils) into each other for
4 constituer une bobine globale tout en essayant de se rapprocher du modèle de Brooks.
Le modèle de Brooks a été proposé en 1931 pour optimiser des bobines multicouches, à base de spires circulaires, réalisées avec du fil.
La bobine d'induction à air de la présente invention est réalisée à partir de barres creuses de forte section (typiquement de l'ordre de 20 000 mm2).
Pour une spire de la bobine, la forme optimale est la forme circulaire. Cette forme n'est pas exclue de la présente invention, cependant une telle géométrie est difficile à réaliser avec des barres de forte section.
On préférera donc une spire de base de forme polygonale constituée de barres droites mises bout à bout et soudées selon un angle correspondant au polygone choisi. Une spire de forme carrée est simple à réaliser mais n'est pas optimale. L'hexagone est plus proche du cercle et pas trop complexe d'un point de vue industriel. Il présente en outre l'avantage de réduire les efforts électromagnétiques dans les angles. On pourrait envisager des spires de formes plus compliquées, comme l'octogone par exemple. Cependant, le coût de fabrication serait alors plus élevé à cause du nombre accru de soudures.
La réalisation d'une simple bobine de type solénoïde ne permet pas de respecter les facteurs de forme du modèle de Brooks de manière à répondre à
l'équation 2A = 3C (A étant le rayon moyen de la bobine et C le côté du carré constituant la demi-section de la bobine dans le plan contenant son axe). En effet, cela nécessiterait d'utiliser des profilés de section très aplatie qui sont difficiles à réaliser industriellement. Les bobines de type solénoïde, lorsqu'elles sont réalisées en profilés (ou barres) refroidis par des canaux, sont alors très hautes et de 4 constitute a global coil while trying to bring closer to the Brooks model.
The Brooks model was proposed in 1931 to optimize multilayer coils, based on circular turns, made with wire.
The air induction coil of this invention is made from hollow bars of strong section (typically of the order of 20 000 mm 2).
For a turn of the coil, the optimal shape is the circular shape. This form is not excluded from the present invention, however such geometry is difficult to achieve with strong section bars.
We therefore prefer a basic turn of polygonal shape consisting of straight bars placed end to end and welded at an angle corresponding to the polygon selected. A square shaped coil is simple to make but is not optimal. The hexagon is closer to the circle and not too complex from a point of view industrial. It also has the advantage of reducing the electromagnetic forces in the angles. We could consider more shape turns complicated, like the octagon for example. However, the manufacturing cost would then be higher because increased number of welds.
The realization of a simple coil type solenoid does not respect the factors of shape of the Brooks model so as to respond to Equation 2A = 3C (A being the mean radius of the coil and C the side of the square constituting the half-section of the coil in the plane containing its axis). Indeed, this would require the use of very flattened that are difficult to achieve industrially. Solenoid type coils, when made of profiles (or bars) cooled by channels, are then very high and
5 grands diamètres.
Le fait d'emboîter des bobines élémentaires (ou enroulements) les unes dans les autres et de les brancher en série, selon la présente invention, permet théoriquement de parvenir au modèle de Brooks (2A = 3C
comme indiqué ci-dessus). Dans la pratique, on peut se satisfaire de la relation : 3A < 6B < 5A.
Les barres conductrices utilisées sont par exemple en aluminium extrudé. On pourrait également utiliser le cuivre, ou un autre matériau électriquement conducteur. Les barres étant creuses, l'intérieur forme des canaux permettant la circulation d'un fluide de refroidissement. La bobine selon l'invention peut avoir un seul circuit de refroidissement commun à chaque enroulement. Cependant, de meilleurs résultats sont obtenus si chaque enroulement possède son propre circuit de refroidissement. Les circuits de refroidissement sont alors mis en parallèle.
Le bobinage peut se faire du haut vers le bas, ou de l'intérieur vers l'extérieur, ou encore par une autre méthode. L'important est de conserver le même sens de bobinage pour les enroulements.
La figure 2 est une vue en coupe d'une bobine d'induction selon la présente invention, la coupe étant faite dans un plan comprenant l'axe de la bobine. 5 large diameters.
The fitting of elementary coils (or windings) into one another and from connect in series, according to the present invention, allows theoretically to reach the Brooks model (2A = 3C
as indicated above). In practice, we can satisfy the relation: 3A <6B <5A.
The busbars used are by example in extruded aluminum. We could also use copper, or other electrically driver. The bars being hollow, the interior forms channels allowing the circulation of a fluid of cooling. The coil according to the invention may have a single cooling circuit common to each winding. However, better results are obtained if each winding has its own cooling system. The circuits of cooling are then put in parallel.
Winding can be done from the top to the down, or from the inside to the outside, or by another method. The important thing is to keep the same winding direction for windings.
FIG. 2 is a sectional view of a induction coil according to the present invention, the cut being made in a plane including the axis of the coil.
6 La bobine d'induction 20 comprend, dans cet exemple de mise en oeuvre, trois enroulements coaxiaux :
un enroulement extérieur 21, un enroulement central 22 et un enroulement intérieur 23. Chaque enroulement comprend, dans cet exemple, cinq spires de forme polygonale (par exemple hexagonale). La demi-section 24 de la bobine présente une hauteur B et une largeur C.
Elle est située à une distance moyenne A de l'axe de la bobine. Des cales en matériau électriquement isolant sont prévues dans la bobine pour supporter les spires des enroulements et pour séparer les enroulements entre eux.
Pour satisfaire le modèle de Brooks, on fait en sorte que B = C, c'est-à-dire que la demi-section 24 est un carré. De même, on choisira A et B de sorte que 3A < 6B < 5A.
Pour une bobine d'inductance selon la présente invention, on constate, par rapport à une bobine de l'art antérieur constituée d'un simple solénoïde, de même valeur d'inductance et de même section de barre, une réduction de 40% du poids de la bobine, 25% de pertes Joules en moins et une hauteur réduite de trois fois. 6 The induction coil 20 comprises, in this example of implementation, three coaxial windings:
an outer winding 21, a central winding 22 and an inner winding 23. Each winding includes, in this example, five turns of form polygonal (eg hexagonal). The half section 24 the coil has a height B and a width C.
It is located at an average distance A from the axis of the coil. Shims made of electrically insulating material are provided in the coil to support the turns windings and to separate the windings between them.
To satisfy the Brooks model, one makes B = C, that is, the half Section 24 is a square. Similarly, we will choose A and B from so that 3A <6B <5A.
For an inductance coil according to present invention, it is found, with respect to a coil of the prior art consisting of a simple solenoid, of the same inductance value and of the same bar section, a 40% reduction in the weight of the coil, 25% less Joules losses and a height reduced by three times.
Claims (6)
conserver le même sens d'enroulement, la bobine d'induction présentant un rayon moyen A, une demi-section (24) dans un plan comprenant l'axe de la bobine qui est de forme carrée de côté B, de sorte à
satisfaire la relation :
2A <= 6B <= 6A. 1. Air induction coil (20) for high powers formed by winding hollow bars of electrically conductive material, characterized in it comprises at least two windings (21, 22, 23) arranged coaxially and one inside the other, the windings being connected in series so as to keep the same direction of winding, the coil of induction having a mean radius A, a half section (24) in a plane including the axis of the coil which is square-shaped with side B, so satisfy the relationship:
2A <= 6B <= 6A.
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