EP2491760A1 - Procede de chauffage par induction mis en oeuvre dans un dispositif comprenant des inducteurs couples magnetiquement - Google Patents

Procede de chauffage par induction mis en oeuvre dans un dispositif comprenant des inducteurs couples magnetiquement

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EP2491760A1
EP2491760A1 EP10785478A EP10785478A EP2491760A1 EP 2491760 A1 EP2491760 A1 EP 2491760A1 EP 10785478 A EP10785478 A EP 10785478A EP 10785478 A EP10785478 A EP 10785478A EP 2491760 A1 EP2491760 A1 EP 2491760A1
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ref
inductors
current
mes
currents
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Yves Neau
Yvan Lefevre
Philippe Ladoux
Pascal Maussion
Gilbert Manot
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
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Electricite de France SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
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    • H05B6/36—Coil arrangements
    • H05B6/44—Coil arrangements having more than one coil or coil segment

Definitions

  • Induction heating method implemented in a device comprising magnetically coupled inductors
  • the present invention relates to an induction heating method implemented in a heating device of a metal part such as a metal sheet or a bar, the device comprising magnetically coupled inductors.
  • magnetic coupling is meant that the inductors produce between them mutual inductions.
  • Patent Application WO 00/28787 A1 discloses a system for heating a tubular metal part by induction coils fed via a dimmer type interrupt circuit connected to an inverter type power source.
  • a control circuit makes it possible to vary the duration of the power injected by the power source to each coil in order to heat different different zones of the metal part differently in view of a desired temperature profile.
  • the injection of power into a coil is therefore done in "all or nothing", that is to say, it can be prevented on a cycle corresponding to several periods of the This system nevertheless has drawbacks, and in particular it makes it possible to control only the average power produced by each coil without being able to precisely control the temperature profile generated by the coils in the heated room.
  • connection of the coils and the inverters must be to a certain extent defined according to the load and the temperature profile to be achieved.
  • this document does not mention the magnetic couplings between the circuits nor how to get rid of them or to take them into account.
  • the present invention aims to solve these disadvantages and to provide a heating method taking into account the many couplings, on the one hand between the different inductors and on the other hand between the inductors and the part to be heated, to allow control with a good accuracy the temperature profile generated by the inductors.
  • the invention aims in particular to be able to adjust the heating to different desired temperature profiles in real time, by acting on the control of inverters supplying the inductors and without the need to adjust the structure of the inductors.
  • the subject of the invention is an induction heating method implemented in a device for heating a metal part, the device comprising magnetically coupled inductors, each inductor being powered by an inverter of its own and associated with a capacitor to form an oscillating circuit, said oscillating circuits having at least approximately the same resonance frequency, each inverter being controlled by a control unit so as to vary the amplitude and phase of the current flowing through the corresponding inductor , the device further comprising means for determining said current as well as means for determining an effective temperature profile of said metal part, said method comprising the following steps:
  • the currents passing through the inductors are determined in order to compare them with said target values and to determine current differences to be corrected, and control commands are sent to said control units as a function of said current differences in order to control the inverters in a to correct the currents passing through the inductors.
  • the capacitances of said capacitors are determined, and said matrix of impedances is associated with a vector capabilities;
  • an initial value of said impedance matrix is determined for a given initial average temperature of said inductors and said part, and then the modified impedance matrix is determined at variable or periodic intervals for at least one value increased by said average temperature, and said modified impedance matrix is used to recalculate said target values;
  • step (c) is carried out at least once to reduce said differences in currents to be corrected, and then steps (a), (b) are repeated at least once and (c) updating said effective temperature profile by temperature measurements in different heated areas of the room; for the determination by calculation of said target values in step (b), by virtue of the knowledge of said vector image functions, image functions of the power densities are calculated according to the spatial characteristics of the zones of the part in which said power densities are injected, and one calculates a optimized vector of the target currents to be determined by minimizing the difference between each of said power density image functions and a reference power density function corresponding to said reference power density profile;
  • an inverter having the highest current with respect to the other inverters in the case of a current inverter or the highest voltage in the case of a voltage inverter, and offset angles are introduced. the controls of the other inverters with respect to a control angle on the reference inverter;
  • the reference inverter is regulated with a duty cycle equal to 2/3, in order to reduce the harmonic disturbances created by this inverter on these neighbors; the rms value of the current in said reference inverter is regulated by acting on a continuous supply which supplies the inverters.
  • the invention also relates to an induction heating device comprising:
  • each inductor being associated with a capacitor to form an oscillating circuit, said oscillating circuits having at least approximately the same resonance frequency;
  • inverters each supplying an inductor of its own, each inverter being controlled by a control unit so as to vary the amplitude and the phase of the current flowing through the corresponding inductor;
  • calculation means based on the knowledge of an impedance matrix, of the target currents to be delivered by the inverters so that the inductor currents achieve appropriate target values for injecting into said part said reference power density profile;
  • the inverters are supplied by the same power supply source of current or source of voltage
  • said means for comparing said determined currents passing through the inductors comprise comparator units each receiving determined parameters of a current flowing through an inductor and parameters of the corresponding target values and each being connected to a unit for processing said current gaps, one of said units comparators further receiving parameters representative of what delivers said power supply and its associated processing unit being adapted to generate control instructions sent to said power supply so as to modify the current or voltage it delivers.
  • Figure 1 shows schematically a first example of an induction heating device in which the heating method according to the invention can be implemented, applied to heating a fixed metal disc.
  • Figure 2 schematically shows a modeling of the system with three coupled inductors of Figure 1, seen from the power supply.
  • Figure 3 schematically shows the induction heater of Figure 1, applied to the heating of a sheet that is moved.
  • Figure 4 schematically shows a second example of induction heating device, applied to the heating of a metal bar that is moved.
  • Figure 5 shows schematically a third example of induction heating device, applied to the heating of a sheet that is moved.
  • Figure 6 schematically shows a fourth example of induction heating device, applied to the heating of a sheet that is moved.
  • FIG. 7 schematically represents an image function of the power density calculated from an optimized vector of the currents making it possible to minimize the difference between said function and a reference function of power density.
  • FIG. 8 schematically represents a first embodiment of an induction heating device according to the invention in which the supply of the inverters is a current source.
  • FIG. 9 schematically represents a second embodiment of an induction heating device according to the invention in which the supply of the inverters is a voltage source.
  • the exemplary heating device relates to a non-magnetic metal disk configuration heated by transverse flux using three pairs of twin coils, which has the advantage of keeping the axisymmetric aspect of the problem.
  • each coil placed on one side of the disk is connected in series with its twin coil on the other side to form a single inductor. In this way, the system is rotational invariant.
  • the electromagnetic materials of the system have a constant and unitary permeability.
  • Each inductor is powered by a UPS of its own type (voltage inverter) or parallel type (inverter current).
  • N 3.
  • the impedance matrix must be complete to account for all coupling effects.
  • the determination of this matrix can be complex, several analytical or numerical means, or measurements online and continuously by injecting particular signals, can be implemented.
  • L represents the mutual inductances between inductors
  • R represents the own resistances of each inductor; represents the equivalent resistances due to induced currents.
  • p represents the specific heat capacity
  • ⁇ represents the thermal conductivity
  • the system is invariant along the axis of revolution of the sheet disk and in the thickness of the sheet.
  • the power density along the radius of the zone considered is calculated by the following equation:
  • J represents the vector current density defined on the radius ⁇ in the room
  • J R (r, x) and J / (r, x) representing the real and imaginary components of this vector as a function of radius of the considered area.
