WO2017103231A1 - Procede d'optimisation de chauffage par induction - Google Patents

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WO2017103231A1
WO2017103231A1 PCT/EP2016/081612 EP2016081612W WO2017103231A1 WO 2017103231 A1 WO2017103231 A1 WO 2017103231A1 EP 2016081612 W EP2016081612 W EP 2016081612W WO 2017103231 A1 WO2017103231 A1 WO 2017103231A1
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WO
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inductors
currents
current
harmonics
fundamental
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PCT/EP2016/081612
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Olivier Pateau
Pascal Maussion
Abdoul Majid SOULEY MADOUGOU
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Electricite de France SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Original Assignee
Electricite de France SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/101—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces
    • H05B6/103—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces multiple metal pieces successively being moved close to the inductor
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/36—Coil arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an induction heating optimization method and in particular to an induction heating optimization method implemented in a device comprising magnetically coupled inductors.
  • magnetic coupling is meant that the inductors produce between them mutual inductions.
  • the invention relates to an induction heating optimization method implemented in a room heater, but also to an induction heater and a heater assembly.
  • the control of the distribution of the magnetic field and the power density injected into the part can thus for example be achieved by the use of mechanical actuators.
  • a complex use of inductor forms can also be envisaged to perform this control of the distribution of the magnetic field and the power density injected into a room to be heated by induction.
  • such means cause a particularly long response time, especially when, in the industrial process, a change in the shapes of the parts and / or the dimensions of the parts to be heated is achieved.
  • production lines do not allow to adapt rapidly to a continuous operation and a change of position or format of the parts to be heated, and to adapt according to this change the desired temperature profile.
  • additional losses are induced in the mechanical members that can heat up and the electromagnetic forces involved can cause vibrations on these parts.
  • the publication WO201 104831 6 of the applicant describes an example of a method as previously described, which overcomes the disadvantages mentioned above. More specifically, this publication discloses a heating process in which the induction heating is implemented in a device comprising magnetically coupled inductors and which eliminates any mechanical adjustment parts so as to avoid the losses induced in these devices. mechanical parts and so to simplify the implementation of the room heating.
  • the method described in the publication WO201 104831 6 made it possible to take into account the numerous 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 to control with a good precision the temperature profile generated by the inductors.
  • the method described in WO201 104831 also allows the adjustment of 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 process described in WO201 104831 6 is satisfactory.
  • stronger couplings between the load and the inductors can cause strong disturbances of the currents in the inductors fed with voltage or current inverters. These strong disturbances disrupt the control of the inverters and inductors and consequently the quality of the room heating.
  • EP 2,571,331 discloses a method for reducing current distortions created in a three-phase supply network of an induction hob without considering the distortions influencing the inductors.
  • the present invention is intended to overcome these disadvantages.
  • the invention relates to an induction heating optimization method implemented in a room heating device, the device comprising magnetically coupled inductors, each inductor being powered by a voltage or current inverter. its own circuit and associated with a capacitor to form an oscillating circuit, said oscillating circuits having substantially the same resonance frequency, each inverter being controlled by a control unit so as to vary the amplitude and the phase of the current flowing through it.
  • the device further comprising means for determining said current as well as means for determining an effective temperature profile of said heated part, said method comprising the steps following:
  • the currents passing through the inductors are determined in order to compare them with said target values and to determine currents to be corrected, and correction commands are sent to said control units as a function of said current differences in order to control the inverters so as to correct the currents passing through the inductors for the fundamental frequency as well as for the harmonics.
  • the control of the harmonics of the current across the inductors makes it possible to send inductor terminals a less disturbed signal and therefore with fewer distortions.
  • the method according to the invention allows a greater adaptability.
  • the harmonics of the current delivered by each inverter are optimized so as to improve the quality of induction heating.
  • the electrical capacitance of the capacitors is calculated to compensate for the reactive energy carried by the fundamental currents of the inductors as a function of the knowledge of the electromagnetic relations linking said inductors to each other.
  • step b) vector image functions representative of the relationships linking the current densities created by the inductors to the currents traversing the inductors for each considered harmonic of the current are used in order to obtain the values of the current and phase amplitudes of the currents of the inductors.
  • the target values are calculated by the knowledge of the impedance matrix determined by the knowledge of the electromagnetic relations linking said inductors to each other and to said piece for the fundamental current and the knowledge of the matrices of impedances for each harmonic h considered.
  • the amplitudes and phases of the harmonics of rank i are identified and determined, with i ranging from 2 to n, the number n being a natural integer to be determined.
  • the harmonics of rank 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10 can be considered.
  • the harmonics of rank 3, 5 and 7 can be considered. .
  • the capacitances of the capacitors are determined and an impedance matrix is associated with a capacitance vector.
  • a pulse width modulation is performed by inserting additional angles in order to suppress harmonics with a rank greater than or equal to two of the currents flowing through the inductors.
  • harmonics higher than two of the currents flowing through the inductors are removed.
  • the fundamental of the current delivered by each Inverter is controlled.
  • a square signal may be used.
  • the present 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 fundamental and harmonics of the current flowing through the corresponding inductor;
  • calculation means based on knowledge of an impedance matrix, of target currents to be delivered by the inverters so that the currents of the inductors and their harmonics reach appropriate target values for injecting into said part said power density profile reference;
  • the inductors have magnetic yokes for channeling the magnetic flux.
  • the present invention finally relates to an induction heating assembly comprising an induction heating device as previously described and a room heated by the heating device via the heating method described above.
  • the heated part is metallic. In one embodiment, the heated part comprises a ferromagnetic metal. However, in alternative embodiments, the heated part is not necessarily metallic. For example, the heated room can be solely electrically conductive and therefore receptive to induction heating.
  • FIG. 2 schematically represents an example of an inductor comprising a magnetic yoke
  • FIG. 3 diagrammatically represents a first embodiment of an induction heating device implementing a heating method, in which the harmonics of the currents are suppressed so as to reduce the current disturbances in the inductors;
  • FIG. 4 represents a square signal allowing the elimination of two harmonics and the control of the fundamental for the implementation of the method according to the first embodiment.
  • FIG. 5 schematically represents an induction heating device implementing a heating method according to a second embodiment, in which the harmonics of the currents are used in order to improve the quality of the heating of the room and to increase the overall system performance;
  • FIG. 6 represents an optimization flow diagram implemented in the second embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 7 schematically represents the superposition of the effects of the harmonics from the inductive currents in the optimization method according to the first embodiment.
  • FIGS. 1A to 1E are non-limiting examples of heating devices in which the method according to the invention can be implemented.
  • FIG. 1A relates to a transverse flow-heated metal disk configuration using three pairs of twin coils Ind1, Ind2, Ind3.
  • Figure 1B shows an induction heating device similar to that of Figure 1A for heating a sheet 1 1 which is movable during the induction heating process.
  • FIG. 1C schematically represents a second example of an induction heating device applied to the heating of a metal bar 12 which is mobile during the induction heating process.
  • FIG. 1D schematically represents a third example of induction heating device applied to the heating of a sheet 13 which is driven in translation for example during induction heating.
  • Figure 1 E schematically shows a fourth example of induction heating device, applied to the heating of a plate 13 which can also be driven in translation for example during induction heating.
  • the part heated by the induction heating device D is a piece 10, 1 1, 12, 13 metal or not. More precisely, the heated room is electrically conductive and therefore receptive to induction heating.
  • the heated part may be, as represented in FIGS. 1A to 1E, a metal sheet comprising a substantially constant thickness or not and substantially flat, a bar or a tube extending in a longitudinal direction with an open or closed section, constant or variable.
  • the part to be heated may have more complex shapes, for example with bent portions.
  • the room is heated by areas.
