FR2539265A1 - Appareil de chauffage par induction a plusieurs charges oscillantes alimentees par un meme onduleur a source de courant - Google Patents

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 80, 83 comprend un inducteur de chauffage faisant partie d'un circuit résonnant parallèle. Ces charges 80, 83 sont reliées en série entre les bornes de sortie 18, 19 d'un onduleur 10 et sont respectivement connectées en parallèle avec des interrupteurs électroniques de puissance 118, 110 qui permettent de réguler, par l'intermédiaire de leurs rapports cycliques d'alimentation respectifs, la puissance fournie par l'onduleur 10 à chacune d'elles 80, 83, de façon sensiblement indépendante. Application notamment à des chauffeuses de forge ou de fils ou câbles en défilé. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

APPAREIL DE CHAUFFAGE PAR INDUCTION

A PLUSIEURS CHARGES OSCILLANTES

ALIMENTEES PAR UN MEME ONDULEUR

A SOURCE DE COURANT

L'invention concerne des appareils de chauffage ou chauf-

feuses par induction de produits métalliques en défilement per-

manent, comprenant plusieurs charges oscillantes dont les induc-

teurs 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 com-

mandés 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,

SCH/POE

de préférence, réunie ici aux bornes d'au moins un circuit résonnant parallèle, d'o 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 1 i 90, 1 602456, 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 publi-

cations FR-A-2 206 644 ou 2 275 105) 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 res-

pectif d'interrupteurs électroniques bidirectionnels composés 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 élec-

troniques 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 inter-

rupteurs pour déterminer la période de fonctionnement de P'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 aisèment

applicable à des onduleurs du type à source de courant qui pré-

sentent 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.

La présente invention a pour objet, un appareil de chauffage par induction à plusieurs charges résonnantes parallèles, alimentées par un même onduleur à source de courant, avec possibilité de

régulation de la puissance fournie par celui-ci à chacun des induc-

teurs de chauffage.

Suivant l'invention, 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, est principalement caractérisé en ce que ces charges connectées en série entre les bornes de sortie

de l'onduleur, sont respectivement connectées, en outre, éventuel-

lement à l'exception de l'une d'elles, en parallèle avec des inter-

rupteurs 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 sensi-

blement indépendante, par le rapport cyclique de son alimentation

3 o en courant alternatif par l'onduleur à source de courant en fonction-

nement permanent.

L'invention sera mieux comprise et d'autres de ses objets,

caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit

et kes dessins annexés s'y rapportant, donnés à titre d'exemple, sur lesquels: i 9265 la figure I 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 oscil-

lantes dont la seconde est régulée en puissance indépendamment de la première, suivant l'invention; les figures 3 A à 3 D 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 ou les deux charges oscillantes qu'alimente l'onduleur sont alimentées périodiquement de manière indépendante; les figures 5 A et 5 B 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 6 A et 6 B 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 7 A et 7 B 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 l est un schéma synoptique d'un appareil de chauf-

fage 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 5 éme édition de l'ouvrage américain intitulé "SCR MANUAL"I, 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 constitué 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 Il peut également comprendre plusieurs ponts

associés à chacune des phases, qui sont alors respectivement com-

mandées avec des décalages de phase appropriés.

Cette tension moyenne d'alimentation de l'onduleur I détermine par la suite la puissance alternative délivrée par celui-ci à la charge La commande du déphasage ou du retard de phase (inférieur àt) 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 thermoélectrique 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 con-

densateur 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 I'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 démar-

rage 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 com-

mandé 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 chauf-

fage 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 o 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 3 A, 3 B, et 3 D sont des diagrammes des formes d'onde des courants en divers points du circuit de la figure 2, tandisque la figure 3 C 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 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 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 bidirec-

tionnel commandé 110 comprenant des thyristors 111, 112 connectés têtebêche, 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 82 de la première 8 est sensiblement directement réunie à celle 19 de l'onduleur 1 Les deux charges oscillantes 8 et 83 doivent avoir 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 ou afin qu'entre le début et la fin de chaque période d'oscillation,

elle ne comporte qu'un seul passage par zéro.

Le courant io fourni par l'onduleur 1 est représenté par la

figure 3 A Il a une forme rectangulaire ou trapézoîdale.

