FR3059200A1 - La regulation de la temperature d'un element en mouvement - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de chauffer et de réguler la température d'un élément en mouvement ayant des propriétés de conducteur électrique. Le procédé comprend l'étape de fournir un circuit de chauffage (402) comprenant une bobine d'induction (412) et un condensateur (411) branchés en parallèle et qui constituent un circuit résonnant. Le circuit de chauffage (402) est alimenté par une tension d'alimentation continue (Ubus). Le courant consommé par l'alimentation du circuit de chauffage (402) est mesuré, et la puissance fournie par l'alimentation du circuit de chauffage (402) est calculé. La température de l'élément est estimée, et la température de l'élément est régulée à une température de consigne prédéterminée.

Description

Titulaire(s) : COMPAGNIE GENERALE DES ETABLISSEMENTS MICHELIN Société en commandite par actions, MICHELIN RECHERCHE ET TECHNIQUE S.A. Société anonyme.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : MANUFACTURE FRANÇAISE DES PNEUMATIQUES MICHELIN.
164) LA REGULATION DE LA TEMPERATURE D'UN ELEMENT EN MOUVEMENT.
FR 3 059 200 - A1
16£) L'invention concerne un procédé de chauffer et de réguler la température d'un élément en mouvement ayant des propriétés de conducteur électrique. Le procédé comprend l'étape de fournir un circuit de chauffage (402) comprenant une bobine d'induction (412) et un condensateur (411) branchés en parallèle et qui constituent un circuit résonnant. Le circuit de chauffage (402) est alimenté par une tension d'alimentation continue (Ubus). Le courant consommé par l'alimentation du circuit de chauffage (402) est mesuré, et la puissance fournie par l'alimentation du circuit de chauffage (402) est calculé. La température de l'élément est estimée, et la température de l'élément est régulée à une température de consigne prédéterminée.
402
i
LA RÉGULATION DE LA TEMPÉRATURE
D’UN ÉLÉMENT EN MOUVEMENT
DOMAINE TECHNIQUE
L’invention concerne de manière générale un procédé et un système permettant la régulation de la température d’un élément à chauffer pour un élément en mouvement ayant des propriétés de conducteur électrique.
CONTEXTE
Le chauffage peut être généré en emballant une bobine chauffante, alimentée par un courant alternatif. Ce type-ci de chauffage, qui s’appelle « chauffage par induction », est connu en chauffant les éléments ayant des propriétés de conducteur électrique. En fabricant le conducteur électrique, ses propriétés sont données par le matériau conducteur qui est choisi, y compris des matériaux métalliques (par exemple, acier, cuivre, aluminium, fibre de carbone, etc.). Les propriétés de chaque matériau conducteur sont connues (par exemple, la perméabilité relative est donnée par rapport à l’inductance à la bobine), et donc un élément ayant des propriétés de conducteur électrique porte aussi ses propriétés. Dans la suite de la description, les termes « élément » et « élément ayant des propriétés de conducteur électrique » seront utilisés de manière interchangeable. Un « élément » ou un « élément ayant des propriétés de conducteur électrique » pourrait inclure un fil métallique comme connu.
Dans les processus de chauffage par induction, la mesure et le contrôle de la température d’un élément est effectué. Pour un élément qui se déplace pendant le chauffage, il faut mesurer et maîtriser la température de l’élément à une valeur stable durant un temps prédéterminé. Par l’aide d’un chauffage par induction de l’élément et par la mesure de la puissance absorbée, l’élément en mouvement peut être utilisé pour estimer et pour réguler sa température propre.
RÉSUMÉ
L’invention concerne un procédé de chauffer et de réguler la température d’un élément en mouvement ayant des propriétés de conducteur électrique. Le procédé comprend l’étapes suivantes : fournir un circuit de chauffage comprenant une bobine d’induction et un condensateur branchés en parallèle et qui constituent
2016PAT00301FR un circuit résonnant ; alimenter le circuit de chauffage par une tension d’alimentation continue; mesurer le courant consommé par l’alimentation du circuit de chauffage ; calculer la puissance fournie par l’alimentation du circuit de chauffage; estimer la température de l’élément; et réguler la température de l’élément à une température de consigne prédéterminée.