  • the heating device D comprises several inductors Ind1, Ind2, Ind3.
  • the heater may comprise two, three, four, five, six or more ind1, ind2, indnd inductors.
  • the heating device comprises ind1 p indinders Indp, with p an integer strictly greater than 1, for example with p equal to 3.
  • Each inductor lindl, ... Indp is crossed by a current h, ..l p (visible in Figures 3 and 5).
  • the current ⁇ ⁇ , p ..l lindl passing through the inductors, ... INDP can be decomposed by Fourier series into a fundamental current ⁇ - ⁇ , - ⁇ , ... the p, i and a plurality of harmonic currents li , h ... l p , h (with h the harmonic frequency or the harmonic order considered).
  • harmonic currents are due to the control mode of the inverters (in particular to the square currents generated by the inverters) and / or to the presence of non-linear magnetic devices (magnetic yokes, ferromagnetic heated parts) in the network of the heating device.
  • harmonics of order h with h being able to be an even or odd number.
  • the harmonics can be considered both odd and even.
  • only the harmonics of odd order can be considered.
  • a harmonic of order 1 corresponds to a fundamental.
  • harmonic corresponds to the harmonic of order 1
  • harmonics corresponds to harmonic order strictly greater than 1.
  • each inductor Ind1,... Indep. Can be associated with a capacitor d,... C p connected in parallel in the case of current inverters.
  • the present invention can also be implemented with voltage inverters. In the case of voltage inverters, the capacitors are in series with the inductors.
  • Each inductor-capacitor pair forms an oscillating circuit
  • Oscillating circuits OC1, ..OCp can each be substantially at the same resonance frequency.
  • Oscillating circuits OC1, ..OCp, and therefore inductors Ind1, ... Indp are powered by inverters 01, ... Op. More specifically, each oscillating circuit OC1, ..OCp is powered by a corresponding inverter O1, ..., Op.
  • the plurality of inverters is in this case connected to a single source 1 continuous. Inverters O1, ..., Op can be either current inverters or voltage inverters.
  • Each inverter O1,..., Op can comprise bidirectional electronic switches. As can be seen in FIGS. 3 and 5, each inverter O1,..., Op is controlled by a control unit, also called modulator M ph with p the number of inverters and h the number of harmonics that are controlled. More precisely, each inverter can correspond to a plurality of modulators. Thus, the first inverter 01 is controlled by a plurality of modulators Mi , 1, ... Mi , h. Similarly, the second modulator is controlled by a plurality of modulators M 2, -i, ... M 2 , h-H is the same for all of the inverters 01, ... Op of the device.
  • a control unit also called modulator M ph with p the number of inverters and h the number of harmonics that are controlled. More precisely, each inverter can correspond to a plurality of modulators.
  • the first inverter 01 is controlled by a plurality of modulators Mi , 1, ... Mi ,
  • Each modulator designs control commands for the switches in the form of pulses, and the offset in time of these commands makes it possible, for example, to vary the amplitude A ; ... At ph and the phase ⁇ 1 , 1, ... ⁇ p , h of the current flowing through the corresponding inductor for the fundamental current, ... l p, i and for the harmonics of the current li , h .. P, h which one wishes to consider.
  • the variation of the amplitude of the current considered at the output of each inverter 01,..., Op is carried out by modulation of the pulse width and in particular by introducing an offset angle on the signal generated by the modulator controlling the current considered. (fundamental of the current or harmonic h of the current) of the inverter 01, ... Op.
  • the offset can either be late or in advance compared to the control signal of the inverter of another inductor taken as a reference.
  • the means for determining the amplitude and phase parameters of the currents flowing through the inductors provide these parameters to comparator units ⁇ - ⁇ , ... ⁇ ⁇ .
  • the means for determining the parameters are, for example, in particular current transformers each arranged in series with an inductor. However, in alternative embodiments other means can be envisaged.
  • thermocouples can be envisaged and arranged on a plurality n of heated zones and the temperatures ⁇ -i mes, e 2me s, ee e s of each zone can be measured.
  • thermal cameras can be used. The temperature measurement can also be performed indirectly by calculations for example if the areas of the room where the temperature is to be measured are difficult to access or confined.
  • the temperature profile can be determined continuously during the heating and be regularly or continuously compared to a reference temperature profile 0i ref , 0 2 f, --- e nr ef corresponding to the desired final heating profile for the room .
  • the final heating profile desired for the part to be heated can be previously recorded by a manipulator or the like in a memory.
  • the comparison between the reference heating profile D pref , ... D prefn (also called the theoretical heating profile) and the measured heating profile D mes -i, ... D mesn is performed by a comparator.
  • the result is processed by a calculator.
  • the computer may for example consist of a memory in which is entered an array of pre-calculated profiles of reference power density corresponding to different effective temperature profiles for one or more room configurations and one or more reference power density profiles.
  • the calculator calculates, from the known equations of heat and or from simplified equations, the reference power density profile Dprefl, ... so that the heating device must inject into the room to reach the profile of reference temperature 0i ref,
  • a calculator establishes the target currents l ref i, i, ⁇ Irefp.h that the inverters must deliver so that the currents at the terminals of the inductors achieve appropriate target values for injecting into the workpiece to heat the reference power density profile.
  • fp.h will be determined taking into account not only the fundamental current (also called first order harmonic) of the current delivered by the inverter but also the harmonics of the current . Indeed, taking into account only the fundamental current does not allow to obtain a thin heating profile, because of strong distortions. However, taking into account the harmonics of the current ensures a more precise adjustment. Comparatrices of units compare the parameters of the measured currents to the fundamental and harmonic target values the ref i, i, l ... refp, h and determines the differences between these two quantities.
  • CORR-i processing units CORR pih of the amplitude and phase parameters of these correction currents (for the fundamental of each of the currents and for the considered harmonics of each of the currents) generate correction instructions sent to the modulators for to control the inverters so as to correct the amplitudes and the phase shift for the fundamental and for the considered harmonics of the currents crossing the inductors.
  • the taking into account of the harmonics of the current, or the control of the harmonics of the current, to improve or refine the heating profile of the part to be heated by the heating device can be achieved in two ways.
  • the first way is shown schematically in Figure 3 while the second way is shown schematically in Figure 5.
  • the calculations used and quantities used to carry out the induction heating optimization method are based in particular on the known and simplified or non-simplified heat equations (not reproduced here) and also use functions fk , h said image functions of the current densities as a function of the position of the points of the heated part by the heating device D.
  • the image functions fk , h give the power distributions of the inductors by unit current inductors for each fundamental frequency and possibly for each harmonic to obtain the values of the currents in amplitude.
  • the target currents are calculated by seeking to eliminate the harmonics of the current.
  • the principle of this first embodiment consists in determining the shapes of the square signals which make it possible to eliminate the amplitudes of the harmonics of the current Hn of the Fourier series (or in other words, for each inductor and for each harmonic
  • Determining the shapes of the square wave signals involves inserting additional angles when correcting the current that corresponds to a pulse width modulation.
  • the Fourier series decomposition of the voltage for example across the inductors can be written as:
  • V Voltage across the inductors
  • the adjustment of the amplitudes Hn of the harmonics implies that there are as many angles on the quarter of period as harmonics to be controlled when one considers the source of voltage or current (defined above) constant.
  • the angles are determined by solving the following equation:
  • M the number of harmonics that we want to control.
  • the fundamental of the current must be controlled at the same time as the elimination of the most troublesome current harmonics.
  • Figure 4 shows an example of a signal used for the control of the fundamental of a current and the elimination of two harmonics.
  • the parameter m is calculated by the following equation which relates the fundamental of the voltages to be obtained across the inverters and the DC voltage source:
  • m are necessarily less than 1 because we can not have angles corresponding to a fundamental greater than it would have been in the case of a waveform signal.
