EP0113704A1 - Appareil de chauffage par induction à plusieurs charges oscillantes alimentées par un même onduleur à source de courant - Google Patents

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EP0113704A1
EP0113704A1 EP19840400004 EP84400004A EP0113704A1 EP 0113704 A1 EP0113704 A1 EP 0113704A1 EP 19840400004 EP19840400004 EP 19840400004 EP 84400004 A EP84400004 A EP 84400004A EP 0113704 A1 EP0113704 A1 EP 0113704A1
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EP
European Patent Office
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switch
inverter
inductor
induction heating
loads
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19840400004
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German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Marie Thouvenin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Societe dApplications de la Physique Moderne et de lElectronique SAPHYMO Stel
Original Assignee
Societe dApplications de la Physique Moderne et de lElectronique SAPHYMO Stel
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/04—Sources of current

Definitions

  • the invention relates to heating or induction heating devices for metal products in permanent travel, comprising several oscillating loads, the respective inductors of which are arranged in the path of these products and which are supplied by a single inverter of the current source type.
  • It relates, more particularly, to devices for regulating the power delivered by such an inverter to the oscillating loads which it supplies, each consisting of parallel resonant circuits, in particular as a function of an operating parameter, such as the outlet temperature or product running speed.
  • Such metallic products can be wires, cables, bars, billets or pieces, for example.
  • Such an induction fireside machine may be intended for heat treatment operations, such as surface hardening or annealing, or for preheating for machining, such as forging, extrusion, rolling or forming, for example, of the aforementioned products made of ferrous (steel) or non-ferrous metals or alloys. It is sometimes necessary to have several inductors on the product trajectory, each of them being according to the state of the art supplied by its respective inverter.
  • inverter with current source a DC-AC converter comprising thyristors or rectifiers controlled with unidirectional conduction, preferably connected in bridge (or half-bridge) whose input diagonal is joined to poles of the direct current source via at least one so-called smoothing inductor.
  • the output diagonal of the inverter is, preferably, assembled here at the terminals of at least one parallel resonant circuit, hence also the name of parallel inverter.
  • Inverters of this general type are described, for example, in the publications FR-A-1.311.479, 1.482.472, 1.502.490, 1.602.456, 2.001.919 or 2.228.318, and generally require the use of various starting circuits and / or methods known per se, making it possible to achieve their normal operation at the desired power.
  • a first coil of the inductor, adjacent to the jack, is normally intended to ensure the rise in temperature of the ferritic steel parts. which cross it, from room temperature to the Curie point (magnetic zone), the following coils (non-magnetic zone) used to heat them up to the forging temperature.
  • This first coil is here bypassed by a switch which enables it to be switched off without interrupting the supply of current to the other coils of the inductor.
  • the fireside Downstream of the field field exit, the fireside includes on the one hand, a detector of the presence of an available heated room, which makes it possible to indicate the arrival and removal of a heated room and on the other hand, a pyrometric scope which measures the temperature of the room leaving the oven.
  • a microprocessor respectively coupled to the detector, to the telescope, to the generator, to the actuator control device and switch, can command the closing of the latter to short-circuit the first coil.
  • the microprocessor is considered capable of allowing the modification of the rate of supply of parts to the furnace as a function of that of their removal, indicated by the detector, the maintenance of a constant outlet temperature using the indications provided by the telescope and by acting on the generator, and control of the preheating consecutive to each restart after stopping, because it is possible for it to store in memory the power supplied by the generator before and during stopping, the duration of the latter and perform calculations of the input energy necessary to obtain the forging temperature at the outlet.
  • the switch for short-circuiting the first coil is intended there only to close during a stop and to remain open throughout the normal operating time of the fireside chair. Consequently, this switch is liable to be subjected to significant stresses. Furthermore, the short circuit of one or more coils of a series arrangement of these, has the effect of changing the overall inductance of the inductor and, consequently, the resonance frequency of the oscillating circuit, it is a notable part. This requires the use of a generator controlled by the load which determines the frequency and when the latter is close to its upper limit value (determined, for example, by the recovery time of the thyristors), the operation of the generator at a higher frequency may become uneasy (power reduction), if not impossible. The heating energy supplied by the inductor all whole or by the coils remaining in circuit after closing the inductor is determined only by that supplied by the generator.
  • an induction heating device in which an inverter with voltage source and thyristors connected in half-bridge supplies several loads constituted by series resonant circuits, connected in parallel by the respective intermediary of bidirectional electronic switches, each composed of two thyristors connected head to tail (in antiparallel) or a triac, for example.
  • the power supplied to each load is adjustable by the duty cycle of its connection to the output terminals of the inverter, the bidirectional switches being respectively controlled using rectangular signals of variable duration. It is however necessary to periodically stop the inverter to allow simultaneous blocking of all electronic switches respectively in series with the resonant loads, their respective engagement can be controlled at different times, offset in time to allow obtaining different duty cycles.
  • one of the embodiments of the device recommends the use of the rectangular signal of maximum duration controlling one of the switches to determine the period of operation of the inverter, via a logic "OR" gate receiving all the rectangular signals for controlling the switches.
  • the induction heating device with several parallel resonant loads, supplied by a single inverter with current source, object of the invention, makes it possible to vary independently the power supplied by it to each of the heating inductors.
  • the subject of the invention is an apparatus for induction heating of moving metal products, in which several oscillating charges each comprising a heating inductor connected in parallel with a capacitor, are supplied by a single inverter of the current source type.
  • these loads connected in series between the output terminals of the inverter are respectively connected, in addition, possibly with the exception of one of them, in parallel with electronic switches with bidirectional conduction, which can be periodically controlled to be alternately open and closed, so that the average heating power of the inductors of each load is determined substantially independently, by the duty cycle of its alternating current supply by the inverter with source of current in continuous operation.
  • FIG. 1 is a block diagram of a heating or firing device of the state of the art, comprising an inverter 1 supplied by a rectifier 2 from the three-phase AC network.
  • the voltage of the three-phase alternating network brought to the input of rectifier 2 by cables R, S, T, is generally rectified there at full alternation using diodes or rectifiers controlled of the thyristor type, so as to provide a fluctuating DC voltage on its output.
  • One of the well-known methods for adjusting the average output voltage of rectifier 2 is, for example, by varying the phase delay of the thyristor ignition with respect to the zero crossings of each alternation of the voltage -alternative in each phase (called “AC PHASE CONTROL” in Anglo-American literature and described, for example, on pages 231 to 282 of the 5th edition of the American work entitled “SCR MANUAL”, edited and published by GENERAL ELECTRIC COMPANY in 1977, or on pages 88 to 102 of PEARMAN's American work entitled “POWER ELECTRONICS", published in 1980 by RESTON PUBLISHING COMPANY).
  • AC PHASE CONTROL phase delay of the thyristor ignition with respect to the zero crossings of each alternation of the voltage -alternative in each phase
  • the phase control rectifier can advantageously be! constitutes by a thyristor assembly in "double bridge".
  • the two bridges of such an assembly can then be controlled with a phase offset of 30 electrical degrees, one with respect to the other, so as to reduce the stresses imposed on the supply network. It can also include several bridges associated with each of the phases, which are then respectively controlled with appropriate phase shifts.
  • This average supply voltage of the inverter 1 subsequently determines the alternating power delivered by the latter to the load.
  • Control of phase shift or phase delay is performed by means of a circuit 3, either as a function of a control quantity displayed at its input 30, or as a function of an electric quantity T obtained using a sensor of the thermoelectric transducer type 4 measuring the temperature of the parts 5 which leave the field of the heating inductor 6, for example, by detecting the intensity of the infrared radiation which they emit, or also as a function of the speed of travel of the parts 5 in the field of the inductor 6 which can be given in the form of an analog or digital signal V by the device for transferring or conveying the parts to be heated 7 supplying the device.
  • the oscillating load 8 comprises a capacitor 9 connected in parallel with the latter.
  • the inductor 6 is shown here in series with a resistor 60 which symbolizes the power transferred by induction into the parts 5 and the specific ohmic losses of the parallel oscillating circuit 6-9 occurring in the damping of the latter and contributing to the determination of its effective overvoltage coefficient Q.
  • the output poles (+, -) of the rectifier 2 are respectively connected to the input terminals 11, 12 of the inverter 1 which comprises four thyristors 13, 14, 15 and 16 connected in bridge.
  • the junction of the anodes of the thyristors 13 and 14 is connected to the positive input terminal 11 by means of a smoothing inductor 17 of high value, which has the effect of rendering the inverter 1 of the current source type.
  • the cathodes of the thyristors 15 and 16 are connected together to the negative input terminal 12, either directly or by means of another smoothing inductor (not shown).
  • the junction of the thyristor cathode 14 with the thyristor anode 16 is connected to the output terminal 18 of the inverter 1 and that of the thyristor cathode 13 with the anode of the thyristor 15, to the output terminal 19 inverter 1.