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 représentée par le diagramme de la figure 3 C, prélévée aux bornes du condensateur d'accord 90 de la seconde charge 83, qui est en parallèle avec le second inducteur de chauffage 61 A cette 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 synchro-

niser le début des périodes de fermeture de l'interrupteur 110, à

l'entrée de commande 116 d'un circuit de commande 114 de l'inter-

rupteur 110 Les sorties de ce circuit 114 fournissent des signaux

rectangulaires appliqués entre gâchette et cathode de chaque thy-

ristor 111, 112, de sorte que ceux-ci sont rendus en même temps alternativement conducteurs et bloqués Les courants de gâchette i G qu'ils provoquent sont représentés par le diagramme de la figure

3 B.

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 U entre les bornes 84 et 85, représentée par le diagramme de la figure 3 C (voir à l'instant t 2) 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 3 A à 3 D) du fonction-

nement alterné de l'interrupteur 110 comprenant un intervalle d'ouverture T et un intervalle de fermeture T 5 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 k Hz), la fréquence de fonctionnement ( 1/TF) pourra

être choisie inférieure ou égale à 15 Hz Pour des charges oscil-

lantes à fréquence de résonance plus élevée (de l'ordre de 10 k Hz 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 automa-

tiquement lors du premier passage par zéro du courant de sortie de l'onduleur i O représenté sur la figure 3 A, à l'instant t 1, qui est immédiatement consécutif à l'instant t de l'annulation du courant o de gâchette 'GIII/112 (voir figure 3 B), 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 rectan-

gulaires 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 de deux impulsions

successives du train suffisamment brefs pour éviter des désa-

morçages 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 T /T de la durée de la période d'ouverture T de l'inerruteu O TF 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 Il permanente de l'interrupteur 110 avec ce rapport cyclique La

puissance nécessaire pour chauffer un produit métallique en défi-

lement dans le champ d'un inducteur dépend de nombreux para-

mètres, 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 quasilinéairement avec la vitesse de défilement Il convient donc de faire varier le rapport cyclique d'ouverture de l'interrupteur 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 qui est avantageusement équipée d'un microprocesseur et de

mémoires mortes interchangeables qui sont préalablement pro-

grammées 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 puis-

sance crête et, à partir de celle-ci (stockée pendant les périodes de

fermeture de l'interrupteur 110), le rapport cyclique To/TF néces-

saire 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 indépen-

dante 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, le rapport cyclique variera en sens inverse

sous l'effet de l'unité centrale de calcul 140.

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 pro-

tection 63 forme avec la 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 A\IC/L 63, 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 dia-

gramme de la figure 3 D O 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 -indé-

pendante. Sur la figure 4, les deux charges oscillantes 80 et 83 (analogues

à celle 83 de la figure 2) sont respectivement connectées en paral-

lèle 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 précé-

demment, par exemple, pour faire varier le rapport cyclique de la mise en circuit de chaque charge 80) 83 en fonction de la vitesse de défilement V du produit à chauffer Les deux charges 80, 83

shuntées par leurs interrupteurs respectifs 118, 110 étant con-

nectées 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 lesdeux 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 la puissance maxi-

male, 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 80, 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, supérieur à deux, charges oscillantes connectées en série, tous les N ou N 1 des 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 5 A et 5 B 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, repré-

sentée 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 5 A que la puissance P 83 ou PC de la

section de préchauffage et de chauffe (l'inducteur 61) varie sensi-

blement linéairement avec la vitesse de défilement V jusqu'à la vitesse maximale Vmax' La régulation de la puissance P 83 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 5 B, on peut voir, par contre, que la puissance P 8 (ou P 0) 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 P Mmax 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, P'onduleur 1 ( 10) peut délivrer aux deux charges 83, 8 ( 80) la puissance maximale (déphasage nul) et l'interrupteur unique 111 ou

les deux interrupteurs 110 et 118 resteront ouverts en permanence.

En général, la puissance maximale P Mmax de la section de maintien ( 8, 80) sera de l'ordre du quart de la puissance maximale P Cmax de

la section de chauffe ( 83).

Les figures 6 A et 6 B 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 6 A illustre l'évolution théorique de la puissance appliquée à la charge 80 (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 6 B.

La puissance maximale qui est fournie à la section de rat-

trapage (P ma X) est généralement inférieure ou égale au sixième de la puissance maximale fournie à la section de chauffage (P Cmax* Sur les diagrammes des figures 6 A et 6 B, on voit que la puissance PR (P 80) appliquée à la section de rattrapage ( 80 de la figure 4) augmente linéairement avec la vitesse à partir d'une vitesse nulle jusqu'à une vitesse V O pour y atteindre sa valeur maximale P max' tandisque celle P de la section de chauffage ( 83 de figure 4) reste nulle entre V = O et V = V 5 La régulation de la puissance de rattrapage PR dans cette gamme de vitesses est effectué uniquement par le déphasage de l'amorçage du redresseur

( 2, figure 2), l'interrupteur 118 (figure 4) restant ouvert en perma-

nence afin que la sortie de l'onduleur 10 soit chargée par un circuit oscillant 80 et l'interrupteur 110 restant fermé pour court-circuiter

la section de chauffage ( 83).

A partir de la vitesse V 0, 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 80 de la section

de rattrapage qui reste alimentée en permanence reçoit une puis-

sance linéairement décroissante avec la vitesse.

La puissance fournie à la charge de rattrapage 80 qui décroit

linéairement est régulée par le déphasage de l'amorçage du redres-

seur ( 2, figure 2) jusqu'à une vitesse V 1 (supérieure à VO).