La puissance correspondante à la mesure du courant consommé par l’alimentation du circuit de chauffage représente la puissance électrique consommée pour chauffer l’élément.
Dans certains modes de réalisation, l’étape de réguler la température de l’élément comporte l’étape d’établir une période de régulation afin d’asservir la température de l’élément à la température de consigne prédéterminée. Dans certains modes de réalisation, cette période de régulation est établie toutes les 100ms.
Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend aussi l’étape de varier un temps de chauffe qui est calculé pendant la période de régulation.
Dans certains modes de réalisation, la tension d’alimentation continue est hachée par des transistors électroniques afin de constituer une tension alternative aux bornes de la bobine d’induction et du condensateur. La tension appliquée à la bobine d’induction est sinusoïdale.
Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend aussi l’étape d’entraîner l’élément à une vitesse constante prédéterminée en passant l’élément par l’intérieur de la bobine d’induction.
L’invention concerne également un système de régulation de la température d’éléments en mouvement ayant des propriétés de conducteur électrique. Le système comprend une installation de chauffage qui effectue un procédé comme décrit.
L’invention concerne également un élément formé par ce système.
D’autres aspects de la présente invention vont devenir évidents grâce à la description détaillée suivante.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La nature et les divers avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, conjointement avec les dessins annexés, sur lesquels les mêmes numéros de référence désignent partout
2016PAT00301FR des parties identiques, et dans lesquels:
La figure 1 représente une vue schématique d’un mode de réalisation d’un système pour le chauffage d’un fil en mouvement ayant des propriétés de conducteur électrique.
La figure 2 représente un mode de réalisation de la bobine d’induction du système de chauffage de la figure 1.
La figure 3 représente un mode de réalisation d’un circuit de chauffage comprenant la bobine d’induction de la figure 2 et un condensateur et qui est utilisé pour chauffer un fil et pour mesurer sa température.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
En se référant maintenant aux figures, sur lesquelles les mêmes numéros identifient des éléments identiques, la figure 1 représente une réalisation d’un système 10 qui comprend une série d’installations qui permettent de réaliser la chauffe d’un fil en mouvement continu à vitesse constante (par exemple, dans le sens de la flèche A de la figure 1) pour que le fil présente les propriétés souhaitées à sa sortie de l’installation. Le fil pourrait être en mouvement dans d’autres systèmes non représentés.
Le système 10 comprend une installation de déroulage et réglage 100 qui réalise des processus de déroulage et réglage d’un fil 50. Le fil 50 comprend un matériau conducteur pour que le fil soit un élément ayant des propriétés de conducteur électrique. Le fil 50 peut être un fil métallique ayant un diamètre faible (par exemple, un diamètre de l’ordre de 0.2 mm à 1 mm).
Le fil 50 est fourni sur une bobine de fil 110 à l’installation 100. Ce fil peut être rond ou de forme simple (par exemple, carrée, ovale, rectangulaire, etc.) pour que le chauffage soit homogène. A l’installation 100, un régulateur de tension 120 régule une tension de déroulage constante du fil 50. La bobine de fil 110 et le régulateur de tension 120 peuvent être sélectionnés parmi divers appareils disponibles dans le commerce et les processus de déroulage et réglage sont connus de l’homme du métier.
A la sortie de l’installation de déroulage et réglage 100, le fil 50 est transporté vers une installation de chauffage 400 qui permet d’élever la température du fil à une valeur appropriée par rapport aux propriétés souhaitées du fil en sortie de l’installation. A l’installation de chauffage 400, le fil 50 défile à
2016PAT00301FR une vitesse rapide, et il est chauffé à l'aide d'un chauffage par induction.