  • the terminals 18 and 19 are respectively connected to those 80 and 81 of the oscillating load 8 which thus joins the diagonal of the alternating output of the thyristor bridge 13, 14, 15, 16.
  • the thyristors 14 and 15 are first simultaneously started, when the current stored in the smoothing inductor 16 and the voltage across the tuning capacitor 9 are sufficient to ensure inverter 1 normal operation (after the conventional start-up process).
  • the oscillating load 8 then begins a half-period of oscillation during which the voltage across the capacitor 9 passes through a maximum and then falls back to zero. A few tens of microseconds before the zero crossing of this voltage, the thyristors 13 and 16 are started and the thyristors 14 and 15 are blocked, thus allowing the oscillation of the oscillating load circuit to continue.
  • the alternating ignition of the two pairs of thyristors 14-15 and 13-16 is respectively controlled by two trigger circuits 145 and 136 of two triggers each.
  • This alternating and periodic triggering must be controlled by the oscillating load 8 according to its resonant frequency clean.
  • a control circuit 100 of the inverter 1 is connected to the output terminals 18, 19, so as to allow the detection of zero crossings of the voltage across the capacitor 9.
  • the inductor 6 can be composed of several inductors connected in series or in parallel. The distribution between them of the power supplied by the inverter which will then depend on the values of the effective inductance and the respective overvoltage coefficients thereof (which in turn depend on the coupling and the magnetic properties of the parts located in the fields various inductors), is not independently adjustable.
  • FIG. 2 is the block diagram of an induction heating apparatus in which two oscillating loads 8 and 83 are connected in series between the output terminals 18, 19 of an inverter of the current source type 1 of FIG. 1 and where the power supplied to the second load 83 can be regulated according to the invention, independently of that supplied to the first 8.
  • FIGS. 3A, 3B, and 3D are diagrams of the waveforms of the currents at various points of the circuit of FIG. 2, while FIG. 3C shows the waveform of the voltage across the terminals of the second load 83.
  • the first load 8 similar to that of FIG. 1, is supplied continuously during the operation of the inverter 1.
  • the power which it receives from it is regulated by means of the control device.
  • phase 32 of the priming of the thyristors of the rectifier 2 preferably, as a function of the running speed of the product to be heated.
  • a second load 83 it may prove necessary to control this power by means of the alternating voltage present between the terminals of its tuning capacitor 9 using a voltage measurement 130 providing a corresponding analog or digital signal, which can be compared with a setpoint variable chosen in particular as a function of the running speed V (or of the temperature T of the product outlet).
  • This comparison makes it possible to generate an error signal by means of which, when applied to the input 33 of the device for controlling the ignition phase 32, the average value of the DC output voltage of the output can be varied rectifier 2, applied to the inputs 11, 12 of the inverter 1, in order to cancel the error signal.
  • the comparison is carried out in a central computing and control unit 140 which here has other functions which are explained below.
  • the second oscillating load 83 which includes a heating inductor 61 with its series resistor 62, connected in parallel with one. capacitor 90, is shunted here by a bidirectional controlled switch 110 comprising thyristors 111, 112 connected head to tail, which has the effect, when open, of connecting the two oscillating loads 8 and 83 in series between the output terminals 18, 19 of the inverter 1 and, when closed, short-circuit the second load 83 so that the second terminal 81 of the first load 8 is substantially directly joined to that 19 of the inverter 1.
  • the two oscillating loads 8 and 83 preferably have substantially the same resonant frequency, so that the alternating voltage wave between the output terminals 18, 19 of the inverter 1, which is used for its autopilot, is substantially sinusoidal . It is however possible to admit a certain difference between the respective resonant frequencies of these loads 8 and 83, but it must be limited to a few tens of percent, for example, of that of load 8, so that the content of harmonics of the resulting voltage wave between terminals 18 and 19 is sufficiently reduced, so that between the beginning and the end of each oscillation period, it comprises only one passage through intermediate zero.
  • the current i supplied by the inverter 1 is represented by FIG. 3A. It has a rectangular or trapezoidal shape.
  • the outputs of this circuit 114 supply rectangular signals applied between trigger and cathode of each thyristor 111 and 112, in order to control them so that they are made alternately conductive and blocked at the same time.
  • the trigger currents i G which they cause are represented by the diagram in FIG. 3B.
  • such a control circuit 114 comprises a generator of periodic pulses of variable duration as a function of an electrical control quantity which depends in particular on the running speed of the product to be heated.
  • a generator can comprise in cascade a clock synchronized with one of the zero crossings of the voltage U 90 between the terminals 84 and 85, represented by the diagram of FIG. 3C (see at instant t 2 ) and a modulator conventional pulse width, triggered by this clock and controlled, as regards the duration of the pulses, using a voltage, for example, which corresponds to the desired average power.
  • the frequency of recurrence of the clock pulses is preferably generally lower than the frequency of the network, in order to reduce the interference due to switching, but the duration of a period T F (see FIGS.
  • alternating switch 110 comprising an opening interval T 0 and a consecutive closing interval T S , must be significantly less than the residence time of a section of the product to be heated in the field of the inductor 61.
  • the operating frequency (1 / T F ) can be chosen less than or equal to 15 Hz.
  • the operating frequency may be chosen equal to or greater than 70 Hz.
  • the residence time of the product in the induction furnace will be obtained by the ratio of the length of the inductor 61 at the running speed V of the product.
  • the opening of the switch 110 by the respective blocking of the thyristors 111 and 112 occurs automatically during the first zero crossing of the output current of the inverter i shown in FIG. 3A, at the instant t ,, which is immediately consecutive to the instant t of the cancellation of the trigger current 0 iG111 / 112 (see FIG. 3B), obtained by the application of a negative or zero trigger-cathode voltage, this is ie at the end of each positive rectangular signal.
  • the power supplied to the second oscillating load 83 is therefore controlled by the duty cycle of its supply, that is to say the ratio T o / T F of the duration of the opening period T o of the switch 110 to that of the operating period T F.
  • the average power supplied to the second load 83 is therefore the product of the maximum power that it receives during the permanent opening of the switch 110 with this duty cycle.
  • the power required to heat a metal product while traveling in the field of an inductor depends on many parameters, such as the transverse dimension (section) relative to that of the inductor, which determines the coupling, the resistivity of the metal or of the alloy, its magnetic properties (permeability) and their variation with temperature (Curie point) and desired production rates, i.e. - say scrolling speed.
  • the power necessary to reach, from ambient temperature, a desired outlet temperature is a function varying almost linearly with the running speed. It is therefore necessary to vary the opening duty cycle of the switch 110 as a function of this speed.
  • the other parameters must be taken into account when calculating the proportionality coefficient.
  • central computing and control unit 140 which is advantageously equipped with a microprocessor and interchangeable read-only memories which are previously programmed as a function of the product to be heated and which, in response to address words corresponding to the running speed V which is sent in the form of an analog voltage to the input 141, provides data corresponding to the average power necessary to reach the desired temperature.
  • a microprocessor and interchangeable read-only memories which are previously programmed as a function of the product to be heated and which, in response to address words corresponding to the running speed V which is sent in the form of an analog voltage to the input 141, provides data corresponding to the average power necessary to reach the desired temperature.
  • the peak (or rms) voltage between the terminals 84 and 85 of the capacitor 90 is measured during the opening periods T of the switch by means of another voltage measuring device 120 which supplies the input 143 of the central computing and control unit 140 an analog or digital quantity making it possible to calculate the peak power and, from this (stored during the periods of closure of the switch 110), the duty cycle ToIT F necessary to obtain the desired outlet temperature as a function of the running speed V.
  • the outlet 145 of the central computing and control unit 140 will then supply a command signal proportional to the calculated duty cycle, at control input 117 of circuit 114 so as to control the duration of the signals rectangular supplied by the thyristor trigger control outputs 111, 112. This gives independent control of the average power supplied by inverter 1 at the second load 83. If the power of inverter 1 varies for the same speed scrolling, the central computer unit 140 will vary the duty cycle in the opposite direction.
  • the power supplied by the inverter 1 to the first load 8 which is continuously supplied can be regulated by varying the average supply voltage of the inverter 1 by varying the phase d priming of the thyristors of the three-phase rectifier 2 as a function of the running speed V.
  • This is also carried out here by means of the central computing and control unit 140, the input 142 of which is connected to the output of the voltmeter 130 and whose output 144 for controlling the overall power of the inverter 1 is connected to the input 33 of the control device 32 of the ignition phase of the rectifier 2.
  • the second oscillating load 83 further comprises an additional inductance 63, called a protection inductor, connected in series with the tuning capacitor 90 between its terminals 84 and 86.