  • the values of m are, moreover, always positive. As a result, we can write:
  • min an angle which for example can be 5 °.
  • the system impedance matrix for the intended heating configuration to reflect the magnetic state of the system for a given geometry must be determined. In particular this determination is possible, in real time, without prior knowledge except the number of rows and columns of the impedance matrix.
  • the following equations are given, for example, for a heater comprising three inductors. However, in alternative embodiments, the heaters may comprise more than three inductors.
  • V Sinusoidal voltages across the inductors
  • I Currents in the windings of the inductors
  • Z system impedance matrix for the fundamental current.
  • the matrix can be written in the form:
  • Rmn Rnm: equivalent resistances due to induced currents.
  • This first embodiment may in particular be applied for heating non-magnetic metal parts (in other words parts having no magnetic material).
  • non-metallic but electrically conductive parts may also be contemplated, as previously mentioned.
  • the inductors do not have magnetic yokes.
  • the implementation of the method according to the first embodiment, namely the suppression of harmonics, can take place according to the following four steps.
  • the measured values of the room are compared with the reference temperature values to determine the density map of the room.
  • thermocouples as previously described by a thermal camera or by thermocouples or by other means of measuring a known room temperature.
  • impedance Z1 and capacitors makes it possible to determine the reference currents of the fundamental current at the level of the inverters 01 to Op.
  • h may be equal to three and five or more and / or with even harmonics.
  • the comparison between the fundamental reference currents of the inductors and those actually measured makes it possible to calculate the correction information of the control commands of the different inverters for the fundamental frequency (Mk commands, 1) as well as for the harmonics ( orders Mk, h).
  • the number of harmonics to be controlled can vary according to the desired fineness of the temperature profile.
  • the control (and therefore the suppression) of the order 3 and 5 harmonics makes it possible to refine the temperature profile in a particularly satisfactory manner.
  • the fundamentals of the target currents are compared with the currents measured and then sent to treatment units.
  • Harmonic currents are also sent to corresponding processing units.
  • the processing units send the
  • the harmonics are controlled and used to refine the temperature profile and improve the quality of the heating and the overall efficiency of the system.
  • This embodiment can be applied to current or voltage inverters.
  • this embodiment makes it possible, in particular, for inductive heating of metal parts made of materials comprising ferromagnetic metals, such as, for example, non-limiting, cast irons and steels.
  • the method also allows use with devices comprising inductors which have magnetic flux channeling magnetic yokes 20, as shown in FIG. 2. Indeed, the magnetic yokes and / or the ferromagnetic metals also generate currents. harmonics in the inductors that can disrupt the control signal and the identification and control of harmonics can manage these disturbing signals.
  • the inverter may be a current inverter or a voltage inverter.
  • the inverter may be a three-phase voltage or current inverter, and hence three inductors.
  • a n-phase voltage or current inverter as a result with a device having n inductors could also be used.
  • the underlying approach of this second embodiment is to determine the currents of the inductors, as well as their phases.
  • the calculation of the currents of the inductors passes through the writing of the function to be optimized which consists of the superposition of the terms at each frequency multiple of the main frequency FP.
  • the main frequency FP is for example 1500 Hertz.
  • the The present invention is envisaged with the knowledge of the functions of distribution of the currents induced for the harmonics of rank 1 (fundamental), of rank 2 and up to rank n.
  • the currents of the three inductors are decomposed into real and imaginary parts for each of the multiple frequencies of the main frequency FP (corresponding to the fundamental) according to the following equation (in the following equation, by way of nonlimiting example the number of harmonic m is limited to 1, 3, 5 and 7, however the skilled person will understand that the number of harmonics can be greater than 7, in particular can be n, with n any natural integer):
  • the power to be injected characterizing the speed and the heating profile, is imposed by calculating the target current density corresponds to the following equation (in the following equation, by way of non-limiting example the harmonic number m is limited to 7, however those skilled in the art will understand that the number of harmonics may be greater than 7, in particular may be n, with n any natural integer and is not limited to the value 7):
  • resistivated material assumed uniform at any point considered the heated room.
  • This function is to be optimized for the fundamental and each harmonic h of order 2 to n.
  • the solution is calculated for obtaining a distribution fixed by a reference value, induced currents at any point of the heated part according to optimization steps, in particular according to the optimization steps represented by the logic diagram of Figure 6.
  • Figures 7 and 8 show an example limited to odd harmonics of rank 3, 5 and 7 of superposition of harmonic effects from the inductive currents.
  • the first column represents the distribution functions of the induced currents
  • the second column the superposition of the effects of the harmonics
  • the third column gives the calculation of the temperatures.
  • the signals can have the same origin.
  • the phases of the signals are free.
  • the imposed constraints can then be written (in the following equation, by way of nonlimiting example the harmonic number m is limited to 1, 3, 5 and 7, however the person skilled in the art will understand that the number of harmonics can be greater than 7, in particular can be n, with n any natural integer):
  • phase of the signals are linked and referenced to the current of the inverter 1 at each frequency.
  • This case consists of imposing the phases and writing (in the following equation, as an example
  • n any natural number
  • FIG. 8 represents a general view of the steps used in the second embodiment for the harmonics 2 to n of the current and for the fundamental.
  • the second column groups the impedance matrices, the third column the distribution functions of the induced currents, the fourth column the superposition of the effects of the harmonics and the last column the calculation of the temperatures.
  • the capacitors placed in parallel are calculated.
  • the capacitors are in series and not in parallel.
  • These capacitors are calculated for an overall compensation of the reactive energy carried by the fundamental currents of the inductors. It is necessary at this level, to take into account all the existing exchanges between the inductors.
  • the matrix writing where we find the terms characterizes these exchanges at the main frequency (in this case for example 1500 Hz) and can calculate capacitors capacitors.
  • Capacitors are calculated by the equation:
  • the currents of the inverters are calculated from the inductive currents by the relation which involves the voltage of the following inverter:
  • Values are characteristic of the amplitudes of the harmonics and related to the current of the source which constitutes also a variable.
  • the parameter p is calculated by the equation which relates the harmonics of the currents of the inverters to obtain, according to the source of direct current which feeds them:
  • Is value of the current source
  • m rank of the harmonic.
  • the measured temperatures are compared with the reference values and the map of the power densities to be injected in the room is determined.
  • the form functions fk, h giving the power distributions induced by unit current inductors and for each fundamental or harmonic frequency are used to obtain the values of the amplitude currents (11, 1, ..., I p, 1), (11, h, Ip, h) and in phase ( ⁇ 2,1, ⁇ , 1), ( ⁇ 1, ⁇ , ..., ⁇ , ⁇ ) inductors Ind1 to Indp.
  • the knowledge of the impedance matrix Z1 and the capacitors makes it possible to determine the reference currents of the fundamental current at the level of the inverters 01 to Op.
  • the knowledge of the impedance matrices Zh, with h equal to 2, 3, 4 ... n (3, 5, 7 for example), and capacitors are used to determine the reference currents of the harmonic current of rank h at the level of the inverters 01 to Op.
  • the comparison between the reference currents of the inductors and those actually measured makes it possible to calculate the correction information of the control commands of the different inverters for the fundamental frequency (Mk commands, 1 ) as well as for harmonics (orders Mk, h).
  • the feedback loop of the second embodiment, illustrated in Figure 5, is in part similar to that of the first embodiment.
  • the reference profile Dprefl, ... Dprefn is associated on the one hand with the functions of form fk, i giving the power distributions induced by unit current inductors and on the other hand with the impedance matrix Zi, .. . , Z h .
  • the capacitances of the capacitors C1,... Cp are calculated and the target currents to be injected into the room are thus obtained.