En se référant aux figures 2 et 3, le chauffage à induction est composé d’une carte électronique de pilotage alimentant une bobine d’induction 412 et un condensateur 411. La température du fil 50 est augmentée par l’intermédiaire de la bobine d’induction 412 placée autour du fil 50. Le matériau du fil 50 a une conductivité électrique et une résistance qui sont dépendantes de la température.
La résistance du matériau peut être calculée par l'intermédiaire de la conductivité électrique étant donné que la résistance et la conductivité sont inversement proportionnelles.
Lorsque la bobine d’induction 412, à l’intérieur de laquelle passe le fil 50 à chauffer, est alimentée par un courant électrique, elle crée un champ magnétique. Ce champ magnétique induit des courants de Foucault dans le fil métallique 50. C’est l’effet Joule, dû aux courants de Foucault, qui est responsable de l’augmentation de la température de l’objet à chauffer (c.-à-d., le fil 50).
La puissance électrique consommée pour chauffer un élément qui est un cylindre de matière peut être décrite comme :
P = π d h H2 ' P ' Po ' Pr ' f ' C F où :
d : Diamètre du cylindre [m] h : Hauteur du cylindre [m]
H : Intensité du flux magnétique [A/m] p: Résistivité [Ω.ιη] du matériau conducteur de l’élément μο : Perméabilité magnétique du vide (4π. 10-7 H/m) pr : Perméabilité relative du matériau conducteur de l’élément f : Fréquence [Hz]
C : Facteur de couplage qui diminue avec la longueur de l’inducteur
F : Facteur de transmission de puissance
On constate que la puissance de chauffe dépend de la résistance de la section de l’élément à chauffer (c.-à-d., le fil 50).
La figure 3 représente le schéma électrique du four à induction qui est représenté par un circuit de chauffage 402. Le circuit de chauffage 402 est alimenté par une tension d’alimentation continue (Ubus). La tension alimentation continue est ensuite hachée par des transistors électroniques 408 afin de constituer une tension alternative aux bornes de la bobine 412 (c.-à-d., une self idéale 404 et
2016PAT00301FR une résistance self 410) et du condensateur 41 l(c.-à-d., un condensateur idéal 406 et une résistance condensateur 407), et cette tension est mesurée par une mesure de tension (V) 414. La tension d’alimentation du circuit de chauffage est bien continue, celle de la bobine est alternative et de fréquence proche de la fréquence de résonnance.
La tension d’alimentation du four à induction est pilotée par la carte électronique et son amplitude est donc connue. La puissance fournie par le chauffage peut être donc connue par la mesure du courant qui traverse le circuit grâce à un capteur de courant (voir la mesure du courant (A) 413 à la figure 3) et en multipliant ce courant par l’amplitude de la tension d’alimentation du circuit de chauffage. Le fait de se placer à une fréquence proche de la fréquence de résonance permet de minimiser la puissance d’alimentation.
En effet, au premier ordre, l’alimentation du four à induction n’a besoin que de compenser les pertes du système. Ces pertes sont principalement les pertes par courant de Foucault dans l’élément à chauffer. Les pertes par courant de Foucault dépendent de la résistance du fil à chauffer, une résistance qui augmente avec l’augmentation de sa température. En augmentant la température du fil, les pertes et donc la puissance à fournir par l’alimentation sont augmentées.
En mesurant la puissance fournie par le chauffage, on arrive donc par correspondance à connaître la température du fil 50. On peut ainsi par une régulation appropriée maîtriser précisément la température du fil 50 afin, par exemple, de ne pas dégrader les propriétés mécaniques du fil.
Le circuit de chauffage 402 est alimenté, de manière permanente, par une tension continue (Ubus). Pendant une première phase de chauffage, la bobine (412) et le condensateur (411) sont alimentés, durant un temps prédéterminé, par une tension sinusoïdale issue du hachage de la tension continue par les transistors 408. Ce temps est prédéterminé par le régulateur de chauffe, et ce temps dépend, entre autre, de l’erreur de température (consigne-mesure). Pendant cette phase, on mesure le courant consommé par le circuit de chauffage 402. Grâce à la connaissance de la tension d’alimentation (Ubus) du circuit de chauffage (412), on en déduit la puissance consommée par le circuit de chauffage et donc on en déduit la température du fil 50.