  • the value of this inductance 63 is preferably chosen to be less than one tenth of that of the heating inductor 61, so as to have little influence on the other parameters of this load 83. It makes it possible to protect the thyristors 111, 112 against rates d 'excessive increase in their anode currents (di / dt), when they start, as well as against the excessive rate of rise of their anode-cathode voltage, when they are blocked.
  • this protective inductor 63 forms with the capacitor 90 a parallel resonant circuit whose resonant frequency is significantly higher than that of the load 83.
  • this comprises in series with thyristors 111, 112 mounted head to tail, a resistor damping 113, preferably of low value, in order to limit the power dissipated in pure loss.
  • the damping of the oscillating circuit 90-63-113 being then given by the formula 0.5 R 113 C 90 / L 63 , it will be chosen to be between 0.25 and 0.60.
  • the current i 110 in the switch 110 has been represented by the diagram in FIG. 3D.
  • FIG. 4 represents the block diagram of an embodiment of the heater with several oscillating loads connected in series between the output terminals of a current source inverter, each of which is shunted by a switch controlled to be alternately open and closed, independently.
  • the two oscillating loads 82 and 83 are respectively connected in parallel with two switches 118 and 110 (analogous to that 110 in FIG. 2), each controlled from a central computing and control unit 150 in a similar manner to that described above, for example, for varying the duty cycle of switching on each load 82, 83 as a function of the running speed V of the product to be heated.
  • the two loads 82, 83 shunted by their respective switches 118, 110 being connected in series between the output terminals 18, 19 of the inverter combined with the rectifier 10, it is essential that one of the two loads is connected to the 'Inverter 10, when the other is short-circuited by its associated switch.
  • the central computing and control unit 150 of FIG. 4 must be arranged in such a way that it inhibits the simultaneous closing of the two switches 110, 118, which is achievable by means of logic gates (exclusive OR) , for example.
  • logic gates exclusive OR
  • the regulation of the power delivered to the other load in steady state must be carried out using a control signal from the priming phase of the controlled rectifiers, delivered by the output 154 of this central unit.
  • each of the n or n - 1 loads will be shunted by a power switch at bidirectional conduction, to allow independent adjustment of the power according to the invention.
  • FIGS. 5A and 5B are diagrams of the power to be supplied as a function of the speed V to two oscillating loads connected in series and arranged on the trajectory of billets or of steel plots, in an induction forging firing machine, represented on the Figure 2.
  • the movement of the parts 5 passing through the aligned axes 50 of two solenoidal inductors 61, 6 arranged side by side, is carried out from right to left.
  • the inductor 61 performs the preheating (up to the Curie point) and the heating of the product to the forging temperature and the inductor 6 equips the section for maintaining and homogenizing the temperature of the billets or slips scrolling in his field.
  • the power P 83 or Pc of the preheating and heating section (the inductor 61) varies substantially linearly with the running speed V up to the maximum speed V max '
  • the regulation of the power P83 as a function of the speed V is done here by the variation of the switching duty cycle by the switch 110, that is to say by the control of the duty cycle of the load 83.
  • the power supplying the load 8 ( Figure 2) can be regulated by varying the ignition phase at the rectifier 2 ( Figure 2) as a function of the speed V as in the case of a load single ( Figure 1).
  • the inverter 1 (10) can deliver to the two loads 83, 8 (82) the maximum power (zero phase shift) and the single switch 110 or the two switches 110 and 118 will remain open permanently.
  • the maximum power P Mmax of the holding section (8, 82) will be of the order of a quarter of the maximum power P Cmax of the heating section (83).
  • FIGS. 6A and 6B respectively show diagrams of the variations of the power applied as a function of the running speed at two sections (loads) of a heater of a metal wire (or of a cable) in view of its annealing, for example, arranged according to the block diagram of FIG. 4.
  • FIG. 6A illustrates the theoretical evolution of the power applied to the load 82 (of FIG. 4) which is used only for starting the induction annealing device for catching up the lengths of cable or wire which have not been heated by the heating section constituted by the load 83 (of FIG. 4). It is generally called the "dead end" make-up section and it is located downstream of the heating section, the power of which varies according to the diagram in FIG. 6B.
  • the maximum power that is supplied to the rat- tra p section a g e (P Rmax) is generally less than or equal to one sixth of the maximum power delivered to the heating section (P Cmax).
  • the oscillating load 83 of the heating section receives a linearly increasing power with speed V, the growth of which is determined by that of the duty cycle of switch 110, while the load 82 of the take-up section which remains permanently supplied receives a linearly decreasing power with speed.
  • the power supplied to the catch-up load 82 which decreases linearly is regulated by the phase shift of the priming of the rectifier (2, FIG. 2), up to a speed V (greater than V o ).
  • the heating power was regulated by the duty cycle of the supply of the load 83, using the switch 110 shunting the inductor of heating and the make-up power was regulated by the decrease in the average supply voltage of the inverter 10, that is to say the increase in the phase delay of the ignition of the thyristor-rectifiers, without any closing of the switch 118 bypassing the make-up load 80, the duration of the opening of the switch 110 has increased sufficiently (to compensate for the decrease in the supply voltage of the inverter 10) so that from speed V 1 , the sum of the respective opening times of the two switches 110, 118 is greater than or at least equal to their common operating period (T F , FIGS. 3A to 3D).
  • the duration of the opening of the switch 110 increases linearly with the increase in the speed V, while that of the switch 118 decreases.
  • the opening time T o110 of the switch 110 becomes equal to the operating period T F , while that T o118 of the switch 118 becomes zero.
  • the heating load 83 is therefore continuously supplied, while the make-up load 82 remains short-circuited.
  • the heating power P C supplied to the oscillating load 83 is regulated with a steeper slope, only by the gradual decrease from the tripping delay of the thyristors of the three-phase rectifier to a zero phase shift which corresponds to an average maximum supply voltage of the inverter and, consequently, to a maximum heating power P Cmax , represented in FIG. 6B.
  • the main advantage of the invention is to allow the heating to be easily adapted to the desired production rates, as well as to products of different materials and dimensions.
  • the invention is not limited to the embodiments and operations described and illustrated, given by way of illustrative example, but applies to other induction heating devices with inverter of the current source type which must supply several oscillating loads, each of which must provide independently variable heating power.

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Abstract

Appareil de chauffage ou chauffeuse par induction dans lequel plusieurs charges oscillantes sont alimentées par un onduleur à source de courant unique. Chacune des charges oscillantes (82, 83) comprend un inducteur de chauffage faisant partie d'un circuit résonnant parallèle. Ces charges (82, 83) sont reliées en série entre les bornes de sortie (18, 19) d'un onduleur (10). Elles sont respectivement connectées en parallèle avec des interrupteurs électroniques de puissance (118, 110) qui permettent de réguler par les variations des rapports cycliques d'alimentation respectifs de ces charges (82, 83), la puissance fournie par l'onduleur (10) à chacune d'elles (82, 83), de façon sensiblement indépendante. Dans des chauffeuses de forge (pour lopins ou billettes) par induction, l'invention permet de réguler la puissance de chauffage en fonction de la vitesse de défilement ou de la température de sortie des pièces. Dans des chauffeuses de fils ou de câbles, elle permet, en outre, le rattrapage des "bouts morts" au démarrage ou au démarrage de l'installation après un arrét.

Description

  • L'invention concerne des appareils de chauffage ou chauffeuses par induction de produits métalliques en défilement permanent, comprenant plusieurs charges oscillantes dont les inducteurs respectifs sont disposés sur la trajectoire de ces produits et qui sont alimentées par un même onduleur du type à source de courant.
  • Elle se rapporte, plus particulièrement, à des dispositifs de régulation de la puissance délivrée par un tel onduleur aux charges oscillantes qu'il alimente, constituées chacune par des circuits résonnants parallèles, notamment en fonction d'un paramètre d'exploitation, tel que la température de sortie ou la vitesse de défilement du produit.
  • Ces produits métalliques peuvent être des fils, des câbles, des barres, des billettes ou des lopins, par exemple. Une telle chauffeuse par induction en défilé peut être destinée à des opérations de traitement thermique, telles que la trempe superficielle ou le recuit, ou de préchauffage pour usinage, telles que le forgeage, l'extrusion, le laminage ou le formage, par exemple, des produits susmentionnés en métaux ou alliages ferreux (acier) ou non-ferreux. Il est parfois nécessaire de disposer plusieurs inducteurs sur la trajectoire du produit, chacun d'eux étant selon l'état de la technique alimenté par son onduleur respectif. On comprendra dans ce qui suit par onduleur à source de courant, un convertisseur continu-alternatif comprenant des thyristors ou redresseurs commandés à conduction unidirectionnelle, connectés, de préférence, en pont (ou demi-pont) dont la diagonale d'entrée est réunie aux pôles de la source de courant continu par l'intermédiaire d'au moins une inductance dite de lissage. La diagonale de sortie de l'onduleur est, de préférence, réunie ici aux bornes d'au moins un circuit résonnant parallèle, d'où également l'appellation d'onduleur parallèle. Des onduleurs de ce type général sont décrits, par exemple, dans les publications FR-A-1.311.479, 1.482.472, 1.502.490, 1.602.456, 2.001.919 ou 2.228.318, et nécessitent généralement l'emploi de divers circuits et/ou de procédés de démarrage connus en soi, permettant d'atteindre leur fonctionnement normal à la puissance désirée.