  • the fundamentals of the target currents are compared with the currents measured and then sent to the treatment units.
  • the harmonic currents are also
  • Processing units send data to modulators
  • the target currents l p , h are obtained for the harmonics. These values are sent to modulators M P! H.
  • control strategy of the inverters by pulse width modulation makes it possible to completely define the control commands by providing two parameters only for each harmonic that one wishes to control.
  • the induction heating assembly comprising an induction heating device as previously mentioned and a part forms a system to adapt to industrial constraints quickly and continuously.

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Abstract

Le procédé de chauffage par induction est mis en œuvre dans un dispositif de chauffage d'une pièce métallique, et comprend des inducteurs (Ind1, Ind2,..., Indp) couplés magnétiquement alimentés par des onduleurs (O1, O2,..., Op) et forme un circuit oscillant (OC1, OC2,..., OCp). Chaque onduleur est commandé par des unités de commande (M1,1,..., Mp,h) de façon à faire varier l'amplitude et la phase du courant traversant l'inducteur correspondant pour chaque harmonique considéré. Le procédé comprend les étapes consistant à comparer un profil de température effectif à un profil de température de référence, et calculer un profil de densité de puissance de référence que le dispositif de chauffage doit injecter dans ladite pièce à partir de courants cibles que doivent délivrer les onduleurs et en prenant en compte les harmoniques des courants traversant les inducteurs. Les courants traversant les inducteurs (le fondamental comme les harmoniques que l'on souhaite considérer) sont comparés aux dites valeurs cibles et des écarts de courants à corriger sont déterminer pour envoyer des instructions de correction en fonction desdits écarts de courants.

Description

PROCEDE D'OPTIMISATION DE CHAUFFAGE PAR INDUCTION.
La présente invention est relative à un procédé d'optimisation de chauffage par induction et notamment à un procédé d'optimisation de chauffage par induction mis en œuvre dans un dispositif comprenant des inducteurs couplés magnétiquement. Par couplage magnétique, on entend que les inducteurs produisent entre eux des inductions mutuelles.
Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un procédé d'optimisation de chauffage par induction mis en œuvre dans un dispositif de chauffage d'une pièce, mais également à un dispositif de chauffage par induction et à un ensemble de chauffage.
Il est connu de l'art antérieur différentes solutions visant à chauffer par induction une pièce. Les techniques les plus classiques de chauffage par induction connues mettent en œuvre des configurations qui sont satisfaisantes lorsque les pièces à chauffer sont toujours de même nature et de mêmes dimensions.
Toutefois, de telles techniques de chauffage ne permettent pas de contrôler de façon fine des profils de chauffage sur des pièces ayant des formes et des dimensions différentes et/ou complexes et/ou variables au cours du temps
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 répercussions néfastes sur les générateurs de fréquence, par exemple une casse de composants.
Une solution pour pallier ces problèmes est par exemple de minimiser les interactions magnétiques mutuelles entre les inducteurs, soit en les éloignant soit en les blindant avec des culasses magnétiques pour canaliser le flux soit en les occultant avec des écrans magnétiques dans lesquels vont se développer des courants induits. Toutefois, cette solution ne permet pas d'obtenir un chauffage de pièces avec une précision et une finesse importante. Elle nécessite de plus l'ajout de pièces supplémentaires volumineuses et coûteuses (culasses et écrans) ainsi que les dispositifs de motorisation et de contrôle pour assurer leur déplacement afin d'adapter le profil de densité de puissance à la pièce à chauffer.
Le contrôle de la répartition du champ magnétique et de la densité de puissance injectée dans la pièce peuvent ainsi par exemple être réalisés par l'utilisation d'actionneurs mécaniques. Une utilisation complexe de formes d'inducteurs peut également être envisagée pour effectuer ce contrôle de la répartition du champ magnétique et de la densité de puissance injectée dans une pièce à chauffer par induction. Toutefois, de tels moyens entraînent un temps de réponse particulièrement long, notamment lorsque, dans le processus industriel, un changement des formes des pièces et/ou des dimensions des pièces à chauffer est réalisé. Ainsi, de telles lignes de production ne permettent pas de s'adapter de façon rapide à un fonctionnement continu ni à un changement de position ou de format des pièces à chauffer, et d'adapter en fonction de ce changement le profil de température désiré. De plus, des pertes supplémentaires sont induites dans les organes mécaniques qui peuvent s'échauffer et les forces électromagnétiques en présence peuvent provoquer des vibrations sur ces pièces.
La publication WO201 104831 6 de la demanderesse décrit un exemple d'un procédé tel que précédemment décrit, qui remédie aux désavantages précités. Plus précisément, cette publication divulgue un procédé de chauffage dans lequel le chauffage par induction est mis en œuvre dans un dispositif comprenant des inducteurs couplés magnétiquement et qui permet de s'affranchir de toutes pièces mécaniques de réglage de sorte à éviter les pertes induites dans ces pièces mécaniques et de sorte à simplifier la mise en œuvre du chauffage de la pièce. En l'espèce le procédé décrit dans la publication WO201 104831 6 a permis de prendre 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. Le procédé décrit dans WO201 104831 6 permet également l'ajustement du 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. Le procédé décrit dans la demande WO201 104831 6 apporte satisfaction. Toutefois, dans un souci de s'adapter à de nouvelles configurations d'inducteurs qui conduisent à des couplages plus forts entre la charge et les inducteurs d'une part et afin d'optimiser l'efficacité énergétique d'autre part, il existe le besoin de développer un nouvel outil qui permet une meilleure adaptabilité. En effet, des couplages plus forts entre la charge et les inducteurs peuvent entraîner des fortes perturbations des courants dans les inducteurs alimentés avec des onduleurs de tension ou de courant. Ces fortes perturbations viennent perturber la commande des onduleurs et des inducteurs et par conséquence la qualité du chauffage de la pièce.
WO 2005/008876 traite de génération de tensions électriques sans considérer les problématiques de couplage magnétique pour chauffage inductif. EP 2 571 331 décrit une méthode pour réduire les distorsions de courants créées dans un réseau d'alimentation triphasé d'une table de cuisson par induction sans considérer les distorsions influençant les inducteurs.
La présente invention a notamment pour but de pallier ces inconvénients.
A cet effet, l'invention concerne un procédé d'optimisation de chauffage par induction mis en œuvre dans un dispositif de chauffage d'une pièce, le dispositif comprenant des inducteurs couplés magnétiquement, chaque inducteur étant alimenté par un onduleur de tension ou de courant qui lui est propre et associé à un condensateur pour former un circuit oscillant, lesdits circuits oscillants possédant sensiblement 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 chauffée, 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. on calcule des courants cibles appropriées pour injecter dans ladite pièce ledit profil de densité de puissance de référence par :
- la connaissance de fonctions images vectorielles représentatives des relations liant les densités de courant créées par les inducteurs aux courants traversant les inducteurs de sorte à déterminer les valeurs de l'amplitude des courants, et de la phase des courants des inducteurs,
- la connaissance d'une matrice d'impédances déterminée par la connaissance des relations électromagnétiques liant lesdits inducteurs entre eux et à ladite pièce,
- la valeur des condensateurs des circuits oscillants,
- l'identification et la détermination des amplitudes et de la phase des harmoniques du courant délivré par chaque onduleur de sorte à contrôler le fondamental et les harmoniques du courant dans l'alimentation d'un inducteur par son onduleur associé, 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 pour la fréquence fondamentale ainsi que pour les harmoniques.
Grâce à ces dispositions, on vient commander les harmoniques des courants aux bornes des inducteurs de sorte à améliorer les performances des inducteurs. En effet, la maîtrise des harmoniques du courant aux bornes des inducteurs permet d'envoyer aux bornes des inducteurs un signal moins perturbé et donc avec moins de distorsions. En outre, le procédé selon l'invention permet une plus grande adaptabilité.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes.