  • the exemplary system is completely linear, that is to say in particular without ferromagnetic materials or hysteresis. We can therefore apply the superimposition theorem of sources for each of the power supplies of the three inductors. It should be noted that a similar principle can be implemented in a non-linear system. We thus obtain image functions of the current densities as a function of the radius ⁇ of the annular zone considered of the heated disk, each image function being representative of the relation linking the current density Jk (r), created by an inductor, to the current lk feeding this inductor. These image functions are vectorial and have real and imaginary components defined in the following way: Finally, in our example with three inductors, the vector calculation of the total current density induced in the annular zone of radius r of the disk can be expressed as follows:
  • the image function of the current density is determined, the image function of the power density ⁇ P ⁇ r ' X ⁇ and determined by the relationships of equations (3) and (4) above. It is furthermore advantageous to optimize by calculation the vector of unknowns x.
  • the optimization problem consists in calculating an optimized vector x making it possible to minimize the difference between the image function of the density
  • Do ref (r) power and a reference power density function ' which corresponds to a reference power density profile that is to be injected into the metal disk.
  • This reference power density function takes for example a constant value if we are looking for a temperature homogeneity on the disk. It is however possible to have a non-constant function in order to obtain particular heating profiles.
  • the Applicant has carried out tests with different reference power density functions corresponding, for example, to sinusoidal or triangular profiles in the radial direction of the disc, and the results are very satisfactory.
  • This method of resolution can easily be enlarged to take into account several dimensions of a disk, for example three if in addition to the radius one takes into account the angular position and the thickness of material of the zone considered, while taking into account also the equality of the reactive compensation required at the terminals of each coil so that the three oscillating circuits oscillate at very similar frequencies. We would thus pass from a vector to five unknowns to a vector with eighteen unknowns, without changing the physical system.
  • Figure 8 is shown schematically a first embodiment of an induction heating device according to the invention, wherein the supply 1 of the inverters is a DC source.
  • the heating device comprises inductors Indl, Ind2,..., Indp, magnetically coupled, each inductor being supplied with a current inverter 01, O2,..., Op, which is specific to it and is associated with a capacitor C 1. ; C 2 ,..., C p , to form an oscillating circuit OC1, OC2, ..., OCp.
  • the inverters of current are put in series with the power supply 1.
  • Each inverter generally comprises bidirectional electronic switches, and is controlled by a control unit also called modulator Ml, M2, ..., Mp.
  • Each modulator designs control commands for the switches in the form of pulses, and the offset in time of these commands makes it possible to vary the amplitude A 1; A 2 , ..., A p , and the phase ⁇ 1; ⁇ 2 , ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ , of the current I 1; I 2 , ..., I p , passing through the corresponding inductor.
  • the variation of the amplitude of the current output current of each inverter is effected by introducing an offset angle on the signal generated by the modulator controlling the inverter.
  • the offset angles on the other inverters can be introduced with respect to a control angle on the reference inverter.
  • the control on the reference inverter can be carried out for example with a duty cycle equal to 2/3, that is to say a control angle of 30 °.
  • the oscillating circuits have at least approximately the same resonance frequency, which maximizes the efficiency of the induction since the inductors work substantially at this frequency, and also reduces the losses in the inverters.
  • the periodic control signals of the inverters generated by the modulators therefore have substantially the same frequency.
  • phase ⁇ 1; ⁇ 2 , ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ , of a current L, I 2 , ..., I p , crossing an inductor it is enough to shift in time the control signal of the corresponding inverter, it is that is, to apply the same time offset to all of the control commands of the inverter switches.
  • the offset can either be late or in advance compared to the control signal of the inverter of another inductor taken as a reference.
  • Means for determining the amplitude and phase parameters of the currents I 1; I 2 , ..., I p , inductors, not shown in the figure, are provided to provide these parameters to comparator units ⁇ 1; ⁇ 2 , ..., ⁇ ⁇ .
  • These determination means may consist for example of current transformers each arranged in series with an inductor, but other means are possible. One could for example measure the active current supplied by the inverter to the oscillating circuit, and calculate the current in the inductor using the parameters of inductance and capacitance.
  • the effective temperature profile is for example determined continuously during the heating and is regularly compared to a temperature profile of reference 9 l re f, 6 2 f, ⁇ ⁇ ⁇ , e n f, corresponding to the desired final heating profile for the room and previously entered in a memory. This comparison is performed by a comparator 2, which can integrate said memory.
  • the result is processed by a calculator which, from an equation deduced from the equation of heat and possibly simplified as equation (2) above, calculates the reference power density profile Dp ref i, Dp ref 2 , ..., Dp ref n that the heater must inject into the room to reach the reference temperature profile.
  • the computer may consist of a memory in which is entered an array of pre-calculated reference power density profiles corresponding to different actual temperature profiles for one or more room configurations and one or more reference power density profiles.
  • a calculator establishes the target currents to be delivered by the inverters so that the currents of the inductors reach appropriate target values L re f, I 2 re f ,. . ., Ip ref, to inject into the room the reference power density profile.
  • This calculation uses the matrix of impedances Z with the vectorial image functions and preferably the vector of the capacities of the oscillating circuits, defined previously.
  • Comparative units ⁇ 1; ⁇ 2 , ..., ⁇ ⁇ compare the measured or calculated current parameters Ii mes , I 2 mes,. . ., I p mes , inductors at the target values Il ref, I 2 re f ,. . .
  • correction currents CORR processing units 1; CORR 2 ,. . ., CORRp, amplitude and phase parameters these correction currents generate correction instructions sent to the modulators to control the inverters so as to correct the amplitudes and phase shifts of the currents flowing through the inductors.
  • phase shifts are used as real-time adjustment parameters of the power density to be injected into the heated room, which is made possible by taking into account the complete impedance matrix as explained in what follows. above. In other words, phase shifts are used as control parameters of the temperature profile.
  • the modified impedance matrix Z moc is used to recalculate the target currents.
  • the calculation of the target currents can be carried out whenever the average temperature ⁇ measured substantially reaches a new value increased by one of a series of predetermined values.
  • the current inverter supplying the inductor of lower impedance for example the coil Ind1 in the example of FIG. 1, is chosen as the reference inverter since the current in this inductor is greater than that in the other inductors. inductors, is preferably used as a phase reference.
  • the current inverter having the highest current, or the voltage inverter having the highest voltage in the case where the supply 1 of the inverters is a voltage source as represented in FIG. 9, can be taken as the inverter of reference.
  • the reference inverter can be advantageously adjusted with a duty cycle of 2/3, ie it is controlled so as to generate a square wave of 120 ° ON and 60 ° OFF per half-period. .
  • This aims to cancel the harmonic of order 3 and its multiples in order to reduce the harmonic disturbances created by this inverter on these neighbors. It is understood that the duty cycle of the reference inverter is not necessarily set to 2/3. For example, a command in full wave may be preferred in some cases.
  • the rms value of the current in the reference inverter can be set by action on the DC supply 1 current or voltage. This has the advantage of having a vector of unknowns (see previous relation 1) in which the phase of the current in the inductor Indl has been eliminated, which simplifies obtaining the optimized vector x as in the example described previously. It is understood that one can alternatively adjust the rms value of the current in the reference inverter by introducing offset angles on the control of this inverter. In FIG. 8, the current 1 being taken as a phase reference, it is advantageous for the corresponding comparator unit E to receive the parameters of the current I c mes delivered by the continuous supply 1.
  • the unit of The associated processing CORRi will be adapted to generate control instructions sent to the power supply 1 via a control modulator M '1, so as to modify the current delivered by the inverter 01 to the oscillating circuit OC1, which makes it possible to control the amplitude of this current and therefore to change the amplitude of the current Ii in the inductor Indl.
  • the target currents to be delivered by the inverters are calculated so that the currents of the Inductors reach the appropriate target values to inject the reference power density profile into the part; c) the currents passing through the inductors are determined by measurement or by calculation to compare them with the target values of these currents and determine the currents to be corrected, and the correction instructions are sent to the modulators in order to control the inverters so as to correct the currents.