  • Il est connu de connecter plusieurs inducteurs de chauffage en série ou en parallèle dans une charge résonnante alimentée par un onduleur (voir dans la publication FR-A-2.179.697), éventuellement de manière sélective, au moyen d'interrupteurs (voir dans les publications FR-A-2.206.644 ou 2.275.105).
  • Dans la publication FR-A-2 494 953, on a décrit une installation de chauffage par induction de produits métalliques qui avancent de manière intermittente ou continue, dans le champ magnétique alternatif produit par un inducteur composé de plusieurs bobines solénoïdales reliées en série et disposées en alignement coaxial sur la trajectoire des pièces à chauffer. Le montage série de bobines constituant l'inducteur y est monté en parallèle avec un condensateur pour former un circuit résonnant parallèle unique dont les bornes sont reliées à celles d'un générateur de courant alternatif de moyenne fréquence. L'introduction et l'avancement des pièces dans le champ de l'inducteur y sont assurés au moyen d'un vérin-pousseur fonctionnant en va-et-vient et situé en amont de l'inducteur. Une première bobine de l'inducteur, adjacente au vérin, est normalement destinée à assurer la montée en température des pièces en acier ferritique. qui la traversent, de la température ambiante jusqu'au point de Curie (zone magnétique), les bobines suivantes (zone amagnétique) servant à les chauffer jusqu'à la température de forgeage. Cette première bobine est ici shuntée par interrupteur qui permet de la mettre hors circuit sans interrompre la fourniture de courant aux autres bobines de l'inducteur. En aval de la sortie du champ de l'inducteur, la chauffeuse comprend d'une part, un détecteur de présence d'une pièce chauffée disponible, qui permet d'indiquer l'arrivée et l'enlèvement d'une pièce chauffée et d'autre part, une lunette pyrométrique qui mesure la température de la pièce sortant du four. Lors d'un arrêt de l'avance des pièces dans l'inducteur pouvant être provoqué par le détecteur signalant la présence prolongée de l'une d'elles en sortie, un microprocesseur respectivement couplé au détecteur, à la lunette, au générateur, au dispositif de commande du vérin et à l'interrupteur, peut commander la fermeture de ce dernier pour court-circuiter la première bobine. Le microprocesseur y est, en outre, considéré capable de permettre la modification du rythme d'alimentation en pièces du four en fonction de celui de leur enlèvement, indiqué par le détecteur, le maintien d'une température de sortie constante à l'aide des indications fournies par la lunette et en agissant sur le générateur, et le pilotage du préchauffage consécutif à chaque redémarrage après arrêt, du fait qu'il lui est possible de stocker en mémoire la puissance fournie par le générateur avant et pendant l'arrêt, la durée de celui-ci et d'effectuer des calculs de l'énergie d'apport nécessaire à l'obtention de la température de forgeage en sortie.
  • L'interrupteur court-circuitant la première bobine, dont le genre n'a pas été spécifié, y est prévu uniquement pour se fermer au cours d'un arrêt et pour rester ouvert pendant toute la durée de fonctionnement normal de la chauffeuse. Par conséquent, cet interrupteur est susceptible d'être soumis à des contraintes importantes. Par ailleurs, le court-circuit d'une ou de plusieurs bobines d'un montage série de celles-ci, a pour effet de changer l'inductance globale de l'inducteur et, par conséquent, la fréquence de résonance du circuit oscillant dont il fait partie, de façon notable. Ceci impose l'utilisation d'un générateur piloté par la charge qui en détermine la fréquence et lorsque cette dernière est proche de sa valeur limite supérieure (déterminée, par exemple, par le temps de récupération des thyristors), le fonctionnement du générateur à une fréquence plus élevée peut devenir malaisé (réduction de la puissance), sinon impossible. L'énergie de chauffage fournie par l'inducteur tout entier ou par les bobines restant en circuit après la fermeture de l'inducteur n'est déterminée que par celle fournie par le générateur.
  • Dans la publication FR-A-2.284.245, on a décrit un appareil de chauffage par induction dans lequel un onduleur à source de tension et à thyristors connectés en demi-pont alimente plusieurs charges constituées par des circuits résonnants série, connectées en parallèle par l'intermédiaire respectif d'interrupteurs électroniques bidirectionnels, composés chacun de deux thyristors connectés tête-bêche (en antiparallèle) ou d'un triac, par exemple. La puissance fournie à chaque charge est réglable par le rapport cyclique de sa connection aux bornes de sortie de l'onduleur, les interrupteurs bidirectionnels étant respectivement commandés à l'aide de signaux rectangulaires de durée variable. Il y est toutefois nécessaire d'arrêter périodiquement l'onduleur pour permettre le blocage simultané de tous les interrupteurs électroniques respectivement en série avec les charges résonnantes, leur enclenchement respectif pouvant être commandé à des instants différents, décalés dans le temps pour permettre d'obtenir des rapports cycliques différents. Comme il n'est pas possible de faire fonctionner un onduleur en pont ou en demi-pont (dont l'un des éléments peut être un diviseur capacitif) sans charge résonnante, l'un des modes de réalisation de l'appareil préconise l'utilisation du signal rectangulaire de durée maximale commandant l'un des interrupteurs pour déterminer la période de fonctionnement de l'onduleur, par l'intermédiaire d'une porte logique "OU" recevant tous les signaux rectangulaires de commande des interrupteurs.
  • Un tel fonctionnement intermittent n'est pas aisément applicable à des onduleurs du type à source de courant qui présentent des problèmes au démarrage susmentionnés et qui sont avantageusement utilisés avec des charges oscillantes à résonance parallèle que l'on ne peut pas réunir en parallèle sans altérer leur fréquence de résonance. Il est, en outre, impossible de régler indépendamment la puissance fournie à chaque inducteur, lorsque ceux-ci sont connectés en série et shuntés par un condensateur unique pour former un circuit oscillant.
  • L'appareil de chauffage par induction à plusieurs charges résonnantes parallèles, alimentées par un même onduleur à source de courant, objet de l'invention, permet de faire varier de manière indépendante la puissance fournie par celui-ci à chacun des inducteurs de chauffage.
  • L'invention a pour objet un appareil de chauffage par induction de produits métalliques en défilement, dans lequel plusieurs charges oscillantes comprenant chacune un inducteur de chauffage connecté en parallèle avec un condensateur, sont alimentées par un onduleur unique du type à source de courant.
  • Suivant l'invention, ces charges connectées en série entre les bornes de sortie de l'onduleur, sont respectivement connectées, en outre, éventuellement à l'exception de l'une d'elles, en parallèle avec des interrupteurs électroniques à conduction bidirectionnelle, qui peuvent être périodiquement commandés pour être alternativement ouverts et fermés, de telle sorte que la puissance moyenne de chauffage des inducteurs de chaque charge soit déterminée de manière sensiblement indépendante, par le rapport cyclique de son alimentation en courant alternatif par l'onduleur à source de courant en fonctionnement permanent.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres de ses objets, caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit et des dessins annexés s'y rapportant, donnés à titre d'exemple, sur lesquels :
    • - la figure 1 représente le schéma synoptique simplifié d'un appareil de chauffage par induction ayant un onduleur à source de courant de l'état de la technique avec une charge oscillante (LC parallèle) unique ;
    • - la figure 2 illustre de manière synoptique un appareil dans lequel un onduleur de la figure 1 alimente plusieurs charges oscillantes dont la seconde est régulée en puissance indépendamment de la première, suivant l'invention ;
    • - les figures 3A à 3D représentent respectivement des diagrammes des formes d'onde de trois courants et d'une tension en divers points du circuit de la figure 2 ;
    • - la figure 4 illustre un mode de réalisation de l'appareil de chauffage par induction où les deux charges oscillantes qu'alimente l'onduleur sont alimentées périodiquement de manière indépendante ;
    • - les figures 5A et 5B montrent des diagrammes des puissances respectivement consommées par les deux charges oscillantes d'une chauffeuse de forge, en fonction de la vitesse de défilement des billettes ou lopins;
    • - les figures 6A et 6B montrent des diagrammes analogues dans une chauffeuse de fils ou câbles (recuit) avec rattrapage du bout mort, en fonction de la vitesse de défilement ; et
    • - les figures 7A et 7B montrent des diagrammes de l'impédance des interrupteurs de régulation de puissance en fonction du temps, pendant la régulation des deux charges oscillantes en série.