Selon une réalisation, les harmoniques du courant délivré par chaque onduleur sont optimisés de sorte à améliorer la qualité du chauffage par induction.
Selon une réalisation, on calcule la capacité électrique des condensateurs pour compenser l'énergie réactive portée par les fondamentaux des courants des inducteurs en fonction de la connaissance des relations électromagnétiques liant lesdits inducteurs entre eux.
Selon une réalisation, lors de l'étape b), on utilise en outre des fonctions images vectorielles représentatives des relations liant les densités de courant créées par les inducteurs aux courants traversant les inducteurs pour chaque harmonique considéré du courant de sorte à obtenir les valeurs des amplitudes du courant et de la phase des courants des inducteurs.
Selon une réalisation, lors de l'étape b) les valeurs cibles sont calculées par la connaissance de la matrice d'impédances déterminée par la connaissance des relations électromagnétiques liant lesdits inducteurs entre eux et à ladite pièce pour le fondamental du courant et la connaissance des matrices d'impédances pour chaque harmonique h considéré.
Selon une réalisation, on identifie et on détermine les amplitudes et les phases des harmoniques de rang i, avec i allant de 2 à n, le nombre n étant un entier naturel à déterminer. Par exemple, les harmoniques de rang 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10 peuvent être considérées. Dans des variantes de réalisation, les harmoniques de rang 3, 5 et 7 peuvent être considérées. .
Selon une réalisation, on détermine les capacités des condensateurs et on associe une matrice d'impédance à un vecteur des capacités.
Selon une réalisation, une modulation de largeur d'impulsions est réalisée par insertion d'angles supplémentaires afin de supprimer les harmoniques de rang supérieur ou égal à deux des courants traversant les inducteurs.
Selon une réalisation, des harmoniques de rang supérieur à deux des courants traversant les inducteurs sont supprimés.
Selon une réalisation, le fondamental du courant délivré par chaque onduleur est contrôlé.
Selon une réalisation, un signal carré peut être utilisé.
La présente invention concerne également 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 fondamental et des harmoniques du courant traversant l'inducteur correspondant ;
et comprenant en outre :
- des moyens de détermination du courant fondamental et des harmoniques des courants traversant les inducteurs ainsi que des moyens de détermination d'un profil de température effectif d'une pièce 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 et leurs harmoniques 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.
Selon une réalisation, les inducteurs présentent des culasses magnétiques de canalisation du flux magnétique. La présente invention concerne enfin un ensemble de chauffage par induction comprenant un dispositif de chauffage par induction tel que précédemment décrit et une pièce chauffée par le dispositif de chauffage par l'intermédiaire du procédé de chauffage décrit plus haut.
Selon une réalisation, la pièce chauffée est métallique. Selon une réalisation, la pièce chauffée comprend un métal ferromagnétique. Toutefois, dans des variantes de réalisation, la pièce chauffée n'est pas forcément métallique. Par exemple la pièce chauffée peut être uniquement conductrice de l'électricité et par suite réceptive au chauffage par induction.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints.
Sur les dessins :
- les figures 1 A à 1 E représentent schématiquement différents exemples d'ensembles de chauffage par induction pour lesquelles le procédé de chauffage selon l'invention peut être mis en œuvre ;
- la figure 2 représente schématiquement un exemple d'inducteur comportant une culasse magnétique,
- la figure 3 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'un dispositif de chauffage par induction mettant en œuvre un procédé de chauffage, dans lequel les harmoniques des courants sont supprimés de sorte à réduire les perturbations du courant dans les inducteurs ;
- la figure 4 représente un signal carré permettant l'élimination de deux harmoniques et le contrôle du fondamental pour la mise en œuvre du procédé selon le premier mode de réalisation
- la figure 5 représente schématiquement un dispositif de chauffage par induction mettant en œuvre un procédé de chauffage selon un deuxième mode de réalisation, dans lequel les harmoniques des courants sont utilisés afin d'améliorer la qualité du chauffage de la pièce et d'augmenter le rendement global du système ;
- la figure 6 représente un logigramme d'optimisation mis en œuvre dans le deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention ; - la figure 7 représente schématiquement la superposition des effets des harmoniques à partir des courants inducteurs dans le procédé d'optimisation selon le premier mode de réalisation
- la figure 8 représente schématiquement la superposition des effets des harmoniques à partir des courants onduleurs dans le procédé d'optimisation selon le deuxième mode de réalisation.
Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.
Les figures 1 A à 1 E représentent des exemples non limitatifs de dispositifs de chauffage dans lesquelles le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre. Par exemple, la figure 1 A concerne une configuration de disque métallique 10 chauffé par flux transverse à l'aide de trois couples de bobines jumelles Ind1 , Ind2, Ind3. La figure 1 B représente un dispositif de chauffage par induction similaire à celui de la figure 1 A pour le chauffage d'une tôle 1 1 qui est mobile lors du procédé de chauffage par induction. La figure 1 C représente schématiquement un deuxième exemple de dispositif de chauffage par induction, appliqué au chauffage d'une barre métallique 12 qui est mobile au cours du procédé de chauffage par induction. La figure 1 D représente schématiquement un troisième exemple de dispositif de chauffage par induction, appliqué au chauffage d'une tôle 13 qui est entraînée en translation par exemple lors du chauffage par induction. La figure 1 E représente schématiquement un quatrième exemple de dispositif de chauffage par induction, appliqué au chauffage d'une tôle 13 qui peut être également entraînée en translation par exemple lors du chauffage par induction.
La pièce chauffée par le dispositif de chauffage par induction D est une pièce 10, 1 1 , 12, 13 métallique ou non. Plus précisément la pièce chauffée est conductrice de l'électricité et donc réceptive au chauffage par induction. La pièce chauffée peut être, comme représenté sur les figures 1 A à 1 E une tôle comprenant une épaisseur sensiblement constante ou non et sensiblement plane, une barre ou un tube s'étendant selon une direction longitudinale avec une section ouverte ou fermée, constante ou variable. Toutefois, dans des variantes de réalisation la pièce à chauffer peut présenter des formes plus complexes, par exemple avec des portions coudées. La pièce est chauffée par zones.
Comme représenté sur les figures 1 A à 1 E, le dispositif de chauffage D comprend plusieurs inducteurs Ind1 , Ind2, Ind3. Le dispositif de chauffage peut comprendre deux, trois, quatre, cinq, six ou plus inducteurs Ind1 , Ind2, ..Indp. Dans la description qui suit, il est considéré que le dispositif de chauffage comprend p inducteurs Ind1 , .. Indp, avec p un nombre entier strictement supérieur à 1 , par exemple avec p égale à 3.
Chaque inducteur lindl , ... Indp est traversé par un courant h , ..lp (visible sur les figures 3 et 5). Le courant \^, ..lp traversant les inducteurs lindl , ...Indp peut être décomposé par séries de Fourier en un courant fondamental Ι-ι ,-ι , ... lp,i et une pluralité de courants harmoniques l-i ,h...lp,h(avec h la fréquence harmonique ou l'ordre d'harmonique considéré). Les courants harmoniques sont dus au mode de commande des onduleurs (notamment aux courants carrés générés par les onduleurs) et/ou à la présence de dispositifs magnétiques non linéaires (culasses magnétiques, pièces chauffées ferromagnétiques) dans le réseau du dispositif de chauffage. On parlera notamment d'harmoniques d'ordre h, avec h pouvant être un chiffre pair ou impair. Dans une variante de réalisation, on peut considérer les harmoniques à la fois paires et impaires. Dans une autre variante, seules les harmoniques d'ordre impair peuvent être considérées. En général une harmonique d'ordre 1 correspond à un fondamental. Aussi, dans le reste de la description, sauf si spécifiquement mentionné, le terme « fondamental » correspond à l'harmonique d'ordre 1 et le terme « harmoniques » correspond à des harmoniques d'ordre strictement supérieur à 1 . Tel que schématiquement représenté sur les figures 3 et 5, chaque inducteur Ind1 ,...lndp peut être associé à un condensateur d, ...Cp connecté en parallèle dans le cas d'onduleurs de courant. Toutefois, la présente invention peut aussi être mise en œuvre avec des onduleurs de tension. Dans le cas d'onduleurs de tension, les condensateurs sont en série avec les inducteurs.