  • step (c) is carried out at least once to reduce the differences in currents to be corrected, and then steps (a) are repeated at least once, (b) and (c) by updating the actual temperature profile by temperature measurements in different heated areas of the room.
  • FIG. 9 schematically shows a second embodiment of an induction heating device according to the invention, in which the supply 1 of the inverters is a source of DC voltage.
  • the heater is similar to that of the first embodiment of Figure 8, but the current inverters are paralleled with the voltage source.
  • This embodiment has certain advantages, in particular that of reducing conduction losses in the inverters.
  • i ca I c c representative of the current that supplies the power supply 1 to the inverter 01 must be calculated from the supply voltage using an impedance matrix Z ' .

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Abstract

Le procédé de chauffage par induction est mis en oeuvre dans un dispositif de chauffage d'une pièce métallique, le dispositif comprenant des inducteurs (Ind1, Ind2,..., Indp) couplés magnétiquement, chaque inducteur étant alimenté par un onduleur (O1, O2,..., Op) qui lui est propre et associé à un condensateur (C1, C2,..., Cp) pour former un circuit oscillant (OC1, OC2,..., OCp). Les circuits oscillants possèdent au moins approximativement la même fréquence de résonance, chaque onduleur est commandé par une unité de commande (M1, M2,..., Mp) de façon à faire varier l'amplitude et la phase du courant traversant l'inducteur correspondant, le dispositif comprenant en outre des moyens de détermination dudit courant ainsi que des moyens de détermination d'un profil de température effectif (?1 mes, ?2 mes, ° ° °, ?n mes) de ladite pièce. Le procédé comprend les étapes suivantes : a) on compare ledit profil de température effectif à un profil de température de référence (?1 ref, ?2 ref, ° ° °, ?n ref), et on calcule un profil de densité de puissance de référence (Dpref 1, Dpref 2,..., Dpref n) que le dispositif de chauffage doit injecter dans ladite pièce; b) on calcule des courants cibles que doivent délivrer les onduleurs afin que les courants des inducteurs atteignent des valeurs cibles (I1 ref, I2 ref,- - -, IP ref) appropriées pour injecter dans ladite pièce ledit profil de densité de puissance de référence; c) on détermine les courants traversant les inducteurs pour les comparer aux dites valeurs cibles et déterminer des écarts de courants (dI1 corr, dl2 corr-,- - -, dlp corr) à corriger, et on envoie aux dites unités de commande (M1, M2,..., Mp) des instructions de correction en fonction desdits écarts de courants.

Description

Procédé de chauffage par induction mis en œuyre dans un dispositif comprenant des inducteurs couplés magnétiquement
La présente invention se rapporte à un procédé de chauffage par induction mis en œuvre dans un dispositif de chauffage d'une pièce métallique telle qu'une tôle ou une barre, le dispositif comprenant des inducteurs couplés magnétiquement. Par couplage magnétique, on entend que les inducteurs produisent entre eux des inductions mutuelles.
Les techniques les plus classiques de chauffage par induction mettent en œuvre des configurations qui sont satisfaisantes lorsque les pièces à chauffer sont toujours de même nature et de mêmes dimensions. Mais l'industrie exige de plus en plus de souplesse et de productivité. Il est demandé aux lignes de production de s'adapter en fonctionnement continu au changement de la position ou du format des pièces à chauffer, et d'adapter en fonction de ce changement le profil de température désiré.
Des technologies connues permettent d'avoir un contrôle du chauffage par zone de puissance injectée, mais le contrôle du profil de température dans les zones chauffées reste lié à la conception géométrique des bobines et à leur mode d'alimentation, principalement par la variation d'amplitude des courants que l'on y injecte. La détermination de ces courants et la régulation qui en découle est fortement tributaire du couplage magnétique existant entre les bobines du fait des inductions mutuelles, chaque bobine alimentée ayant une influence sur toutes les autres. Le couplage magnétique rend le contrôle du profil de température de la pièce chauffée extrêmement délicat, sans compter qu'il peut avoir des répercutions néfastes sur les générateurs de fréquence, par exemple une casse de composants.
La demande de brevet WO 00/28787 Al décrit un système pour chauffer une pièce métallique tubulaire par des bobines d'induction alimentées par l'intermédiaire d'un circuit d'interruption de type gradateur relié à une source d'alimentation de type onduleur. Un circuit de contrôle permet de faire varier la durée de la puissance injectée par la source d'alimentation à chaque bobine afin de chauffer différemment différentes zones de la pièce métallique en vue d'un profil de température recherché. L'injection de puissance dans une bobine s'effectue donc en « tout ou rien », c'est-à- dire qu'elle peut être empêchée sur un cycle correspondant à plusieurs périodes du signal de l'onduleur.. Ce système présente néanmoins des inconvénients, et en particulier il permet de contrôler seulement la puissance moyenne produite par chaque bobine sans pouvoir contrôler précisément le profil de température généré par les bobines dans la pièce chauffée. De plus, il ressort de ce document que la connexion des bobines et des onduleurs doit être dans une certaine mesure définie en fonction de la charge et du profil de température à atteindre. Par ailleurs, ce document ne mentionne pas les couplages magnétiques entre les circuits ni la manière de s'en affranchir ou d'en tenir compte.
La présente invention vise à résoudre ces inconvénients et à procurer un procédé de chauffage prenant en compte les nombreux couplages, d'une part entre les différents inducteurs et d'autre part entre les inducteurs et la pièce à chauffer, pour permettre de contrôler avec une bonne précision le profil de température généré par les inducteurs. L'invention vise en particulier à pouvoir ajuster le chauffage à différents profils de température recherchés en temps réel, en agissant sur la commande d'onduleurs alimentant les inducteurs et sans avoir besoin d'ajuster la structure des inducteurs.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de chauffage par induction mis en œuvre dans un dispositif de chauffage d'une pièce métallique, le dispositif comprenant des inducteurs couplés magnétiquement, chaque inducteur étant alimenté par un onduleur qui lui est propre et associé à un condensateur pour former un circuit oscillant, lesdits circuits oscillants possédant au moins approximativement la même fréquence de résonance, chaque onduleur étant commandé par une unité de commande de façon à faire varier l'amplitude et la phase du courant traversant l'inducteur correspondant, le dispositif comprenant en outre des moyens de détermination dudit courant ainsi que des moyens de détermination d'un profil de température effectif de ladite pièce métallique, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
a) on compare ledit profil de température effectif à un profil de température de référence, et on calcule un profil de densité de puissance de référence que le dispositif de chauffage doit injecter dans ladite pièce pour atteindre ledit profil de température de référence ; b) à partir d'une matrice d'impédances déterminée par la connaissance des relations électromagnétiques liant lesdits inducteurs entre eux et à ladite pièce et par la connaissance de fonctions images vectorielles représentatives des relations liant les densités de courant créées par les inducteurs aux courants traversant les inducteurs, on calcule des courants cibles que doivent délivrer les onduleurs afin que les courants des inducteurs atteignent des valeurs cibles appropriées pour injecter dans ladite pièce ledit profil de densité de puissance de référence ;
c) on détermine les courants traversant les inducteurs pour les comparer aux dites valeurs cibles et déterminer des écarts de courants à corriger, et on envoie aux dites unités de commande des instructions de correction en fonction desdits écarts de courants afin de commander les onduleurs de façon à corriger les courants traversant les inducteurs.
Grâce à ces dispositions, on obtient un pilotage précis du profil de température appliqué à la pièce chauffée, ce qui est idéal pour chauffer avec un même dispositif plusieurs pièces de tailles et de natures différentes.