  • La figure 1 est un schéma synoptique d'un appareil de chauffage ou chauffeuse de l'état de la technique, comprenant un onduleur 1 alimenté par l'intermédiaire d'un redresseur 2 à partir du réseau alternatif triphasé.
  • La tension du réseau alternatif triphasé, amené à l'entrée du redresseur 2 par des câbles R, S, T, y est généralement redressée à double alternance à l'aide de diodes ou de redresseurs commandés du type thyristor, de façon à fournir une tension continue fluctuante sur sa sortie. L'une des méthodes de réglage de la tension moyenne de sortie du redresseur 2 bien connue, est constituée, par exemple, par la variation du retard de phase de l'amorçage de thyristors par rapport aux passages par zéro de chaque alternance de la tension-alternative dans chaque phase (appelée "A.C. PHASE CONTROL" dans la littérature anglo-américaine et décrite, par exemple, aux pages 231 à 282 de la 5éme édition de l'ouvrage américain intitulé "SCR MANUAL", édité et publié par la GENERAL ELECTRIC COMPANY en 1977, ou aux pages 88 à 102 de l'ouvrage américain de PEARMAN intitulé "POWER ELECTRONICS", publié en 1980 par RESTON PUBLISHING COMPANY).
  • Le redresseur à commande de phase peut avantageusement être! constitue par un montage à thyristors en "double pont". Les deux ponts d'un tel montage peuvent alors être commandés avec un décalage de phase de 30 degrés électriques, l'un par rapport à l'autre, de façon à réduire les contraintes imposées au réseau d'alimentation. II peut également comprendre plusieurs ponts associés à chacune des phases, qui sont alors respectivement commandées avec des décalages de phase appropriés.
  • Cette tension moyenne d'alimentation de l'onduleur 1 détermine par la suite la puissance alternative délivrée par celui-ci à la charge. La commande du déphasage ou du retard de phase (inférieur à
    Figure imgb0001
    ) est effectuée au moyen d'un circuit 3, soit en fonction d'une grandeur de commande affichée à son entrée 30, soit en fonction d'une grandeur électrique T obtenue à l'aide d'un senseur du type transducteur thermo-électrique 4 mesurant la température des pièces 5 qui sortent du champ de l'inducteur de chauffage 6, par exemple, en détectant l'intensité du rayonnement infrarouge qu'ils émettent, ou encore en fonction de la vitesse de défilement des pièces 5 dans le champ de l'inducteur 6 qui peut être donnée sous la forme d'un signal analogique ou numérique V par le dispositif de transfert ou de convoyage des pièces à chauffer 7 alimentant l'appareil.
  • Pour que la pièce 5 sortante atteigne une température donnée, on peut faire varier soit la vitesse de défilement des pièces 5 dans le champ de l'inducteur 6, soit la puissance que l'on fournit à ce dernier. La vitesse de défilement déterminant le temps de chauffage de la pièce 5, il est évident que lorsque celui-ci varie, la puissance fournie à l'inducteur doit varier en sens inverse de ce temps, c'est-à-dire proportionnellement à la vitesse.
  • Outre l'inducteur 6, la charge oscillante 8 comprend un condensateur 9 connecté en parallèle avec celui-ci. L'inducteur 6 est représenté ici en série avec une résistance 60 qui symbolise la puissance transférée par induction dans les pièces 5 et les pertes ohmiques propres du circuit oscillant parallèle 6-9 intervenant dans l'amortissement de celui-ci et concourant à la détermination de son coefficient de surtension Q effectif.
  • Les pôles (+, -) de sortie du redresseur 2 sont respectivement reliés aux bornes d'entrée 11, 12 de l'onduleur 1 qui comporte quatre thyristors 13, 14, 15 et 16 connectés en pont. La jonction des anodes des thyristors 13 et 14 est reliée à la borne d'entrée positive 11 au moyen d'une inductance de lissage 17 de forte valeur, qui a pour effet de rendre l'onduleur 1 du type à source de courant. Les cathodes des thyristors 15 et 16 sont reliées ensemble à la borne d'entrée négative 12, soit directement, soit au moyen d'une autre inductance de lissage (non représentée).
  • La jonction de la cathode du thyristor 14 avec l'anode du thyristor 16 est reliée à la borne de sortie 18 de l'onduleur 1 et celle de la cathode du thyristor 13 avec l'anode du thyristor 15, à la borne de sortie 19 de l'onduleur 1.
  • Les bornes 18 et 19 sont respectivement reliées à celles 80 et 81 de la charge oscillante 8 qui réunit ainsi la diagonale de sortie alternative du pont de thyristors 13, 14, 15, 16.
  • Afin de réunir la charge 8 aux pôles du redresseur 2, on amorce d'abord simultanément les thyristors 14 et 15, lorsque le courant stocké dans l'inductance de lissage 16 et la tension aux bornes du condensateur d'accord 9 sont suffisants pour assurer à l'onduleur 1 un fonctionnement normal (après le processus de démarrage classique). La charge oscillante 8 commence alors une demi-période d'oscillation durant laquelle la tension aux bornes du condensateur 9 passe par un maximum pour ensuite redescendre à zéro. Quelques dizaines de microsecondes avant le passage par zéro de cette tension, les thyristors 13 et 16 sont amorcés et les thyristors 14 et 15 se bloquent, permettant ainsi la continuation de l'oscillation du circuit de charge oscillante. L'amorçage alterné des deux paires de thyristors 14-15 et 13-16 est respectivement commandé par deux circuits de déclenchement 145 et 136 de deux gâchettes chacun. Ce déclenchement alterné et périodique doit être piloté par la charge oscillante 8 suivant sa fréquence de résonance propre. A cette fin un circuit de commande 100 de l'onduleur 1 est relié aux bornes de sortie 18, 19, de manière à permettre la détection des passages par zéro de la tension aux bornes du condensateur 9.
  • Il est à noter que l'inducteur 6 peut être composé de plusieurs inducteurs reliés en série ou en parallèle. La répartition entre eux de la puissance fournie par l'onduleur qui dépendra alors des valeurs de l'inductance effective et des coefficients de surtension respectifs de ceux-ci (qui dépendent à leur tour du couplage et des propriétés magnétiques des pièces situées dans les champs des divers inducteurs), n'est pas réglable de manière indépendante.
  • La figure 2 est le schéma synoptique d'un appareil de chauffage par induction dans lequel deux charges oscillantes 8 et 83 sont connectées en série entre les bornes de sortie 18, 19 d'un onduleur du type à source de courant 1 de la figure 1 et où la puissance fournie à la seconde charge 83 peut être régulée suivant l'invention, de manière indépendante de celle fournie à la première 8.
  • Les figures 3A, 3B, et 3D sont des diagrammes des formes d'onde des courants en divers points du circuit de la figure 2, tandisque la figure 3C montre la forme d'onde de la tension aux bornes de la seconde charge 83.
  • Dans l'appareil de la figure 2, la première charge 8 analogue à celle de la figure 1, est alimentée en permanence pendant le fonctionnement de l'onduleur 1. La puissance qu'elle en reçoit est régulée au moyen du dispositif de commande de la phase 32 de l'amorçage des thyristors du redresseur 2, de préférence, en fonction de la vitesse de défilement du produit à chauffer. Toutefois, comme elle est reliée en série avec une seconde charge 83, il peut s'avérer nécessaire de contrôler cette puissance au moyen de la tension alternative présente entre les bornes de son condensateur d'accord 9 à l'aide d'un dispositif de mesure de tension 130 fournissant un signal analogique ou numérique correspondant, qui peut être comparé à une grandeur de consigne choisie notamment en fonction de la vitesse de défilement V (ou de la température T de sortie du produit). Cette comparaison permet d'engendrer un signal d'erreur au moyen duquel, lorsqu'il est appliqué à l'entrée 33 du dispositif de commande de la phase d'amorçage 32, on peut faire varier la valeur moyenne de la tension continue de sortie du redresseur 2, appliquée aux entrées 11, 12 de l'onduleur 1, en vue d'annuler le signal d'erreur. Dans le cas présent la comparaison est effectuée dans une unité centrale de calcul et de commande 140 qui a ici d'autres fonctions qui sont expliquées plus loin.