Chaque couple inducteur-condensateur forme un circuit oscillant
OC1 , ..OCp. Les circuits oscillants OC1 , ..OCp peuvent être chacun sensiblement à la même fréquence de résonnance. Les circuits oscillants OC1 , ..OCp, et par conséquent les inducteurs Ind1 , ... Indp sont alimentés par des onduleurs 01 , ...Op. Plus précisément, chaque circuit oscillant OC1 , ..OCp est alimenté par un onduleur O1 ,...,Op correspondant. La pluralité d'onduleurs est en l'occurrence reliée à une unique source 1 continue. Les onduleurs O1 ,...,Op peuvent être soit des onduleurs de courant soit des onduleurs de tension.
Chaque onduleur O1 ,...,Op peut comprendre des interrupteurs électroniques bidirectionnels. Comme visible sur les figures 3 et 5, chaque onduleur O1 ,...,Op est commandé par une unité de commande, également appelée modulateur Mp h avec p le nombre d'onduleurs et h le nombre d'harmoniques qui sont contrôlées. Plus précisément, à chaque onduleur peut correspondre une pluralité de modulateurs. Ainsi, le premier onduleur 01 est commandé par une pluralité de modulateurs Mi ,1 , ... M-i,h. De façon similaire, le deuxième modulateur est commandé par une pluralité de modulateurs M2,-i , ...M2,h- H en est de même pour l'ensemble des onduleurs 01 , ...Op du dispositif. Chaque modulateur conçoit des ordres de commande des interrupteurs sous la forme d'impulsions, et le décalage dans le temps de ces ordres permet par exemple de faire varier l'amplitude A ; ...Ap h et la phase φ 1, 1 , ...φ p,h du courant traversant l'inducteur correspondant pour le courant fondamental , ... lp,i et pour les harmoniques du courant l-i,h... lP,h que l'on souhaite considérer. La variation de l'amplitude du courant considérée en sortie de chaque onduleur 01 ,...,Op s'effectue par modulation de largeur d'impulsions et notamment en introduisant un angle de décalage sur le signal généré par le modulateur commandant le courant considéré (fondamental du courant ou harmonique h du courant) de l'onduleur 01 , ...Op. 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.
Afin de déterminer et contrôler en temps réel la densité de puissance à injecter dans la pièce chauffée, des moyens de détermination des paramètres d'amplitude et de phase des courants traversant les inducteurs peuvent être prévus. Ainsi, il est possible de corriger la commande des onduleurs en temps réel par les modulateurs M-ι ...,Mp,h.
Ces moyens de détermination des paramètres d'amplitude et de phase des courants traversant les inducteurs fournissent ces paramètres à des unités comparatrices ε-ι , ... ερ. Les moyens de détermination des paramètres d'amplitude et de phase sont par exemple notamment des transformateurs de courant disposés chacun en série avec un inducteur. Toutefois, dans des variantes de réalisation d'autres moyens peuvent être envisagés.
En outre, des moyens de détermination d'un profil de température effectif G-i mes, e2mes, ---enmes de la pièce à chauffer sont prévus. Par exemples des thermocouples peuvent être envisagés et disposés sur une pluralité n de zones chauffées et les températures θ-i mes, e2mes, ---enmes de chaque zone peuvent être ainsi mesurées. En variante, des caméras thermiques peuvent être utilisées. La mesure de température peut également être réalisée de façon indirecte par calculs par exemple si les zones de la pièce où la température est à mesurer sont difficiles d'accès ou confinées.
Le profil de température peut être déterminé en continu pendant la chauffe et être régulièrement ou de façon continue comparé à un profil de température de référence 0i ref, 02ref, ---enref correspondant au profil final de chauffe souhaité pour la pièce. Le profil final de chauffe souhaité pour la pièce à chauffer peut être préalablement enregistré par un manipulateur ou autre dans une mémoire.
La comparaison entre le profil de chauffe de référence Dpref , ... Dprefn (aussi appelé profil de chauffe théorique) et le profil de chauffe mesuré Dmes-i , ... Dmesn est effectuée par un comparateur. Le résultat est traité par un calculateur. Le calculateur peut par exemple 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. Le calculateur calcule, à partir des équations connues de la chaleur et ou à partir d'équations simplifiées, le profil de densité de puissance de référence Dprefl , ... Dprefn que le dispositif de chauffage doit injecter dans la pièce pour atteindre le profil de température de référence 0i ref,
©2ref, . . . Gnref- A partir du profil de référence Dpref , ... Dprefn que le dispositif de chauffage doit injecter dans la pièce pour atteindre le profil de température de référence 0i ref, 02ref, ---enref, un calculateur établit des courants cibles lrefi ,i , ■■■Irefp.h que doivent délivrer les onduleurs afin que les courants aux bornes des inducteurs atteignent des valeurs cibles appropriés pour injecter dans la pièce à chauffer le profil de densité de puissance de référence. Ces valeurs cibles appropriées ΙΓθπ,ι , ... fp.h vont être déterminées en prenant en compte non seulement le courant fondamental (aussi appelé harmonique d'ordre un) du courant délivré par l'onduleur mais également les harmoniques du courant. En effet, la prise en compte uniquement du fondamental du courant ne permet pas d'obtenir un profil de chauffe fin, à cause de fortes distorsions. Toutefois, la prise en compte des harmoniques du courant assure un réglage plus précis. Des unités comparatrices comparent les paramètres des courants mesurés pour le fondamental et pour les harmoniques aux valeurs cibles lrefi,i , ... lrefP,h et détermine les écarts entre ces deux grandeurs. Des unités de traitement CORR-i , CORRpih des paramètres d'amplitude et de phase de ces courants de correction (pour le fondamental de chacun des courants et pour les harmoniques considérés de chacun des courants) génèrent des instructions de correction envoyées aux modulateurs pour commander les onduleurs de façon à corriger les amplitudes et le déphasage pour le fondamental et pour les harmoniques considérés des courants traversant les inducteurs.
Plus particulièrement, la prise en compte des harmoniques du courant, ou encore la maîtrise des harmoniques du courant, pour améliorer ou affiner le profil de chauffe de la pièce à chauffer par le dispositif de chauffage peut être réalisée de deux manières. La première manière est représentée schématiquement sur la figure 3 tandis que la deuxième manière est représentée schématiquement sur la figure 5.
De façon générale, les calculs utilisés et grandeurs mises en jeux pour réaliser le procédé d'optimisation de chauffage par induction se basent notamment sur les équations connues et simplifiées ou non de la chaleur (non reproduites ici) et utilisent également des fonctions fk,h dites fonctions images des densités de courant en fonction de la position des points de la pièce chauffée par le dispositif de chauffage D. Les fonctions images fk,h donnent les répartitions de puissance des induits par des inducteurs de courant unitaire pour chaque fréquence fondamental et éventuellement pour chaque harmonique pour obtenir les valeurs des courants en amplitude. Ces fonctions images sont définies notamment dans la publication WO201 104831 6 pour le fondamental.