Ensuite, on coupe l'alimentation de la bobine d’induction 412 et du condensateur 411. Après cette coupure, la partie du circuit de chauffage 402 qui
2016PAT00301FR comprend un circuit self-condensateur (412 et 411) continue d'osciller à la fréquence de résonance du circuit. C'est à ce moment qu'on mesure la fréquence de résonance grâce à la mesure de tension 414, principalement pour des contrôles de procédé.
Enfin, en connaissant la température du fil, un régulateur détermine le temps de chauffage pour une période de régulation afin d’asservir la température du fil 50 à celle de consigne. Dans un mode de réalisation, une période de régulation est établie toutes les 100ms. La valeur de la période de régulation peut être différente, de même, dans le cas cité ici, le temps de conduction varie entre 5 et 95ms. Dans une autre réalisation, la période de régulation est établie toutes les 250ms, et le temps de conduction varie entre 5 et 245ms. Si on choisit une période de régulation différente, le temps de conduction variera.
La régulation de température du fil 50 se fait en variant le temps de chauffe calculé par le régulateur pendant la période de régulation (par exemple, le temps de chauffe calculé par le régulateur toutes les 100ms, toutes les 250ms, etc.). Le fil 50 (ou une portion de fil considéré) entre dans la bobine 412 avec une température égale à la température ambiante. Chaque portion de fil considéré se déplace en avançant dans la bobine 412, et chaque portion subit le chauffage A la sortie 412b de la bobine 412, la température du fil 50 a atteint la température de consigne.
On maintient la température sur toute la longueur du fil, ou durant tout le temps nécessaire au procédé. Le régulateur de température va calculer toute les périodes de régulation (par exemple, toutes les 100ms) le temps de chauffe qui sera dépendant de l’erreur de température. Dans quelques réalisations, il s’est passé plusieurs périodes de régulation avec à chaque fois un temps de chauffe différent et une erreur de température diminuante. La régulation fonctionne tout le temps, et on est tout le temps en train de maintenir la température. On chauffe un peu si la température est proche de la consigne, et on chauffe plus si la température est éloignée de la consigne.
La vitesse de défilement doit être constante pour pouvoir mesurer la température. La géométrie du fil 50 doit aussi être constante, c'est-à-dire que la section transversale du fil doit être constante le long de sa longueur. La résistivité électrique et la perméabilité magnétique du fil 50 doivent être stables pour une température donnée.
En se référant encore à la figure 1, un fil 50 est entraîné par une installation
2016PAT00301FR d’entrainement 500 qui entraîne le fil 50 à une vitesse constante donnée. Dans certaines réalisations, le fil peut se déplacer à une vitesse d’environ 5 m/min. Dans certaines réalisations, le procédé de dépôt permet le dépôt à une vitesse d’avancement du fil de quelques mètres par minute jusqu’à 100 m/min. L’installation d’entrainement 500 peut être sélectionnée parmi une variété d’appareils disponibles dans le commerce.
L’installation d’entrainement 500 transporte le fil 50 à partir de l’installation de chauffage 400 (par le passage au travers de la bobine d’induction 412 dans le sens de la flèche A) vers une installation de rembobinage et réglage 600. L’installation de rembobinage et réglage 600 réalise un processus de rembobinage et réglage de la tension du fil 50 qui alimente une bobine réceptrice 610 de l’installation 600. A l’installation 600, un régulateur de tension 620 régule une tension de rembobinage constante du fil 50. La bobine réceptrice 610 et le régulateur de tension 620 peuvent être sélectionnés parmi divers appareils disponibles dans le commerce. Les processus de rembobinage et réglage sont connus par l’homme du métier.
