EP2580767B1 - Bobine de lissage a air pour fortes puissances - Google Patents

Description

DOMAINE TECHNIQUE
• L'invention se rapporte aux bobines d'induction à air pour fortes puissances. De telles bobines d'induction sont par exemple utilisées pour l'alimentation électrique des fours à arc à courant continu.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
• Les alimentations électriques des fours à arc à courant continu utilisent des bobines d'induction à air présentant des valeurs variant entre 100 µH et 1 mH. Ces bobines peuvent être parcourues par des courants pouvant aller jusqu'à 70 kA.
• Pour les applications de type four à arc électrique, il est connu d'utiliser des bobines d'induction constituées de solénoïdes monocouches à base carrée ou hexagonale.
• La figure 1 est un schéma explicatif d'une installation électrique pour four à arc à courant continu. Un tel four à arc à courant continu est décrit par exemple dans le fascicule D5920 (février 1999) du volume D12 de l'ouvrage Techniques de l'Ingénieur. La référence 1 désigne un four à arc contenant un matériau métallique 2 à traiter. Le four 1 est équipé, dans l'exemple représenté, d'une cathode 10 et de deux anodes 11 et 12. Deux circuits d'alimentation électrique sont représentés. Un premier circuit comprend un dispositif redresseur à thyristors 3 dont la sortie est branchée entre la cathode 10 et l'anode 11 à travers une bobine d'induction L₁. Un deuxième circuit comprend un dispositif redresseur à thyristors 4 dont la sortie est branchée entre la cathode 10 et l'anode 12 à travers une bobine d'induction L₂. Les bobines L₁ et L₂ sont des bobines à air de forte puissance.
• L'augmentation de la puissance des fours à arc électrique installés ces dernières années a provoqué l'augmentation de la valeur du courant continu à fournir et aussi l'augmentation de la valeur des bobines d'induction à air. Ceci conduit à des bobines énormes et implique des pertes Joule importantes. Ces bobines d'induction sont en outre très encombrantes. Elles posent donc divers problèmes relatifs à leur installation, leur montage, leur refroidissement ...
EXPOSÉ DE L'INVENTION
• La présente invention a été réalisée pour optimiser les bobines d'induction de fortes puissances afin de réduire notamment leur encombrement et les pertes Joule qu'elles provoquent.
• L'invention a pour objet une bobine d'induction à air pour fortes puissances formée par bobinage de barres creuses en matériau électriquement conducteur, caractérisé en ce qu'elle comprend au moins deux enroulements disposés coaxialement et l'un dans l'autre, les enroulements étant connectés en série de façon à conserver le même sens d'enroulement, la bobine d'induction présentant un rayon moyen A, une demi-section dans un plan comprenant l'axe de la bobine qui est de forme carrée de côté B, de sorte à satisfaire la relation : $$\mathrm{2}\mathrm{A}\le \mathrm{6}\mathrm{B}\le \mathrm{6}\mathrm{A}\mathrm{.}$$