Dans des modes de réalisation préférés d'un procédé de chauffage selon l'invention, on a recours notamment à l'une ou l'autre des dispositions suivantes : on détermine les capacités desdits condensateurs, et on associe ladite matrice d'impédances à un vecteur des capacités ;
on détermine une valeur initiale de ladite matrice d'impédances pour une température moyenne initiale donnée desdits inducteurs et de ladite pièce, puis on détermine à intervalles variables ou périodiques la matrice d'impédances modifiée pour au moins une valeur augmentée de ladite température moyenne, et on utilise ladite matrice d'impédances modifiée pour recalculer les dites valeurs cibles ;
après avoir effectué successivement les étapes (a) et (b) on effectue au moins une fois l'étape (c) pour diminuer lesdits écarts de courants à corriger, puis on réitère au moins une fois les étapes (a), (b) et (c) en actualisant ledit profil de température effectif par des mesures de température en différentes zones chauffées de la pièce ; pour la détermination par calcul des dites valeurs cibles à l'étape (b), grâce à la connaissance desdites fonctions images vectorielles, on calcule des fonctions images des densités de puissance selon les caractéristiques spatiales des zones de la pièce dans lesquelles lesdites densités de puissance sont injectées, et on calcule un vecteur optimisé des courants cibles à déterminer en minimisant la différence entre chacune desdites fonctions images des densités de puissance et une fonction densité de puissance de référence correspondant audit profil de densité de puissance de référence ;
on prend comme onduleur de référence un onduleur ayant par rapport aux autres onduleurs le plus fort courant dans le cas d'un onduleur de courant ou la plus forte tension dans le cas d'un onduleur de tension, et on introduit des angles de décalage sur les commandes des autres onduleurs par rapport à un angle de commande sur l'onduleur de référence ;
on règle l'onduleur de référence avec un rapport cyclique égal à 2/3, afin de diminuer les perturbations harmoniques créées par cet onduleur sur ces voisins ; on règle la valeur efficace du courant dans ledit onduleur de référence en agissant sur une alimentation continue qui alimente les onduleurs.
L'invention a aussi pour objet un dispositif de chauffage par induction comprenant :
des inducteurs couplés magnétiquement, chaque inducteur étant associé à un condensateur pour former un circuit oscillant, lesdits circuits oscillants possédant au moins approximativement la même fréquence de résonance ;
des onduleurs alimentant chacun un inducteur qui lui est propre, chaque onduleur étant commandé par une unité de commande de façon à faire varier l'amplitude et la phase du courant traversant l'inducteur correspondant ;
caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
des moyens de détermination des courants traversant les inducteurs ainsi que des moyens de détermination d'un profil de température effectif d'une pièce métallique chauffée par le dispositif ;
des moyens de comparaison dudit profil de température effectif par rapport à un profil de température de référence ;
des moyens de calcul d'un profil de densité de puissance de référence que le dispositif de chauffage doit injecter dans ladite pièce pour atteindre ledit profil de température de référence ;
des moyens de calcul, basés sur la connaissance d'une matrice des impédances, de courants cibles que doivent délivrer les onduleurs afin que les courants des inducteurs atteignent des valeurs cibles appropriées pour injecter dans ladite pièce ledit profil de densité de puissance de référence ;
des moyens de comparaison des courants traversant les inducteurs par rapport aux dites valeurs cibles, aptes à déterminer des écarts de courants à corriger, et des moyens de traitement desdits écarts de courants aptes à générer des instructions de correction envoyées aux dites unités de commande pour commander les onduleurs de façon à corriger les courants traversant les inducteurs.
Dans des modes de réalisation préférés d'un dispositif de chauffage selon l'invention, on a recours notamment à l'une ou l'autre des dispositions suivantes : les onduleurs sont alimentés par une même alimentation source de courant ou source de tension, et lesdits moyens de comparaison desdits courants déterminés traversant les inducteurs comprennent des unités comparatrices recevant chacune des paramètres déterminés d'un courant traversant un inducteur et des paramètres des valeurs cibles correspondantes et étant chacune reliée à une unité de traitement desdits écarts de courants, une desdites unités comparatrices recevant en outre des paramètres représentatifs de ce que délivre ladite alimentation et son unité de traitement associée étant adaptée pour générer des instructions de régulation envoyées à ladite alimentation de façon à modifier le courant ou la tension qu'elle délivre.
D'autres caractéristiques et avantages ressortent de la description qui va suivre d'exemples non limitatifs de modes de réalisation, en référence aux figures dans lesquelles :
La figure 1 représente schématiquement un premier exemple de dispositif de chauffage par induction dans lequel le procédé de chauffage selon l'invention peut être mis en œuvre, appliqué au chauffage d'un disque métallique fixe.
La figure 2 représente schématiquement une modélisation du système à trois inductances couplées de la figure 1, vu de l'alimentation.
La figure 3 représente schématiquement le dispositif de chauffage par induction de la figure 1, appliqué au chauffage d'une tôle que l'on déplace.
La figure 4 représente schématiquement un deuxième exemple de dispositif de chauffage par induction, appliqué au chauffage d'une barre métallique que l'on déplace. La figure 5 représente schématiquement un troisième exemple de dispositif de chauffage par induction, appliqué au chauffage d'une tôle que l'on déplace.
La figure 6 représente schématiquement un quatrième exemple de dispositif de chauffage par induction, appliqué au chauffage d'une tôle que l'on déplace.
La figure 7 représente schématiquement une fonction image de la densité de puissance calculée à partir d'un vecteur optimisé des courants permettant de minimiser la différence entre ladite fonction et une fonction référence de densité de puissance.
La figure 8 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'un dispositif de chauffage par induction selon l'invention dans lequel l'alimentation des onduleurs est une source de courant.
La figure 9 représente schématiquement un second mode de réalisation d'un dispositif de chauffage par induction selon l'invention dans lequel l'alimentation des onduleurs est une source de tension.
Sur la figure 1, le dispositif de chauffage montré en exemple concerne une configuration de disque métallique amagnétique chauffé par flux transverse à l'aide de trois couples de bobines jumelles, ce qui a l'avantage de garder l'aspect axisymétrique du problème. Afin de s'assurer de la symétrie de l'ensemble du système, chaque bobine placée d'un côté du disque est connectée en série avec sa bobine jumelle de l'autre face pour former un seul inducteur. De cette façon, le système est invariant par rotation. En outre, afin de travailler avec l'hypothèse de linéarité, on considérera que les matériaux électromagnétiques du système ont une perméabilité constante et unitaire. Chaque inducteur est alimenté par un onduleur qui lui est propre de type série (onduleur de tension) ou de type parallèle (onduleur de courant).
Sur la figure 2, la modélisation du système sous forme d'inductances couplées permet de représenter les différentes interactions existantes. Cette modélisation permet également l'étude de l'alimentation électrique des inducteurs et le calcul des valeurs des courants qu'il faut injecter.
II est nécessaire de déterminer la matrice d'impédances du système pour chaque configuration de chauffage envisagé, afin de refléter l'état magnétique et électrique du système pour une géométrie donnée. La dimension N de la matrice est donnée par le nombre d'inducteurs, ici N=3.
La matrice d'impédances doit être complète pour tenir compte de tous les effets de couplage. La détermination de cette matrice pouvant être complexe, plusieurs moyens analytiques ou numériques, ou des mesures en ligne et en continu par injection de signaux particuliers, peuvent être mis en œuvre.
Ainsi modélisée, l'équation générale du système peut s'écrire :
V = Z.l
V Tensions sinusoïdales aux bornes des inducteurs ; - I : Courants dans les enroulements des inducteurs;
Z : Matrice d'impédances du système.