  • La seconde charge oscillante 83 qui comprend un inducteur de chauffage 61 avec sa résistance série 62, connecté en parallèle avec un . condensateur 90, est shuntée ici par un interrupteur bidirectionnel commandé 110 comprenant des thyristors 111, 112 connectés tête-bêche, qui a pour effet, lorsqu'il est ouvert, de brancher les deux charges oscillantes 8 et 83 en série entre les bornes de sortie 18, 19 de l'onduleur 1 et, lorsqu'il est fermé, de court-circuiter la seconde charge 83 de telle sorte que la seconde borne 81 de la première charge 8 est sensiblement directement réunie à celle 19 de l'onduleur 1. Les deux charges oscillantes 8 et 83 ont de préférence, sensiblement la même fréquence de résonance, afin que l'onde de tension alternative entre les bornes de sortie 18, 19 de l'onduleur 1, qui est utilisée pour son autopilotage, soit sensiblement sinusoïdale. Il est toutefois possible d'admettre une certaine différence entre les fréquences de résonance respectives de ces charges 8 et 83, mais elle doit être limitée à quelques dizaines de pour cent, par exemple, de celle de la charge 8, de telle sorte que le contenu d'harmoniques de l'onde de tension résultante entre les bornes 18 et 19 soit suffisamment réduite, afin qu'entre le début et la fin de chaque période d'oscillation, elle ne comporte qu'un seul passage par zéro intermédiaire.
  • Le courant i fourni par l'onduleur 1 est représenté par la figure 3A. Il a une forme rectangulaire ou trapézoïdale.
  • Il est en outre nécessaire de synchroniser l'amorçage des thyristors 111, 112 effectuant la fermeture de l'interrupteur 110, avec un passage par zéro de la tension alternative U90 représentée par le diagramme de la figure 3C, prélevée aux bornes du condensateur d'accord 90 de la seconde charge 83, qui est en parallèle avec le second inducteur de chauffage 61. A cettè fin, les bornes 84, 85 du condensateur 90 sont reliées à un détecteur de passage par zéro 115 qui fournit des impulsions de déclenchement permettant de synchroniser le début des périodes de fermeture de l'interrupteur 110, à l'entrée de commande 116 d'un circuit de commande 114 de l'interrupteur 110. Les sorties de ce circuit 114 fournissent des signaux rectangulaires appliqués entre gâchette et cathode de chaque thyristor 111 et 112, afin de les commander de telle sorte qu'ils soient rendus en même temps alternativement conducteurs et bloqués. Les courants de gâchette iG qu'ils provoquent sont représentés par le diagramme de la figure 3B.
  • En général, un tel circuit de commande 114 comporte un générateur d'impulsions périodiques de durée variable en fonction d'une grandeur électrique de commande qui dépend notamment de la vitesse de défilement du produit à chauffer. Un tel générateur peut comprendre en cascade une horloge synchronisée avec l'un des passages par zéro de la tension U90 entre les bornes 84 et 85, représentée par le diagramme de la figure 3C (voir à l'instant t2) et un modulateur de largeur d'impulsion classique, déclenché par cette horloge et commandé, en ce qui concerne la durée des impulsions, à l'aide d'une tension, par exemple, qui correspond à la puissance moyenne désirée. La fréquence de récurrence des impulsions d'horloge est, de préférence, généralement inférieure à la fréquence du réseau, afin de réduire les interférences dûes à la commutation, mais la durée d'une période TF (voir figures 3A à 3D) du fonctionnement alterné de l'interrupteur 110 comprenant un intervalle d'ouverture T 0 et un intervalle de fermeture TS consécutifs, doit être notablement inférieure au temps de séjour d'une section du produit à chauffer dans le champ de l'inducteur 61. Pour des charges oscillantes à fréquence de résonance relativement peu élevée (inférieure à 3 kHz), la fréquence de fonctionnement (1/TF) pourra être choisie inférieure ou égale à 15 Hz. Pour des charges oscillantes à fréquence de résonance plus élevée (de l'ordre de 10 kHz ou plus), la fréquence de fonctionnement pourra être choisie égale ou supérieure à 70 Hz. Le temps de séjour du produit dans le four à induction sera obtenu par le rapport de la longueur de l'inducteur 61 à la vitesse de défilement V du produit.
  • Il est à remarquer ici que l'ouverture de l'interrupteur 110 par le blocage respectif des thyristors 111 et 112 se produit automatiquement lors du premier passage par zéro du courant de sortie de l'onduleur i représenté sur la figure 3A, à l'instant t,, qui est immédiatement consécutif à l'instant t de l'annulation du courant 0 de gâchette iG111/112 (voir figure 3B), obtenue par l'application d'une tension gâchette-cathode négative ou nulle, c'est-à-dire à la fin de chaque signal rectangulaire positif.
  • On remarquera également que lorsque les signaux rectangulaires de commande des thyristors 111, 112 de l'interrupteur 110 sont transmis au moyen de transformateurs d'impulsion, il est nécessaire d'en découper chacun en un train d'impulsions de durées suffisamment brèves pour que la chute d'amplitude à leur fin ne soit pas notable et avec des intervalles de séparation entre deux impulsions successives du train suffisamment brefs pour éviter des désamorçages intempestifs de ces thyristors.
  • La puissance fournie à la seconde charge oscillante 83 est donc commandée par le rapport cyclique de son alimentation, c'est-à-dire le rapport To/TF de la durée de la période d'ouverture To de l'interrupteur 110 à celle de la période de fonctionnement TF. La puissance moyenne fournie à la seconde charge 83 est donc le produit de la puissance maximale qu'elle reçoit lors de l'ouverture permanente de l'interrupteur 110 avec ce rapport cyclique.
  • La puissance nécessaire pour chauffer un produit métallique en défilement dans le champ d'un inducteur dépend de nombreux paramètres, tels que la dimension transversale (section) par rapport à celle de l'inducteur, qui détermine le couplage, la résistivité du métal ou de l'alliage, ses propriétés magnétiques (perméabilité) et leur variation avec la température (point de Curie) et des cadences de production désirées, c'est-à-dire de la vitesse de défilement. Pour un produit de nature et de dimension transversale données, la puissance nécessaire pour atteindre à partir de la température ambiante, une température de sortie désirée est une fonction variant quasi-linéairement avec la vitesse de défilement. Il convient donc de faire varier le rapport cyclique d'ouverture de l'interrupteur 110 en fonction de cette vitesse. Il faut toutefois tenir compte des autres paramètres pour calculer le coefficient de proportionnalité. Ceci est effectué dans l'unité centrale de calcul et de commande 140 qui est avantageusement équipée d'un microprocesseur et de mémoires mortes interchangeables qui sont préalablement programmées en fonction du produit à chauffer et qui, en réponse à des mots d'adresse correspondant à la vitesse de défilement V qui est envoyée sous la forme d'une tension analogique à l'entrée 141, fournit une donnée correspondant à la puissance moyenne nécessaire pour atteindre la température désirée. Pour obtenir la valeur du rapport cyclique d'ouverture de l'interrupteur 110, il faut diviser cette puissance moyenne par la puissance crête effectivement fournie pendant ces périodes d'ouverture T . A cette fin, la tension crête (ou efficace) entre les bornes 84 et 85 du condensateur 90 est mesurée pendant les périodes d'ouverture T de l'interrupteur au moyen d'un autre dispositif de mesure de tension 120 qui fournit à l'entrée 143 de l'unité centrale de calcul et de commande 140 une grandeur analogique ou numérique permettant de calculer la puissance crête et, à partir de celle-ci (stockée pendant les périodes de fermeture de l'interrupteur 110), le rapport cyclique ToIT F nécessaire à l'obtention de la température de sortie désirée en fonction de la vitesse de défilement V. La sortie 145 de l'unité centrale de calcul et de commande 140 fournira alors un signal de commande proportionnel au rapport cyclique calculé, à l'entrée de commande 117 du circuit 114 de façon à commander la durée des signaux rectangulaires fournis par les sorties de commande des gâchettes des thyristors 111, 112. On obtient ainsi une commande indépendante de la puissance moyenne fournie par l'onduleur 1 à la seconde charge 83. Si la puissance de l'onduleur 1 varie pour une même vitesse de défilement, l'unité centrale de calcul 140 fera varier le rapport cyclique en sens inverse.
  • Comme il a été mentionné précédemment, la puissance fournie par l'onduleur 1 à la première charge 8 qui est alimentée en permanence, peut être régulée en faisant varier la tension d'alimentation moyenne de l'onduleur 1 par la variation de la phase d'amorçage des thyristors du redresseur triphasé 2 en fonction de la vitesse de défilement V. Ceci est également effectué ici par l'intermédiaire de l'unité centrale de calcul et de commande 140 dont l'entrée 142 est reliée à la sortie du voltmètre 130 et dont la sortie 144 de commande de la puissance globale de l'onduleur 1 est reliée à l'entrée 33 du dispositif de commande 32 de la phase d'amorçage du redresseur 2.
  • Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la seconde charge oscillante 83 comporte, en outre, une inductance supplémentaire 63, dite de protection, reliée en série avec le condensateur d'accord 90 entre ses bornes 84 et 86. La valeur de cette inductance 63 est choisie, de préférence, inférieure au dixième de celle de l'inducteur de chauffage 61, pour n'influer que peu sur les autres paramètres de cette charge 83. Elle permet de protéger les thyristors 111, 112 contre des taux d'accroissement excessifs de leurs courants anodiques (di/dt), lors de leur amorçage, ainsi que contre la vitesse de montée excessif de leur tension anode-cathode, lors de leur blocage.