Un ou plusieurs capteurs et/ou types de capteurs peuvent être éventuellement utilisés, y compris, mais sans limitation, les capteurs environnementaux (par exemple, pour détecter les conditions atmosphériques telles que la température, la pression et/ou l’humidité pendant le déroulement du procédé) et des capteurs de vérification (par exemple, pour détecter une déviation par rapport à une propriété prescrite). De cette manière, l’invention permet de traiter une grande variété d’éléments en fonction du produit à fabriquer.
Au moins certaines des diverses techniques peuvent être mises en œuvre en relation avec un matériel ou un logiciel ou, si cela se justifie, avec une combinaison des deux. Tel qu’utilisé ici, le terme « méthode » ou « procédé » peut englober une ou plusieurs étapes effectuées au moins par un appareil électronique ou basé sur un ordinateur ayant un processeur servant à exécuter des instructions qui réalisent les étapes.
Les termes « au moins un(e) » et « un(e) ou plusieurs » sont utilisés de façon interchangeable. Les gammes qui sont présentées comme se situant « entre a et b » englobent les valeurs de « a » et « b ».
Bien que des modes de réalisation particuliers de l’appareil révélé aient été illustrés et décrits, on comprendra que divers changements, additions et
2016PAT00301FR modifications peuvent être pratiqués sans s’écarter de l’esprit ni de la portée du présent exposé. Par conséquent, aucune limitation ne devrait être imposée sur la portée de l’invention décrite à l’exception de celles exposées dans les revendications annexées.
2016PAT00301FR

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de chauffer et de réguler la température d’un élément en mouvement ayant des propriétés de conducteur électrique, dans lequel le procédé comprend les étapes suivantes :
    fournir un circuit de chauffage (402) comprenant une bobine d’induction (412) et un condensateur (411) branchés en parallèle et qui constituent un circuit résonnant ;
    alimenter le circuit de chauffage (402) par une tension d’alimentation continue (Ubus);
    mesurer le courant consommé par l’alimentation du circuit de chauffage (402) ;
    calculer la puissance fournie par l’alimentation du circuit de chauffage (402);
    estimer la température de l’élément; et réguler la température de l’élément à une température de consigne prédéterminée.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la puissance correspondante à la mesure du courant consommé par l’alimentation du circuit de chauffage (402) représente la puissance électrique consommée pour chauffer l’élément.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel l’étape de réguler la température de l’élément comporte l’étape d’établir une période de régulation afin d’asservir la température de l’élément à la température de consigne prédéterminée.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la période de régulation est établie toutes les 100ms.
  5. 5. Procédé selon la revendication 3 ou la revendication 4, comprenant en outre l’étape de varier un temps de chauffe qui est calculé pendant la période de régulation.
    2016PAT00301FR ίο
  6. 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la tension d’alimentation continue (Ubus) est hachée par des transistors électroniques (408) afin de constituer une tension alternative aux bornes de la bobine d’induction (412) et du condensateur (411), et la tension appliquée à la bobine d’induction
    5 (412) est sinusoïdale.
  7. 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre l’étape d’entraîner l’élément à une vitesse constante prédéterminée en passant l’élément par l’intérieur de la bobine d’induction (412).
  8. 8. Système de régulation de la température d’éléments en mouvement ayant des propriétés de conducteur électrique, comprenant une installation de chauffage (400) qui effectue un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
  9. 9. Système selon la revendication 8, comprenant en outre :
    une installation de déroulage et réglage (100) qui réalise des processus de déroulage et réglage d’un élément ayant des propriétés de conducteur électrique ;
    20 un système d’entrainement (500) qui entraîne l’élément à une vitesse constante donnée ; et une installation de rembobinage et réglage (600) qui réalise un processus de rembobinage et réglage de la tension de l’élément
    25
  10. 10. Un élément formé par un système selon la revendication 8 ou la revendication 9.
  11. 11. L’élément selon la revendication 10, comprenant un fil métallique (50).
    2016PAT00301FR
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