Dans notre cas, la matrice Zpeut s'écrire sous la forme :
Ζη (ω) Ζη (ω) ΖΧ3 {ω)
Z = Ζ21 (ω) Ζ22 (ω) Ζ23 (ω)
Ζ31 {ω) Ζ32 (ω) Ζ33 (ω)
ou encore
représente l'inductance propre de chaque inducteur ;
/-„„ = L représente les inductances mutuelles entre inducteurs ;
R, représente les résistances propres de chaque inducteur ; représente les résistances équivalentes dues aux courants induits.
Avec la connaissance des relations électromagnétiques entre les bobines et la pièce à chauffer, il est possible de procéder au calcul des courants à injecter dans chacune des bobines afin d'obtenir le chauffage désiré. II est à noter que différentes configurations ou méthodes classiques de calcul essaient de minimiser les termes de couplage non-diagonaux afin de s'affranchir des problèmes liés aux interactions entre les bobines. De plus, pour de nombreux cas où les couplages sont faibles, les résistances propres de chaque inducteur sont souvent grandes devant les résistances équivalentes dues aux courants induits. Les méthodes classiques utilisent ainsi une matrice simplifiée, c'est-à-dire non complète, qui conserve seulement les termes diagonaux. Ceci implique une régulation simplifiée du chauffage, mais au détriment du contrôle précis du profil de température et de la flexibilité de l'installation, en particulier dans la zone située sous les bobines. Au contraire, la présente invention prend en compte la matrice d'impédances complète du système afin d'améliorer la détermination des courants à injecter dans les bobines et donc améliorer le contrôle du profil de température de la pièce chauffée.
Dans l'exemple décrit, nous avons trois inducteurs alimentés par trois sources de courants différentes. La détermination des courants à injecter dans chaque bobine revient à déterminer cinq variables inconnues, la phase du courant dans l'inducteur Indl servant de référence et n'étant donc pas une inconnue. En effet, pour une tôle donnée constituant la pièce à chauffer, les inconnues sont :
• l-i : Valeur efficace du courant dans l'inducteur Indl, lequel courant est pris comme référence de phase ; · I2 et q>2 : Valeur efficace du courant dans l'inducteur Ind2, et déphasage de ce courant par rapport à /? ;
• I3 et q>3 : Valeur efficace du courant dans l'inducteur Ind3, et déphasage de ce courant par rapport à /? .
On comprend de ce qui précède qu'avec la matrice d'impédances complète prise en compte dans la présente invention, le contrôle du profil de température de la pièce chauffée doit s'effectuer non seulement en contrôlant les amplitudes des courants dans les inducteurs mais aussi en contrôlant les déphasages de ces courants les uns par rapport aux autres, ce qui implique que chaque onduleur est commandé de façon à pouvoir faire varier l'amplitude et la phase du courant traversant l'inducteur correspondant. Au vu des relations qui précèdent, le vecteur des inconnues peut alors s'écrire : x = {lv l2 , <p2 , l3 , <p3 }T (1)
Il n'est pas possible de déterminer facilement ces inconnues par les méthodes de résolution habituelles. En effet, à l'exception de cas très simples, la formulation analytique liant les données géométriques, les courants électriques dans les inducteurs, la répartition spatiale du champ électromagnétique et la densité de puissance en tous points est quasi impossible avec autant de variables. Les logiciels classiques de calcul de champ basés sur des techniques numériques de découpage du domaine d'études en mailles élémentaires permettent de connaître la répartition du champ magnétique, et par conséquent de calculer les densités de puissance dans les pièces conductrices en fonction des courants injectés dans les inducteurs. Dans notre cas, une problématique inverse se pose, puisqu'il s'agit de savoir s'il existe une ou plusieurs valeurs du vecteur x permettant d'obtenir un profil de densité de puissance voulu dans la pièce.
Par l'application de l'équation de la chaleur, il est bien connu que la densité de puissance injectée Dp dans une pièce conductrice donne une bonne image du comportement thermique du produit chauffé. Par exemple, dans le cas d'une chauffe statique où la vitesse de déplacement du matériau traité est nulle, la connaissance de la température instantanée T du matériau traité nécessite classiquement la résolution temporelle d'une forme simplifiée de l'équation de la chaleur: p■ Cp -^j- = div(A■ gradT) + Dp : représente la masse volumique ;
Q
p : représente la capacité thermique massique ;
λ : représente la conductivité thermique.
La résolution de cette équation implique une intégration en temps réel, ce qui n'est pas très difficile. De plus, dans le cas d'un chauffage « flash », c'est-à-dire si le temps de chauffe est petit de telle sorte que l'on peut négliger la diffusion thermique de la chaleur au sein du matériau pendant cette durée, l'expression se simplifie encore de la sorte :
Nous obtenons donc une expression simplifiée classique permettant de relier la densité de puissance injectée Dp et l'élévation de la température. Ainsi, à partir du profil thermique souhaité pour la pièce chauffée, on obtient le profil de densité de puissance recherché.
Dans l'exemple en référence à la figure 1, le système est invariant suivant l'axe de révolution du disque en tôle et dans l'épaisseur de la tôle. On prend donc en compte une seule dimension du disque, à savoir la direction radiale de la zone considérée du disque. Pour la détermination du vecteur x des inconnues, on sait que la densité de puissance suivant le rayon de la zone considérée se calcule par l'équation suivante :
Dp(r, x) =— \J\2 , soit : Dp(r, x) = ^( (r, x) + Jf (r, x)) (3)
σ
où σ représente la conductivité électrique, J représente le vecteur densité de courant défini sur le rayon Γ dans la pièce, JR (r,x) et J/ (r,x) représentant les composantes réelle et imaginaire de ce vecteur en fonction du rayon de la zone considérée.
Le système pris en exemple est complètement linéaire, c'est-à-dire en particulier sans matériaux ferromagnétiques ni hystérésis. Nous pouvons donc appliquer le théorème de superposition des sources pour chacune des alimentations des trois inducteurs. On notera qu'un principe similaire peut être mis en œuvre dans un système non linéaire. Nous obtenons ainsi des fonctions images des densités de courant en fonction du rayon Γ de la zone annulaire considérée du disque chauffé, chaque fonction image étant représentative de la relation liant la densité de courant Jk(r), créée par un inducteur, au courant lk alimentant cet inducteur. Ces fonctions images sont vectorielles et ont des composantes réelle et imaginaire définies de la manière suivante : Au final, dans notre exemple à trois inducteurs, le calcul vectoriel de la densité totale de courant induit dans la zone annulaire de rayon r du disque peut s'exprimer ainsi :
3
(r, x) =∑ ftw M + jfkl (r)).(lkR + jlkl )
/c=1
d'où
Ce qui peut s'écrire aussi J{r,x) = JR{r,x)+ jJ,{r,x) (4)
On obtient donc une relation entre le vecteur densité de courant induit dans la zone considérée de la pièce et les vecteurs des courants dans les inducteurs. Avec d'une part la matrice d'impédances liant les grandeurs électriques entre inducteurs, et d'autre part les fonctions images des densités de courant dans la pièce, nous disposons ainsi de toutes les informations nécessaires au calcul du vecteur des inconnues x à partir d'un profil de densité de puissance déterminé. On notera que l'on peut aussi faire intervenir dans ce calcul le vecteur des condensateurs, c'est-à- dire le vecteur des capacités des circuits oscillants, puisque ces capacités ne sont généralement pas rigoureusement égales du fait des tolérances de fabrication et qu'elles peuvent en outre dériver quelque peu. Pour le calcul, on pourra utiliser des logiciels de résolution des équations aux dérivées partielles, avec diverses techniques numériques possibles telles que les éléments finis, les différences finies, les volumes finis, les intégrales de frontière, les éléments de circuits partiels, ou tout autre technique du même genre.