  
• Avantageusement, les enroulements sont constitués de spires polygonales, par exemple de spires hexagonales.
• Les barres creuses peuvent être en aluminium ou en cuivre.
• Les barres creuses formant des canaux pour la circulation d'un fluide de refroidissement, chaque enroulement peut posséder son propre circuit de refroidissement pour diminuer les pertes en charge.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
• L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des figures annexées parmi lesquelles :
• la figure 1, déjà décrite, est un schéma explicatif d'une installation électrique pour four à arc à courant continu, selon l'art connu,
• la figure 2 est une vue en coupe d'une bobine d'induction, la coupe étant faite dans un plan comprenant l'axe de la bobine, selon la présente invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
• L'idée qui est à la base de la présente invention consiste à emboîter des enroulements (ou bobines élémentaires) les uns dans les autres pour constituer une bobine globale tout en essayant de se rapprocher du modèle de Brooks.
• Le modèle de Brooks a été proposé en 1931 pour optimiser des bobines multicouches, à base de spires circulaires, réalisées avec du fil. On peut se reporter à ce sujet à l'ouvrage « Inductance Calculations » de F.W. Grover, Kurt F. Library, édité par D. Van Nostrand Company, Inc., New York, 1946.
• La bobine d'induction à air de la présente invention est réalisée à partir de barres creuses de forte section (typiquement de l'ordre de 20 000 mm²). Pour une spire de la bobine, la forme optimale est la forme circulaire. Cette forme n'est pas exclue de la présente invention, cependant une telle géométrie est difficile à réaliser avec des barres de forte section. On préférera donc une spire de base de forme polygonale constituée de barres droites mises bout à bout et soudées selon un angle correspondant au polygone choisi. Une spire de forme carrée est simple à réaliser mais n'est pas optimale. L'hexagone est plus proche du cercle et pas trop complexe d'un point de vue industriel. Il présente en outre l'avantage de réduire les efforts électromagnétiques dans les angles. On pourrait envisager des spires de formes plus compliquées, comme l'octogone par exemple. Cependant, le coût de fabrication serait alors plus élevé à cause du nombre accru de soudures.
• La réalisation d'une simple bobine de type solénoïde ne permet pas de respecter les facteurs de forme du modèle de Brooks de manière à répondre à l'équation 2A = 3C (A étant le rayon moyen de la bobine et C le côté du carré constituant la demi-section de la bobine dans le plan contenant son axe). En effet, cela nécessiterait d'utiliser des profilés de section très aplatie qui sont difficiles à réaliser industriellement. Les bobines de type solénoïde, lorsqu'elles sont réalisées en profilés (ou barres) refroidis par des canaux, sont alors très hautes et de grands diamètres.
• Le fait d'emboîter des bobines élémentaires (ou enroulements) les unes dans les autres et de les brancher en série, selon la présente invention, permet théoriquement de parvenir au modèle de Brooks (2A = 3C comme indiqué ci-dessus). Dans la pratique, on peut se satisfaire de la relation : 3A ≤ 6B ≤ 5A.
• Les barres conductrices utilisées sont par exemple en aluminium extrudé. On pourrait également utiliser le cuivre, ou un autre matériau électriquement conducteur. Les barres étant creuses, l'intérieur forme des canaux permettant la circulation d'un fluide de refroidissement. La bobine selon l'invention peut avoir un seul circuit de refroidissement commun à chaque enroulement. Cependant, de meilleurs résultats sont obtenus si chaque enroulement possède son propre circuit de refroidissement. Les circuits de refroidissement sont alors mis en parallèle.
• Le bobinage peut se faire du haut vers le bas, ou de l'intérieur vers l'extérieur, ou encore par une autre méthode. L'important est de conserver le même sens de bobinage pour les enroulements.
• La figure 2 est une vue en coupe d'une bobine d'induction selon la présente invention, la coupe étant faite dans un plan comprenant l'axe de la bobine.
• La bobine d'induction 20 comprend, dans cet exemple de mise en oeuvre, trois enroulements coaxiaux : un enroulement extérieur 21, un enroulement central 22 et un enroulement intérieur 23. Chaque enroulement comprend, dans cet exemple, cinq spires de forme polygonale (par exemple hexagonale). La demi-section 24 de la bobine présente une hauteur B et une largeur C. Elle est située à une distance moyenne A de l'axe de la bobine. Des cales en matériau électriquement isolant sont prévues dans la bobine pour supporter les spires des enroulements et pour séparer les enroulements entre eux.
• Pour satisfaire le modèle de Brooks, on fait en sorte que B = C, c'est-à-dire que la demi-section 24 est un carré. De même, on choisira A et B de sorte que 3A ≤ 6B ≤ 5A.
• Pour une bobine d'inductance selon la présente invention, on constate, par rapport à une bobine de l'art antérieur constituée d'un simple solénoïde, de même valeur d'inductance et de même section de barre, une réduction de 40% du poids de la bobine, 25% de pertes Joules en moins et une hauteur réduite de trois fois.

Claims (6)

1. Bobine d'induction à air (20) pour fortes puissances formée par bobinage de barres creuses en matériau électriquement conducteur, caractérisé en ce qu'elle comprend au moins deux enroulements (21, 22, 23) disposés coaxialement et l'un dans l'autre, les enroulements étant connectés en série de façon à conserver le même sens d'enroulement, la bobine d'induction présentant un rayon moyen A, une demi-section (24) dans un plan comprenant l'axe de la bobine qui est de forme carrée de côté B, de sorte à satisfaire la relation : $$\mathrm{2}\mathrm{A}<\mathrm{6}\mathrm{B}<\mathrm{6}\mathrm{A}\mathrm{.}$$

   
2. Bobine d'induction selon la revendication 1, dans laquelle les enroulements sont constitués de spires polygonales.
3. Bobine d'induction selon la revendication 2, dans laquelle les enroulements sont constitués de spires hexagonales.
4. Bobine d'induction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les barres creuses sont en aluminium ou en cuivre.
5. Bobine d'induction selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la bobine comprend trois enroulements (21, 22, 23), chaque enroulement possédant cinq spires.
6. Bobine d'induction selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les barres creuses formant des canaux pour la circulation d'un fluide de refroidissement, chaque enroulement possède son propre circuit de refroidissement.

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