  • Lors de l'amorçage des thyristors, cette inductance de protection 63 forme avec le condensateur 90 un circuit résonnant parallèle dont la fréquence de résonance est notablement supérieure à celle de la charge 83. Pour amortir ce circuit oscillant 63-90 pendant la fermeture de l'interrupteur 110, celui-ci comprend en série avec les thyristors 111, 112 montés tête-bêche, une résistance d'amortissement 113, de préférence, de faible valeur, afin de limiter la puissance dissipée en pure perte. L'amortissement du circuit oscillant 90-63-113 étant alors donné par la formule 0,5 R 113 C90/L63, il sera choisie pour être compris entre 0,25 et 0,60. Le courant i 110 dans l'interrupteur 110 a été représenté par le diagramme de la figure 3D.
  • La figure 4 représente le schéma synoptique d'un mode de réalisation de l'appareil de chauffage à plusieurs charges oscillantes connectées en série entre les bornes de sortie d'un onduleur à source de courant, dont chacune est shuntée par un interrupteur commandé pour être alternativement ouvert et fermé, de manière indépendante.
  • Sur la figure 4, les deux charges oscillantes 82 et 83 (analogues à celle 83 de la figure 2) sont respectivement connectées en parallèle avec deux interrupteurs 118 et 110 (analogues à celui 110 de la figure 2), commandés chacun à partir d'une unité centrale de calcul et de commande 150 de manière semblable à celle décrite précédemment, par exemple, pour faire varier le rapport cyclique de la mise en circuit de chaque charge 82, 83 en fonction de la vitesse de défilement V du produit à chauffer. Les deux charges 82, 83 shuntées par leurs interrupteurs respectif 118, 110 étant connectées en série entre les bornes de sortie 18, 19 de l'onduleur combiné avec le redresseur 10, il est indispensable que l'une des deux charges soit connectée à l'onduleur 10, lorsque l'autre est court-circuitée par son interrupteur associé. Autrement dit, pour obtenir un fonctionnement permanent de l'onduleur 10, il est interdit de fermer simultanément les deux interrupteurs 110, 118, ce qui mettrait les sorties 18, 19 de l'onduleur 10 en court-circuit. Il est toutefois possible, lorsque l'on désire délivrer une puissance maximale, de maintenir les deux interrupteurs 110, 118 ouverts en permanence. Lorsque l'un 118 des interrupteurs reste constamment ouvert et l'autre 110 est alternativement fermé et ouvert selon un rapport cyclique correspondant à la puissance moyenne désirée, on est ramené au cas de la figure 2 discuté auparavant.
  • Par conséquent, l'unité centrale de calcul et de commande 150 de la figure 4 doit être agencée de telle sorte qu'elle inhibe la fermeture simultanée des deux interrupteurs 110, 118, ce qui est réalisable au moyen de portes logiques (OU exclusif), par exemple. D'autre part, lorsque la puissance appelée par l'une des charges oscillantes 82, 83 est nulle, la régulation de la puissance délivrée à l'autre charge en régime permanent devra être effectuée à l'aide d'un signal de commande de la phase d'amorçage des redresseurs commandés, délivré par la sortie 154 de cette unité centrale.
  • Il est bien entendu que, lorsque l'onduleur unique à source de courant doit alimenter un nombre n, entier et supérieur à deux, de charges oscillantes connectées en série, chacun des n ou n - 1 charges seront shuntées par un interrupteur de puissance à conduction bidirectionnelle, afin de permettre le réglage indépendant de la puissance suivant l'invention.
  • Les figures 5A et 5B sont des diagrammes de la puissance à fournir en fonction de la vitesse V à deux charges oscillantes connectées en série et disposées sur la trajectoire de billettes ou de lopins en acier, dans une chauffeuse de forge par induction, représentée sur la figure 2. Le déplacement des pièces 5 passant par les axes alignés 50 de deux inducteurs solénoidaux 61, 6 disposés côte à côte, s'effectue de droite à gauche. L'inducteur 61 réalise le préchauffage (jusqu'au point de Curie) et la chauffe du produit jusqu'à la température de forgeage et l'inducteur 6 équipe la section de maintien et d'homogénéisation de la température des billettes ou lopins défilant dans son champ.
  • On voit sur la figure 5A que la puissance P 83 ou Pc de la section de préchauffage et de chauffe (l'inducteur 61) varie sensiblement linéairement avec la vitesse de défilement V jusqu'à la vitesse maximale Vmax' La régulation de la puissance P83 en fonction de la vitesse V se fait ici par la variation du rapport cyclique de commutation par l'interrupteur 110, c'est-à-dire par la commande du rapport cyclique d'alimentation de la charge 83.
  • Sur la figure 58, on peut voir, par contre, que la puissance P8 (ou P82) à fournir à la section de maintien (inducteur 6) varie relativement peu avec la vitesse V. Cette puissance varie en effet entre une valeur minimale PM min pour une vitesse V nulle et une puissance de maintien maximale PMmax pour une vitesse maximale Vmax de défilement. La pente de la variation de la puissance P en fonction de la vitesse V étant ici relativement faible, on peut choisir d'alimenter la section de maintien à puissance constante en gardant l'interrupteur (118 de la figure 4) ouvert en permanence ou en l'omettant entièrement (voir charge 8 de la figure 2). Dans ce dernier cas, la puissance alimentant la charge 8 (figure 2) peut être régulée par la variation de la phase d'amorçage au niveau du redresseur 2 (figure 2) en fonction de la vitesse V comme dans le cas d'une charge unique (figure 1). De toute façon à la vitesse maximale Vmax, l'onduleur 1 (10) peut délivrer aux deux charges 83, 8 (82) la puissance maximale (déphasage nul) et l'interrupteur unique 110 ou les deux interrupteurs 110 et 118 resteront ouverts en permanence. En général, la puissance maximale PMmax de la section de maintien (8, 82) sera de l'ordre du quart de la puissance maximale PCmax de la section de chauffe (83).
  • Les figures 6A et 6B montrent respectivement des diagrammes des variations de la puissance appliquée en fonction de la vitesse de défilement à deux sections (charges) d'un appareil de chauffage d'un fil métallique (ou d'un câble) en vue de son recuit, par exemple, agencé selon le schéma synoptique de la figure 4.
  • La figure 6A illustre l'évolution théorique de la puissance appliquée à la charge 82 (de la figure 4) qui sert uniquement au démarrage de l'appareil de recuit par induction pour le rattrapage des longueurs de câble ou de fil qui n'ont pas été chauffées par la section de chauffage constituée par la charge 83 (de la figure 4). Elle est généralement appelée section de rattrapage du "bout mort" et elle est située en aval de la section de chauffage dont la puissance varie selon le diagramme de la figure 6B.
  • La puissance maximale qui est fournie à la section de rat- trapage (PRmax) est généralement inférieure ou égale au sixième de la puissance maximale fournie à la section de chauffage (PCmax).
  • Sur les diagrammes des figures 6A et 6B, on voit que la puissance PR (P82) appliquée à la section de rattrapage (82 de la figure 4) augmente linéairement avec la vitesse à partir d'une vitesse nulle jusqu'à une vitesse Vo pour y atteindre sa valeur maximale PRmax, tandisque celle PC de la section de chauffage (83 de figure 4) reste nulle entre V = O et V = Vo. La régulation de la puissance de rattrapage PR dans cette gamme de vitesses est effectuée uniquement par le déphasage de l'amorçage du redresseur-(2, figure 2), l'interrupteur 118 (figure 4) restant ouvert en permanence afin que la sortie de l'onduleur 10 soit chargée par un circuit oscillant 82 et l'interrupteur 110 restant fermé pour court-circuiter la section de chauffage (83).
  • A partir de la vitesse V , la charge oscillante 83 de la section de chauffage reçoit une puissance linéairement croissante avec la vitesse V dont la croissance est déterminée par celle du rapport cyclique de l'interrupteur 110, tandisque la charge 82 de la section de rattrapage qui reste alimentée en permanence reçoit une puissance linéairement décroissante avec la vitesse.
  • La puissance fournie à la charge de rattrapage 82 qui décroit- linéairement est régulée par le déphasage de l'amorçage du redresseur (2, figure 2), jusqu'à une vitesse V (supérieure à Vo).
  • A partir de la vitesse V et jusqu'à une vitesse V2 supérieure à V1, la régulation des puissances respectivement appliquées aux charges de rattrapage 82, qui décroît, et de chauffage 83, qui croît sensiblement linéairement avec la vitesse de défilement V jusqu'à une valeur PC2 à la vitesse V2, est effectuée par la variation du rapport cyclique de leur alimentation respective en courant alternatif à partir de l'onduleur 10 fonctionnant en régime permanent.