Cette méthode a été décrite pour un exemple donné d'un système magnétiquement couplé relativement simple, mais est néanmoins transposable à tout système plus complexe et non symétrique. Le nombre de bobines n'est pas limité, et diverses formes et configurations des bobines ou des pièces à chauffer sont envisageables, comme dans les exemples visibles sur les figures 3 à 6.
Une fois que la fonction image de la densité de courant est déterminée, la fonction image de la densité de puissance ^P^r' X^ e t déterminée par les relations des équations (3) et (4) ci-dessus. Il est avantageux en outre d'optimiser par le calcul le vecteur des inconnues x. Le problème d'optimisation consiste à calculer un vecteur optimisé x permettant de minimiser la différence entre la fonction image de la densité
Doref (r) de puissance et une fonction densité de puissance de référence ' qui correspond à un profil de densité de puissance de référence que l'on cherche à injecter dans le disque métallique. Cette fonction densité de puissance de référence prend par exemple une valeur constante si nous recherchons une homogénéité de température sur le disque. Il est cependant possible d'avoir une fonction non constante afin d'obtenir des profils particuliers de chauffe. Avec l'appareillage de la figure 1, la demanderesse a réalisé des essais avec différentes fonctions densités de puissances de références correspondant par exemple à des profils sinusoïdaux ou triangulaires dans la direction radiale du disque, et les résultats sont très satisfaisants.
L'optimisation consiste donc à minimiser la fonction g(r,x) = tout en fixant des limites hautes et basses X,H et Χ,β sur
les inconnues recherchées. Cela nous permet d'éliminer entre autres les solutions aberrantes ou qui n'ont pas de réalité physique. La formulation du problème
— fy
'optimisation revient donc à minimiser g (r, X) avec L n i et
Après résolution du problème, nous obtenons un vecteur optimisé x contenant toutes les amplitudes des vecteurs des courants dans les inducteurs et leurs phases respectives, pour le disque métallique donné. Un des résultats pour un exemple de disque de 650 mm de diamètre, avec une référence de densité de puissance Dpref égale à 10MW/m , donne un écart relatif maximal de 3% sur la fonction image de la densité de puissance comme représenté Dp(r, x) sur la figure 7. Cette méthode de résolution peut facilement être élargie afin de prendre en compte plusieurs dimensions d'un disque, par exemple trois si outre le rayon on tient compte de la position angulaire et de l'épaisseur de matière de la zone considérée, tout en tenant compte également de l'égalité de la compensation réactive nécessaire aux bornes de chaque bobine pour que les trois circuits oscillants oscillent à des fréquences très voisines. Nous passerions ainsi d'un vecteur à cinq inconnues à un vecteur à dix -huit inconnues, sans changer le système physique.
La méthode expliquée ci-dessus pour la détermination du vecteur optimisé x est avantageusement utilisée dans le procédé de chauffage par induction selon l'invention, ce procédé pouvant être mis en œuvre en particulier dans l'un ou l'autre des dispositifs de chauffage représentés sur les figures 8 et 9.
Sur la figure 8 est représenté schématiquement un premier mode de réalisation d'un dispositif de chauffage par induction selon l'invention, dans lequel l'alimentation 1 des onduleurs est une source de courant continu.
Le dispositif de chauffage comprend des inducteurs Indl, Ind2,..., Indp, couplés magnétiquement, chaque inducteur étant alimenté par un onduleur de courant 01, 02,..., Op, qui lui est propre et associé à un condensateur C1; C2,..., Cp, pour former un circuit oscillant OC1, OC2,..., OCp. Les onduleurs de courant sont mis en série avec l'alimentation 1. Chaque onduleur comprend généralement des interrupteurs électroniques bidirectionnels, et est commandé par une unité de commande aussi appelée modulateur Ml, M2,..., Mp. Chaque modulateur conçoit des ordres de commande des interrupteurs sous la forme d'impulsions, et le décalage dans le temps de ces ordres permet de faire varier l'amplitude A1; A2,..., Ap, et la phase φ1; φ2,· · ·, φΡ, du courant I1; I2,..., Ip, traversant l'inducteur correspondant. La variation de l'amplitude du fondamental de courant en sortie de chaque onduleur s'effectue en introduisant un angle de décalage sur le signal généré par le modulateur commandant l'onduleur. En choisissant un onduleur de référence comme expliqué plus loin, les angles de décalage sur les autres onduleurs pourront être introduits par rapport à un angle de commande sur l'onduleur de référence. La commande sur l'onduleur de référence peut être effectuée par exemple avec un rapport cyclique égal à 2/3 c'est-à-dire un angle de commande de 30°. Les circuits oscillants possèdent au moins approximativement la même fréquence de résonance, ce qui permet de maximiser l'efficacité de l'induction puisque les inducteurs travaillent sensiblement à cette fréquence, et permet aussi de diminuer les pertes dans les onduleurs. Les signaux périodiques de commande des onduleurs générés par les modulateurs ont donc sensiblement la même fréquence. Pour faire varier la phase φ1; φ2,· · ·, φΡ, d'un courant L, I2,..., Ip, traversant un inducteur, il suffit de décaler dans le temps le signal de commande de l'onduleur correspondant, c'est-à-dire d'appliquer un même décalage temporel à la totalité des ordres de commande des interrupteurs de l'onduleur. Le décalage peut aussi bien se faire en retard ou en avance par rapport au signal de commande de l'onduleur d'un autre inducteur pris comme référence.
Pour contrôler en temps réel la densité de puissance à injecter dans la pièce chauffée en vue d'atteindre le profil de température recherché, il faut prévoir des moyens de détermination des paramètres d'amplitude et de phase des courants traversant les inducteurs afin de pouvoir corriger la commande des onduleurs. Des moyens de détermination des paramètres d'amplitude et de phase des courants I1; I2,..., Ip, des inducteurs, non représentés sur la figure, sont prévus pour fournir ces paramètres à des unités comparatrices ε1 ; ε2,..., ερ. Ces moyens de détermination peuvent consister par exemple en des transformateurs de courant disposés chacun en série avec un inducteur, mais d'autres moyens sont envisageables. On pourrait par exemple mesurer le courant actif fourni par l'onduleur au circuit oscillant, et calculer le courant dans l'inducteur à l'aide des paramètres d'inductance et de capacité.
On prévoit en outre des moyens de détermination d'un profil de température effectif de la pièce métallique chauffée 10, non représentés sur la figure, en disposant par exemple des thermocouples sur un nombre n de zones chauffées et en relevant les températures Qi mes, θ2 mes, ..., θη mes, mesurées. On peut aussi déterminer ces températures en utilisant une caméra thermique, ou encore procéder par des calculs à partir des courants induits si par exemple des zones chauffées sont trop confinées pour une mesure directe.
Le profil de température effectif est par exemple déterminé en continu pendant la chauffe et est régulièrement comparé à un profil de température de référence 9l ref, 62 ref, · · · , en ref, correspondant au profil final de chauffe souhaité pour la pièce et préalablement entré dans une mémoire. Cette comparaison est effectuée par un comparateur 2, qui peut intégrer ladite mémoire. Le résultat est traité par un calculateur qui, à partir d'une équation déduite de l'équation de la chaleur et éventuellement simplifiée comme l'équation (2) précédente, calcule le profil de densité de puissance de référence Dprefi, Dpref 2,..., Dpref n que le dispositif de chauffage doit injecter dans la pièce pour atteindre le profil de température de référence. Le calculateur peut consister en une mémoire dans laquelle est rentré un tableau de profils précalculés de densité de puissance de référence correspondants à différents profils de température effectifs pour une ou plusieurs configurations de pièces et un ou plusieurs profils de densité de puissance de référence.