Selon un premier mode de réalisation, les courants cibles sont calculés en cherchant à éliminer les harmoniques du courant.
Plus précisément, le principe de ce premier mode de réalisation consiste en la détermination des formes des signaux carrés qui permettent d'éliminer les amplitudes des harmoniques du courant Hn de la série de Fourier (ou en d'autres termes, pour chaque inducteur et pour chaque harmonique
Figure imgf000015_0004
...Ap h, avec h strictement supérieur à un). La détermination des formes des signaux carrés suppose l'insertion d'angles supplémentaires lors de la correction du courant qui correspond à une modulation de largeur d'impulsion. La décomposition en série de Fourier de la tension par exemple aux bornes des inducteurs peut s'écrire :
Figure imgf000015_0002
Avec :
V : Tension aux bornes des inducteurs ;
Hn : amplitude des harmoniques
<pn : phase des harmoniques
ω : pulsation du fondamental
Le réglage des amplitudes Hn des harmoniques implique qu'il y ait autant d'angles sur le quart de période que d'harmoniques à contrôler lorsque l'on considère la source de tension ou de courant (définie ci-avant) constante. Les angles sont déterminés en résolvant l'équation suivante :
Figure imgf000015_0001
Avec :
E : la tension aux bornes des onduleurs ;
Figure imgf000015_0003
M : le nombre d'harmoniques que l'on souhaite contrôler. Afin d'obtenir un profil de chauffe de la pièce qui soit particulièrement fin, le fondamental du courant doit être contrôlé en même temps que l'élimination des harmoniques du courant les plus gênantes.
Par exemple, afin de simplifier le système, mais également parce que ce sont les harmoniques qui génèrent le plus de perturbations, on peut choisir de maîtriser (et donc, dans le premier mode de réalisation d'éliminer) uniquement les harmoniques de rang 3 et 5. En outre, la valeur du fondamental peut être imposée par le biais d'un paramètre m. A priori, les valeurs des harmoniques, dans ce premier mode de réalisation, ne sont pas connues.
On peut écrire, l'équation suivante :
Figure imgf000016_0002
Avec : m : paramètre pour imposer la valeur du fondamental.
La figure 4 représente un exemple de signal utilisé pour le contrôle du fondamental d'un courant et l'élimination de deux harmoniques.
Par exemple, pour un onduleur de tension, le paramètre m est calculé par l'équation suivante qui met en relation les fondamentaux des tensions à obtenir aux bornes des onduleurs et la source de tension continue :
Figure imgf000016_0001
Avec :
i : le nombre d'onduleurs.
Les valeurs de m sont nécessairement inférieures à 1 car on ne peut disposer d'angles correspondant à un fondamental plus grand qu'il ne l'aurait été dans le cas d'un signal en pleine onde. Les valeurs de m sont par ailleurs toujours positives. Par suite, on peut écrire :
Figure imgf000017_0002
Les valeurs des condensateurs du système sont invariables (ou inchangées) car on impose les mêmes fondamentaux des courants dans les inducteurs. Le temps de commutation min doit être également défini. La contrainte supplémentaire :
Figure imgf000017_0001
peut être imposée avec min un angle qui par exemple peut être de 5°.
A partir de la connaissance des condensateurs et autres paramètres fixes ou fixés et des équations ci-dessus, il est possible de calculer les angles de commande pour commander les onduleurs du dispositif de sorte que les harmoniques de rang 3 et 5 (H3, H5) soient nulles.
En particulier, la matrice d'impédances du système pour la configuration de chauffage envisagée, afin de refléter l'état magnétique du système pour une géométrie donnée doit être déterminée. En particulier cette détermination est possible, en temps réel, sans connaissance préalable sauf le nombre de lignes et de colonnes de la matrice d'impédances. Les équations qui suivent sont données, à titre d'exemple, pour un dispositif de chauffage comprenant trois inducteurs. Toutefois, dans des variantes de réalisation, les dispositifs de chauffage peuvent comprendre plus de trois inducteurs.
L'équation matricielle générale du système, en ne considérant que le courant fondamental, peut s'écrire :
V = Z.I
Avec :
V : Tensions sinusoïdales aux bornes des inducteurs ; I : Courants dans les enroulements des inducteurs Z : matrice d'impédance du système pour le courant fondamental. Dans le cas présent, pour le courant fondamental, la matrice peut s'écrire sous la forme :
Ou encore
Figure imgf000018_0001
Avec :
Lmm : inductance propre de chaque inducteur
Lmn = Lnm : inductances mutuelles entre inducteurs
Rmm : résistances propre de chaque inducteur
Rmn = Rnm : résistances équivalente due aux courants induits.
Avec la connaissance des relations électromagnétiques entre les bobines et la pièce à chauffer, et notamment des fonction fk,1 définies ci- dessus pour le fondamental, il est possible de procéder au calcul des courants de référence du courant fondamental à injecter dans chacune des bobines afin d'obtenir le chauffage désiré.
Ce premier mode de réalisation peut être en particulier appliqué pour le chauffage de pièces métalliques non magnétiques (en d'autres termes des pièces ne comportant pas de matériau magnétiques). Toutefois, des pièces non métalliques mais conductrices d'électricité peuvent également être envisagées, comme mentionné précédemment. En outre, les inducteurs ne présentent pas de culasses magnétiques. La mise en œuvre du procédé selon le premier mode de réalisation, à savoir la suppression des harmoniques, peut avoir lieu selon les quatre étapes suivantes.
Dans une première étape, les températures effectives
Figure imgf000019_0002
enmes mesurées de la pièce sont comparées avec les valeurs de température de référence de sorte à déterminer la carte des densités de
Figure imgf000019_0001
puissance à injecter dans la pièce.
Les températures effectives peuvent être mesurées,
Figure imgf000019_0003
comme précédemment décrit par une caméra thermique ou par des thermocouples ou encore par d'autres moyens de mesure de température d'une pièce connus.
Dans une deuxième étape, on utilise les fonctions de forme
Figure imgf000019_0006
donnant les répartitions de puissance induits par des inducteurs de courant unitaire pour obtenir les valeurs des courants en amplitude et en
Figure imgf000019_0005
phase des inducteurs Ind1 à Indp. La connaissance de la matrice
Figure imgf000019_0004
d'impédance Z1 et des condensateurs permet de déterminer les courants de référence du courant fondamental au niveau des onduleurs 01 à Op.
Dans une troisième étape, il est déterminé, pour chaque onduleur 01 , ... Op, les courants harmoniques lond_k,h et leur phase pour chaque harmonique h, avec h strictement supérieur à 1 . A titre d'exemple non limitatif, h peut être égal à trois et cinq, ou plus et/ou avec des harmoniques paires.
Dans une quatrième étape, la comparaison entre les courants de référence du fondamental des inducteurs et ceux réellement mesurés permet de calculer les informations de correction des ordres de pilotage des différents onduleurs pour la fréquence fondamentale (ordres Mk,1 ) ainsi que pour les harmoniques (ordres Mk,h).
On effectue ainsi autant de calculs de correction qu'il y a d'harmoniques à contrôler. Le nombre d'harmoniques à contrôler peut varier en fonction de la finesse souhaitée du profil de température. En l'espèce, le contrôle (et donc la suppression) des harmoniques d'ordre 3 et 5 permet d'affiner le profil de température de façon particulièrement satisfaisante.
Ainsi, on compense les harmoniques, par exemple d'ordres 3 et 5 par réglage des angles de commande des onduleurs.