  • Du fait qu'entre les vitesses Vo et V1, la puissance de chauffage a été régulée par le rapport cyclique de l'alimentation de la charge 83, à l'aide de l'interrupteur 110 shuntant l'inducteur de chauffage et la puissance de rattrapage a été régulée par la diminution de la tension moyenne d'alimentation de l'onduleur 10, c'est-à-dire l'augmentation du retard de phase de l'amorçage des thyristors-redresseurs, sans aucune fermeture de l'interrupteur 118 shuntant la charge de rattrapage 80, la durée de l'ouverture de l'interrupteur 110 a augmenté suffisamment (pour compenser la diminution de la tension d'alimentation de l'onduleur 10) pour qu'à partir de la vitesse V1, la somme des durées d'ouverture respectives des deux interrupteurs 110, 118 soit supérieure ou au moins égale à leur période de fonctionnement commune (TF, figures 3A à 3D). On peut obtenir ainsi, en synchronisant le début de chaque intervalle d'ouverture de l'interrupteur de rattrapage 118 avec la fin de celui de l'interrupteur de chauffage 110, que les bornes de sortie 17, 18 de l'onduleur 10 soient interconnectées en permanence par l'intermédiaire d'au moins une charge oscillante (82 ou 83). La puissance de chauffage Pc ayant déjà été régulée antérieurement à l'instant où la vitesse V a été atteinte, par un accroissement du rapport cyclique d'ouverture de l'interrupteur 110, une telle synchronisation implique un intervalle au cours duquel les deux charges oscillantes 80 et 83 sont connectées en série. Cet intervalle sera appelé intervalle de recouvrement TR et il est illustré sur les figures 7A et 7B représentant respectivement des diagrammes des impédances des deux interrupteurs Z110 et Z 118 en fonction du temps.
  • On voit sur la figure 7A, qu'à l'instant t1 de la fin de l'intervalle d'ouverture de l'interrupteur 110 son impédance Z110 devient nulle. Du fait de la synchronisation susmentionnée, à ce même instant, l'interrupteur 118 s'ouvre et son impédance Z 118' représentée sur la figure 7B, prend une valeur très élevée par rapport à celle de la charge 82 qu'il shunte. A l'instant t2, l'interrupteur 110 est réouvert, tandisque l'interrupteur 118 reste ouvert jusqu'à l'instant t3, indiquant qu'au cours de l'intervalle de recouvrement TR compris entre t2 et t3, les deux charges 82 et 83 sont alimentées en série. A l'instant t3, l'interrupteur 118 se referme en court-circuitant la charge de rattrapage 82 et il reste fermé jusqu'à l'instant t4 de fermeture de l'interrupteur 110.
  • Comme représenté sur les figures 6A et 6B, entre les vitesses de défilement V et V2, la durée de l'ouverture de l'interrupteur 110 augmente linéairement avec l'augmentation de la vitesse V, tandisque celle de l'interrupteur 118 diminue. Lorsque la vitesse V2 est atteinte, la durée d'ouverture To110 de l'interrupteur 110 devient égale à la période de fonctionnement TF, tandisque celle To118 de l'interrupteur 118 devient nulle. Autrement dit, la charge de chauffage 83 est dès lors alimenté en permanence, tandisque la charge de rattrapage 82 reste court-circuitée.
  • A partir de la vitesse V2 (puissance PC2) et jusqu'à la vitesse maximale Vmax, la régulation de la puissance de chauffage PC fournie à la charge oscillante 83 est effectuée avec une pente plus raide, uniquement par la diminution progressive du retard d'amorçage des thyristors du redresseur triphasé jusqu'à un déphasage nul qui correspond à une tension moyenne d'alimentation maximale de l'onduleur et, par conséquent, à une puissance de chauffage maximale PCmax, représentée sur la figure 6B.
  • Toute la gestion de ces différents modes de régulation et les passages de l'un à l'autre en fonction de la vitesse de défilement du fil ou du câble à recuire par induction, est effectuée au moyen de l'unité centrale de calcul et de commnde 150 (figure 4) qui peut être réalisée avantageusement à l'aide d'un microprocesseur ou d'un automate programmable.
  • Le principal avantage de l'invention est de permettre d'adapter aisément le chauffage aux cadences de production désirées, ainsi qu'à des produits de matériaux et de dimensions différentes.
  • L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et d'exploitation décrits et illustrés, donnés à titre d'exemple illustratif, mais s'applique à d'autres appareils de chauffage par induction à onduleur du type source de courant devant alimenter plusieurs charges oscillantes dont chacune doit fournir une puissance de chauffage variable de manière indépendante.

Claims (10)

1. Appareil de chauffage par induction de produits métalliques en défilement, dans lequel plusieurs charges oscillantes (8, 83, 82) comprenant chacune un inducteur de chauffage (6, 61) connecté en parallèle avec un condensateur (9, 90), sont alimentées par un onduleur unique (1, 10) du type à source de courant, caractérisé en ce que ces charges (8, 83, 82) connectées en série entre les bornes de sortie (17, 18) de l'ondùleur (1, 10), sont respectivement connectées, en outre, éventuellement à l'exception de l'une (8) d'elles, en parallèle avec des interrupteurs électroniques à conduction bidirectionnelle (110, 118), qui peuvent être périodiquement commandées pour être alternativement ouverts et fermés, de telle sorte que la puissance moyenne de chauffage des inducteurs (6, 61) de chaque charge (8, 83, 82) soit déterminée de manière sensiblement indépendante, par le rapport cyclique de son alimentation en courant alternatif par l'onduleur (1, 10) à source de courant en fonctionnement permanent.
2. Appareil de chauffage par induction suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport cyclique déterminant la puissance de chauffage moyenne de l'inducteur (61) de chaque charge (83, 82) shuntée par un interrupteur (110, 118), est élaboré err fonction de la vitesse de défilement ou de la température de sortie du produit, à l'aide d'une unité centrale de calcul et de commande (140, 150).
3. Appareil de chauffage par induction suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la puissance de chauffage de celle (8) des charges (8, 80, 83) dont l'interrupteur (110, 118) parallèle est ouvert en permanence ou qui en est dépourvue, est régulée en fonction de la vitesse ou de la température précitées, par le retard de phase de l'amorçage des redresseurs commandés par rapport aux passages par zéro des alternances de la tension du réseau, à partir de l'unité central de calcul et de commande (140, 150), de façon à faire varier la tension d'alimentation moyenne de l'onduleur (1, 10).
4. Appareil de chauffage par induction suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les deux modes de régulation des puissances délivrées par la variation du rapport cyclique d'alimentation des charges (82, 83) au moyen des interrupteurs parallèles (110, 118) et par la variation de la tension moyenne d'alimentation de l'onduleur (1, 10) sont respectivement commandés par l'unité centrale de calcul et de commande (140, 150) et utilisés de manière combinée.
5. Appareil de chauffage par induction suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque interrupteur électronique commandé à conduction bidirectionnelle (110, 118) comprend deux thyristors (111, 112) connectés en anti-parallèle en ce qui concerne leurs trajets anode-cathode respectifs (tête-bêche).
6. Appareil de chauffage par induction suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune des charges oscillantes (83, 82) connectées en parallèle avec un interrupteur (110, 118) comprend, en outre, une inductance de protection (63) de celui-ci, formant avec le condensateur d'accord (90) un montage série (90, 63) qui est connecté en parallèle avec l'inducteur de chauffage (61) de la charge (83) et qui forme, avec ce condensateur (90), lors de la fermeture de l'interrupteur (110, 118), un circuit oscillant.
7. Appareil de chauffage par induction suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'inductance de protection (63) présente une valeur inférieure ou égale au dixième de celle de l'inducteur de chauffage (61) auquel elle est associée.
8. Appareil de chauffage par induction suivant l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'interrupteur (110, 118) est connecté en série avec une résistance d'amortissement (113) entre les bornes (84, 86) de sa charge oscillante (83) associée.
9. Appareil de chauffage par induction suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la valeur de la résistance d'amortissement (118) est choisie de telle sorte que l'amortissement du circuit oscillant (90-63), réalisé lors de la fermeture de l'interrupteur (110), soit comprise entre 0,25 et 0,6.
10. Appareil de chauffage par induction suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit commandant (114, 115) périodiquement l'ouverture et la fermeture alternées de l'interrupteur (111), qui comprend un détecteur de passages par zéro (115) dont les entrées sont réunies aux bornes (84, 85) du condensateur (90) d'accord de la charge oscillante associée (83), est agencé de manière à synchroniser chacune des fermetures de l'interrupteur avec un passage par zéro de la tension aux bornes de ce condensateur (90).
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