Un calculateur établit des courants cibles que doivent délivrer les onduleurs afin que les courants des inducteurs atteignent des valeurs cibles appropriées L ref, I2 ref, . . ., Ip ref, pour injecter dans la pièce le profil de densité de puissance de référence. Ce calcul utilise la matrice d'impédances Z avec les fonctions images vectorielles et préférablement le vecteur des capacités des circuits oscillants, définis précédemment. Les unités comparatrices ε1; ε2,..., ερ comparent les paramètres des courants mesurés ou calculés Ii mes, I2 mes, . . ., Ip mes, des inducteurs aux valeurs cibles Il ref, I2 ref,. . . , Ip ref, et déterminent les écarts de courants ôL corr, ôI2 corr, - - - , δΙρ corr à corriger, aussi appelés courants de correction. Des unités de traitement CORR1 ; CORR2, . . ., CORRp, des paramètres d'amplitude et de phase ce ces courants de correction génèrent des instructions de correction envoyées aux modulateurs pour commander les onduleurs de façon à corriger les amplitudes et les déphasages des courants traversant les inducteurs.
II est entendu que par le contrôle des déphasages des courants dans les inducteurs, on ne cherche pas à obtenir un déphasage nul ou constant. On cherche au contraire à utiliser les déphasages comme des paramètres de réglage en temps réel de la densité de puissance à injecter dans la pièce chauffée, ce qui est rendu possible par la prise en compte de la matrice d'impédances complète comme expliqué dans ce qui précède. En d'autres termes, on utilise les déphasages comme des paramètres de contrôle du profil de température. Par exemple, on peut prévoir de contrôler en temps réel les déphasages des courants dans les inducteurs tous les quarts de période des signaux de commande des onduleurs générés par les modulateurs, pour contrôler finement la température selon différents profils, par exemple un profil plat, ou encore un profil montant ou décroissant linéairement (polynôme d'ordre 1) ou non linéairement (polynôme d'ordre >1).
Avantageusement, on peut déterminer une valeur initiale Zm de la matrice d'impédances Zpour une température moyenne initiale θιηι donnée des inducteurs et de la pièce à chauffer, puis déterminer à intervalles variables ou périodiques la matrice d'impédances modifiée Zmoc ) pour au moins une valeur augmentée Qmoci de la température moyenne Θ, et on utilise la matrice d'impédances modifiée pour recalculer les courants cibles. Dans le cas d'intervalles variables d'échantillonnage, le calcul des courants cibles peut s'effectuer à chaque fois que la température moyenne Θ mesurée atteint sensiblement une nouvelle valeur augmentée Qmoci parmi une série de valeurs prédéterminées.
Avantageusement, l'onduleur de courant alimentant l'inducteur de plus faible impédance, par exemple la bobine Indl dans l'exemple de la figure 1, est choisi comme onduleur de référence puisque le courant dans cet inducteur, plus grand que celui dans les autres inducteurs, est pris préférablement comme référence de phase. L'onduleur de courant ayant le plus fort courant, ou l'onduleur de tension ayant la plus forte tension dans le cas où l'alimentation 1 des onduleurs est une source de tension comme représenté sur la figure 9, pourra être pris comme onduleur de référence. De plus, l'onduleur de référence peut être réglé avantageusement avec un rapport cyclique de 2/3, c'est à dire qu'il est commandé de façon à générer une onde carrée de 120° ON et 60° OFF par demi-période. Ceci a pour but d'annuler l'harmonique d'ordre 3 et ses multiples afin de diminuer les perturbations harmoniques créées par cet onduleur sur ces voisins. Il est entendu que le rapport cyclique de l'onduleur de référence n'est pas nécessairement réglé à la valeur 2/3. Par exemple, une commande en pleine onde pourra être préférée dans certains cas.
La valeur efficace du courant dans l'onduleur de référence pourra être réglée par action sur l'alimentation 1 continue en courant ou en tension. Ceci présente l'avantage notamment d'avoir un vecteur des inconnues (cf. relation 1 précédente) dans lequel on a éliminé la phase du courant dans l'inducteur Indl, ce qui simplifie l'obtention du vecteur optimisé x comme dans l'exemple décrit précédemment. Il est entendu qu'on peut alternativement régler la valeur efficace du courant dans l'onduleur de référence en introduisant des angles de décalage sur la commande de cet onduleur. Sur la figure 8, le courant 1\ étant pris comme référence de phase, il est avantageux que l'unité comparatrice correspondante E reçoive les paramètres du courant Ic mes délivré par l'alimentation continue 1. De cette façon, l'unité de traitement CORRi associée sera adaptée pour générer des instructions de régulation envoyées à l'alimentation 1 via un modulateur de pilotage M' 1, de façon à modifier le courant délivré par l'onduleur 01 au circuit oscillant OC1, ce qui permet de contrôler l'amplitude de ce courant et donc de modifier l'amplitude du courant Ii dans l'inducteur Indl .
Pour chauffer une pièce métallique avec le dispositif de chauffage décrit ci- dessus, on utilise le procédé comprenant les étapes suivantes:
a) on compare le profil de température effectif de la pièce au profil prédéterminé de température de référence, et on calcule le profil de densité de puissance de référence que le dispositif doit injecter dans la pièce pour atteindre le profil de température de référence ;
b) à partir de la matrice d'impédances Z du système, préférablement associée au vecteur des capacités des circuits oscillants, et par la connaissance des fonctions images vectorielles f^, on calcule les courants cibles que doivent délivrer les onduleurs afin que les courants des inducteurs atteignent les valeurs cibles appropriées pour injecter dans la pièce le profil de densité de puissance de référence ; c) on détermine par mesure ou par calcul les courants traversant les inducteurs pour les comparer aux valeurs cibles de ces courants et déterminer les écarts de courants à corriger, et on envoie aux modulateurs les instructions de correction afin de commander les onduleurs de façon à corriger les courants.
Bien entendu, les courants cibles ainsi que les courants des inducteurs mesurés ou calculés sont des vecteurs courants, par conséquent on prend en compte non seulement l'amplitude mais aussi la phase. Avantageusement, après avoir effectué successivement les étapes (a) et (b), on effectue au moins une fois l'étape (c) pour diminuer les écarts de courants à corriger, puis on réitère au moins une fois les étapes (a), (b) et (c) en actualisant le profil de température effectif par des mesures de température en différentes zones chauffées de la pièce.
Sur la figure 9 est représenté schématiquement un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de chauffage par induction selon l'invention, dans lequel l'alimentation 1 des onduleurs est une source de tension continue.