A partir de la vitesse V 1 et jusqu'à une vitesse V 2 supérieure à VI, la régulation des puissances respectivement appliquées aux charges de rattrapage 80, qui décroît, et de chauffage 83, qui croît sensiblement linéairement avec la vitesse de défilement V jusqu'à une valeur PC 2 à la vitesse V 2, est effectueé par la variation du

rapport cyclique de leur alimentation respective en courant alterna-

tif à partir de l'onduleur 10 fonctionnant en régime permanent.

Du fait qu'entre les vitesses V O et VI, la puissance de chauf-

fage 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 V 1, 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 F figures 3 A à 3 D) 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 ( 80 ou 83) La puissance de chauffage PC ayant déjà été régulée antérieurement à l'instant o la vitesse V 1 a été atteinte, par un accroissement du

rapport cyclique d'ouverture de l'interrupteur 110, une telle synchro-

nisation 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 7 A et 7 B représentant respectivement des diagrammes des impédances des deux interrupteurs Z 110 et Z 118 en fonction du temps. On voit sur la figure 7 A, qu'à l'instant t 1 de la fin de l'intervalle d'ouverture de l'interrupteur 110 son impédance Z 110 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 7 B, prend une valeur très élevée par rapport à celle de la charge 80 qu'il shunte A l'instant t 2, l'interrupteur I 10 est réouvert, tandisque l'interrupteur 118 reste 2539265 i ouvert jusqu'à l'instant t 3, indiquant qu'au cours de l'intervalle de recouvrement TR compris entre t 2 et t 3, les deux charges 80, 83 sont alimentées en série A l'instant te 3 l'interrupteur 118 se referme en court-circuitant la charge de rattrapage 80 et il reste fermé jusqu'à l'instant t 4 de fermeture de l'interrupteur 110. Comme représenté sur les figures 6 A et 6 B, entre les vitesses de défilement V 1 et V 2, la durée de l'ouverture de l'interrupteur 110 augmente linéairement avec l'augmentation de la vitesse V, tandisque celle de l'interrupteur 11 diminue Lorsque la vitesse V 2 est atteinte, la durée d'ouverture Toi 10 de l'interrupteur 110 devient égale à la période de fonctionnement TF, tandisque celle Tol 18 de l'interrupteur 118 devient nulle Autrement dit, la charge de chauffage 83 est dès lors alimenté en permanence, tandisque la

charge de rattrapage 80 reste court-circuitée.

A partir de la vitesse V 2 (puissance PC 2 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 dépha-

sage nul qui correspond à une tension moyenne d'alimentation maximale de l'onduleur et, par conséquent, à une puissance de chauffage maximale PC max' représentée sur la figure 6 B. 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 illus-

tratif, mais s'applique à d'autres appareils de chauffage par induc-

tion à onduleur du type source de courant devant alimenter plusieurs charges oscillantes dont chacun doit fournir une puissance de

chauffage variable de manière indépendante.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1 Appareil de chauffage par induction de produits métalliques en défilement, dans lequel plusieurs charges oscillantes ( 8, 83, 80) 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, 80) connectées en série entre les bornes

de sortie ( 17, 18) de l'onduleur ( 1, 10), sont respectivement con-

nectées, 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 com-

mandées pour être alternativement ouverts et fermés, de telle sorte que la puissance moyenne de chauffage des inducteurs ( 6, 61) de chaque charge ( 8, 83, 80) 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 fonction-

nement permanent.

2 Appareil de chauffage par induction suivant la revendication

1, caractérisé en ce que le rapport cyclique déterminant la puis-

sance de chauffage moyenne de l'inducteur ( 61) de chaque charge ( 83, 80) shuntée par un interrupteur ( 110, 118), est élaboré en 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).

2539265,

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 ( 80, 83) au moyen des interrupteurs parallèles ( 1109 118) et par la variation de la tension moyenne d'alimentation de I'onduleur ( 1, 10) sont respectivement commandés par l'unité centrale de calcul

et de commande ( 140, 150) et utilisés de manière combinée.

Appareil de chauffage par induction suivant l'une des

revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque inter-

rupteur électronique commandé à conduction bidirectionnelle ( 110, 118) comprend deux thyristors ( 111, 112) connectés en anti-parallèle

par leurs trajet anode-cathode (tête-bêche).

6 Appareil de chauffage par induction suivant l'une des

revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune des

charges oscillantes ( 83, 80) connectées en parallèle avec un inter-

rupteur ( 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 en parallèle avec l'inducteur de chauffage ( 61) de la charge ( 83) et qui forme, 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 ( 9063) réalisé lors de la fermeture de l'interrupteur ( 110)

soit comprise entre 0,25 et 0,6.

2539265-

Appareil de chauffage par induction suivant l'une des

revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit com-

mandant ( 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, ) 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).