Le dispositif de chauffage est analogue à celui du premier mode de réalisation de la figure 8, mais les onduleurs de courant sont mis en parallèle avec la source de tension. Ce mode de réalisation présente certains avantages, notamment celui de diminuer les pertes par conduction dans les onduleurs. Par contre, le paramètre de courant Ic caic représentatif du courant que délivre l'alimentation 1 à l'onduleur 01 doit être calculé à partir de la tension d'alimentation à l'aide d'une matrice d'impédances Z'.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de chauffage par induction mis en œuvre dans un dispositif de chauffage d'une pièce métallique, le dispositif comprenant des inducteurs (Indl, Ind2,..., Indp) couplés magnétiquement, chaque inducteur étant alimenté par un onduleur (01, 02,..., Op) qui lui est propre et associé à un condensateur (Cl, C2,..., Cp) pour former un circuit oscillant (OC1, OC2,..., OCp), lesdits circuits oscillants possédant au moins approximativement la même fréquence de résonance, chaque onduleur étant commandé par une unité de commande (Ml, M2,..., Mp) de façon à faire varier l'amplitude (A1 ; A2,..., Ap) et la phase (φ1 ; φ2,..., φρ) du courant (I1 ; I2,..., Ip) traversant l'inducteur correspondant, le dispositif comprenant en outre des moyens de détermination dudit courant (I1 ; I2,..., Ip) ainsi que des moyens de détermination d'un profil de température effectif (9i mes, 62 mes, ..., θη mes) de ladite pièce métallique, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
a) on compare ledit profil de température effectif (9i mes, 02 mes, 0n mes) à un profil de température de référence (9i ref, 02 ref, 0n ref), et on calcule un profil de densité de puissance de référence (Dprefi, Dpref 2,..., Dpref n) que le dispositif de chauffage doit injecter dans ladite pièce pour atteindre ledit profil de température de référence ;
b) à partir d'une matrice d'impédances (Z) déterminée par la connaissance des relations électromagnétiques liant lesdits inducteurs entre eux et à ladite pièce et par la connaissance de fonctions images vectorielles ( ) représentatives des relations liant les densités de courant créées par les inducteurs aux courants (I1 ; I2,..., Ip) traversant les inducteurs, on calcule des courants cibles que doivent délivrer les onduleurs afin que les courants des inducteurs atteignent des valeurs cibles (Ii ref, I2 ref, . . . , Ip ref) appropriées pour injecter dans ladite pièce ledit profil de densité de puissance de référence (Dprefi, Dpref 2,..., Dpref n, ) ;
c) on détermine les courants (I mes, I2 mes, - - - , Ip mes) traversant les inducteurs pour les comparer aux dites valeurs cibles (Ii ref, I2 ref, . . . , IP ref) et déterminer des écarts de courants (ôIl corr, ôI2 corr, - - - , ôlp c0rr) à corriger, et on envoie aux dites unités de commande (Ml, M2,..., Mp) des instructions de correction en fonction desdits écarts de courants afin de commander les onduleurs de façon à corriger les courants traversant les inducteurs.
2. Procédé de chauffage selon la revendication 1, dans lequel on détermine les capacités desdits condensateurs (Cl, C2,..., Cp) et on associe ladite matrice d'impédances (Z) à un vecteur (C) des capacités.
3. Procédé de chauffage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on détermine une valeur initiale (Z/n/) de ladite matrice d'impédances (Z) pour une température moyenne initiale (Qini) donnée desdits inducteurs et de ladite pièce, puis on détermine à intervalles variables ou périodiques la matrice d'impédances modifiée (Zmoc (9)) pour au moins une valeur augmentée (9mod) de ladite température moyenne, et on utilise ladite matrice d'impédances modifiée pour recalculer les dites valeurs cibles (Il ref, I2 ref,..., Ip ref).
4. Procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel après avoir effectué successivement les étapes (a) et (b) on effectue au moins une fois l'étape (c) pour diminuer lesdits écarts de courants (ÔIl corr, ÔI2 corr, . . . , δΙρ corr) à corriger, puis on réitère au moins une fois les étapes (a), (b) et (c) en actualisant ledit profil de température effectif (9i mes, θ2 mes, · · ·, θη mes) par des mesures de température en différentes zones chauffées de la pièce.
5. Procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel pour la détermination par calcul des dites valeurs cibles (Il ref, I2 ref, - - - , IP ref) à l'étape (b), grâce à la connaissance desdites fonctions images vectorielles ( ) on calcule des fonctions images des densités de puissance (Dp(r,x)) selon les caractéristiques spatiales (r) des zones de la pièce dans lesquelles lesdites densités de puissance sont injectées, et on calcule un vecteur optimisé (x) des courants cibles à déterminer en minimisant la différence entre chacune desdites fonctions images des densités de puissance (Dp(r,x)) et une fonction densité de puissance de référence (Dpref(r)) correspondant audit profil de densité de puissance de référence (Dprefi, Dpref 2,..., Dpref n, ).
6. Procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel on prend comme onduleur de référence un onduleur (01) ayant par rapport aux autres onduleurs (02,..., Op) le plus fort courant dans le cas d'un onduleur de courant ou la plus forte tension dans le cas d'un onduleur de tension, et on introduit des angles de décalage sur les commandes des autres onduleurs par rapport à un angle de commande sur l'onduleur de référence.
7. Procédé de chauffage selon la revendication 6, dans lequel on règle l'onduleur de référence (01) avec un rapport cyclique égal à 2/3, afin de diminuer les perturbations harmoniques créées par cet onduleur sur ces voisins (02,..., Op).
8. Procédé de chauffage selon la revendication 6 ou 7, dans lequel on règle la valeur efficace du courant dans ledit onduleur de référence (01) en agissant sur une alimentation continue (1) qui alimente les onduleurs (01, 02,..., Op).
9. Dispositif de chauffage par induction comprenant :
des inducteurs (Indl, Ind2,..., Indp) couplés magnétiquement, chaque inducteur étant associé à un condensateur (Cl, C2,..., Cp) pour former un circuit oscillant (0C1, 0C2,..., OCp), lesdits circuits oscillants possédant au moins approximativement la même fréquence de résonance ;
des onduleurs (01, 02,..., Op) alimentant chacun un inducteur (Indl, Ind2,..., Indp) qui lui est propre, chaque onduleur étant commandé par une unité de commande (Ml, M2,..., Mp) de façon à faire varier l'amplitude (A1; A2,..., Ap) et la phase (φ1; φ2,..., φρ) du courant (I1; I2,..., Ip) traversant l'inducteur correspondant ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
des moyens de détermination des courants (I1; I2,..., Ip) traversant les inducteurs ainsi que des moyens de détermination d'un profil de température effectif (θι mes, θ2 meS, ..., θη mes) d'une pièce métallique chauffée par le dispositif ;
des moyens de comparaison dudit profil de température effectif (9i mes, 62 mes, ..., θη mes) par rapport à un profil de température de référence (9l ref, 62 ref, 6n ref) ; des moyens de calcul d'un profil de densité de puissance de référence (Dpre 1 ; Dpref 2,..., Dpref n) que le dispositif de chauffage doit injecter dans ladite pièce pour atteindre ledit profil de température de référence ;
des moyens de calcul, basés sur la connaissance d'une matrice des impédances (Z), de courants cibles que doivent délivrer les onduleurs afin que les courants des inducteurs atteignent des valeurs cibles (Il ref, I2 ref, - - -, Ip ref) appropriées ladite pièce ledit profil de densité de puissance de référence (Dprefi ,
des moyens de comparaison (ε1; ε2,..., ερ) des courants (Ii
traversant les inducteurs par rapport aux dites valeurs cibles (Ii ref, I2 ref, . . . , Ip ref), aptes à déterminer des écarts de courants (ôIl corr, ôl2 c0rr,- - - , ôIp corr) à corriger, et des moyens de traitement (CORRi, CORR2,..., CORRp) desdits écarts de courants aptes à générer des instructions de correction envoyées aux dites unités de commande (Ml, M2,..., Mp) pour commander les onduleurs de façon à corriger les courants traversant les inducteurs.
10. Dispositif de chauffage par induction selon la revendication 9, dans lequel les onduleurs (01, 02,..., Op) sont alimentés par une même alimentation (1) source de courant ou source de tension, et dans lequel lesdits moyens de comparaison desdits courants déterminés (I mes, mes, - - - , IP mes) traversant les inducteurs comprennent des unités comparatrices (ε1; ε 2,· · ·, ε p) recevant chacune des paramètres déterminés (Ai , φ1 ; A2, φ2 ; Ap , φρ) d'un courant traversant un inducteur (I mes, I2 mes,- - - , IP mes) et des paramètres des valeurs cibles correspondantes (Il ref, I2 ref,- - - , Ip ref) et étant chacune reliée à une unité de traitement (CORR1; CORR2,..., CORRp) desdits écarts de courants, une (ε desdites unités comparatrices recevant en outre des paramètres (Ic mes, le cale) représentatifs de ce que délivre ladite alimentation (1) et son unité de traitement associée (CORRO étant adaptée pour générer des instructions de régulation envoyées à ladite alimentation (1) de façon à modifier le courant ou la tension qu'elle délivre.
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