Comme visible sur la figure 3, le profil de référence st
Figure imgf000020_0002
associé d'une part aux fonctions de forme fk,i donnant les répartitions de puissance induits par des inducteurs de courant unitaire et d'autre part à la matrice d'impédances Les capacités des condensateurs
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000020_0003
sont calculées et on obtient ainsi les courants cibles à injecter dans la pièce. Les fondamentaux des courants cibles sont comparés aux courants mesurés puis envoyés vers des unités de traitement Les
Figure imgf000020_0004
courants harmoniques sont également envoyés vers des unités de traitement correspondantes. Les unités de traitement envoient les
Figure imgf000020_0006
données aux modulateurs qui commandent les onduleurs 01 , ..Op.
Figure imgf000020_0005
Dans un deuxième mode de réalisation, les harmoniques sont contrôlées et utilisées pour affiner le profil de température et améliorer la qualité du chauffage et le rendement global du système. Ce mode de réalisation peut être appliqué à des onduleurs de courant ou de tension. En outre, ce mode de réalisation permet notamment le chauffage par induction de pièces métalliques en matériaux comportant des métaux ferromagnétiques, comme par exemple, à titre non limitatif, fontes et aciers. Le procédé permet également d'être utilisé avec des dispositifs comprenant des inducteurs qui présentent des culasses magnétiques 20 de canalisation du flux magnétique, tel que représenté sur la figure 2. En effet, les culasses magnétiques et/ou les métaux ferromagnétiques génèrent également des courants harmoniques dans les inducteurs qui peuvent venir perturber le signal de commande et l'identification et la commande des harmoniques permettent de gérer ces signaux perturbateurs.
Comme précédemment mentionné, l'onduleur peut être un onduleur de courant ou un onduleur de tension. Par exemple, l'onduleur peut être un onduleur de tension ou de courant trois phase, et par suite avec trois inducteurs. Toutefois, un onduleur de tension ou de courant n phases, par suite avec un dispositif comportant n inducteurs pourrait être également utilisé.
Par analogie à l'écriture de la densité de courant totale induite dans la matière, il est possible d'écrire le courant total induit par les composantes de rang m (On considère notamment toutes les harmoniques contrôlées, impaires ou paires). La résultante des contributions de toutes les harmoniques est donnée par l'équation suivante :
Figure imgf000021_0001
Avec :
'Harmonique de rang m du courant de l'inducteur i
Figure imgf000021_0008
composantes réelles et imaginaires des fonctions de distribution des
Figure imgf000021_0007
courants induits dans la matière.
Le vecteur des courants des inducteurs correspondant aux harmoniques
Figure imgf000021_0003
La démarche sous-jacente de ce deuxième mode de réalisation consiste à déterminer les courants des inducteurs, ainsi que leurs phases
Figure imgf000021_0002
respectives Les amplitudes des courants et leurs phases sont
Figure imgf000021_0004
calculées pour l'atteinte d'un profil de température de référence
Figure imgf000021_0005
Figure imgf000021_0006
Le calcul des courants des inducteurs passe par l'écriture de la fonction à optimiser qui consiste en la superposition des termes à chaque fréquence multiple de la fréquence principale FP. La fréquence principale FP est par exemple de 1500 Hertz. De façon non limitative, il est possible par exemple de se limiter à la connaissance des fonctions de distribution des courants induits pour les harmoniques de rang 1 (correspondant au fondamental), de rang 3, de rang 5 et de rang 7. Toutefois, la présente invention est envisagée avec la connaissance des fonctions de distribution des courants induits pour les harmoniques de rang 1 (fondamental), de rang 2 et jusqu'au rang n.
Les courants des trois inducteurs sont décomposés en parties réelles et imaginaires pour chacune des fréquences multiples de la fréquence principale FP (correspondant au fondamental) selon l'équation suivante (dans l'équation suivante, à titre d'exemple non limitatif le nombre d'harmonique m est limité à 1 , 3, 5 et 7, toutefois l'homme du métier comprendra que le nombre d'harmoniques peut être supérieur à 7, notamment peut être n, avec n un entier naturel quelconque) :
'
Figure imgf000022_0003
Avec :
Figure imgf000022_0001
Où :
: partie réelle du courant induit par les harmoniques de rang m des courants des inducteurs
partie imaginaire du courant induit par les harmoniques de rang m des
Figure imgf000022_0004
courants des inducteurs.
La puissance à injecter caractérisant la rapidité et le profil de chauffage, est imposée en calculant la densité de courant de consigne correspond à l'équation suivante (dans l'équation suivante, à titre d'exemple non limitatif le nombre d'harmonique m est limité à 7, toutefois l'homme du métier comprendra que le nombre d'harmoniques peut être supérieur à 7, notamment peut être n, avec n un entier naturel quelconque et n'est pas limité à la valeur 7) :
Figure imgf000022_0002
Avec :
densité de puissance de référence aux abscisses r,
Figure imgf000022_0005
résistivifé du matériau supposée uniforme en tout point considéré de la pièce chauffée.
La fonction à optimiser est ainsi la suivante :
Figure imgf000023_0001
Cette fonction est à optimiser pour le fondamental et chaque harmonique h d'ordre 2 à n.
La solution
Figure imgf000023_0002
est calculée pour l'obtention d'une distribution fixée par une valeur de référence, des courants induits en tout point de la pièce chauffée selon des étapes d'optimisation, notamment selon les étapes d'optimisation représentées par le logigramme de la figure 6.
En particulier, selon le logigramme représenté sur la figure 6, on assigne différentes valeurs à X de sorte à comparer pour ces différentes valeurs les fonctions F afin de trouver la solution optimale
Figure imgf000023_0003
laquelle la fonction F, en valeur absolue, est la plus importante. En d'autres termes, par récurrence on calcule la valeur de X qui permet d'optimiser la fonction F. Plus précisément, le logigramme représenté sur la figure 6 permet de générer N vecteurs parmi lesquels est choisi celui qui offre la plus faible erreur du courant total induit par rapport à la valeur de référence.
On s'intéresse alors aux profils homogènes de densité obtenus dans différentes conditions.
Bien que le principe soit générale, les figures 7 et 8 représentent un exemple limité aux harmoniques impaires de rang 3, 5 et 7 de superposition des effets harmoniques à partir des courants inducteurs. La première colonne représente les fonctions de distribution des courants induits, la deuxième colonne la superposition des effets des harmoniques et la troisième colonne donne le calcul des températures.
Dans un premier cas, les signaux peuvent avoir la même origine. Dans
Cela ce cas, il y a un démarrage simultané de tous les signaux à l'instant t=0. revient à considérer pour variables, seulement les amplitudes des harmoniques et imposer un zéro aux phases. Les contraintes imposées peuvent alors être écrites (dans l'équation suivante, à titre d'exemple non limitatif le nombre d'harmoniques m est limité à 1 , 3, 5 et 7, toutefois l'homme du métier comprendra que le nombre d'harmoniques peut être supérieur à 7, notamment peut être n, avec n un entier naturel quelconque) :
Figure imgf000024_0001
Dans un deuxième cas, les phases des signaux sont libres. Les contraintes imposées peuvent alors être écrites (dans l'équation suivante, à titre d'exemple non limitatif le nombre d'harmonique m est limité à 1 , 3, 5 et 7, toutefois l'homme du métier comprendra que le nombre d'harmoniques peut être supérieur à 7, notamment peut être n, avec n un entier naturel quelconque) :
Figure imgf000024_0002
Dans un troisième cas, les phases des signaux sont liées et référencées au courant de l'onduleur 1 à chaque fréquence. Ce cas consiste à imposer les phases et à écrire (dans l'équation suivante, à titre d'exemple non
Figure imgf000024_0004
limitatif le nombre d'harmoniques m est limité à 1 , 3, 5 et 7, toutefois l'homme du métier comprendra que le nombre d'harmoniques peut être supérieur à 7, n un entier naturel quelconque) :
Figure imgf000024_0003
A partir des données qui précèdent, il est possible de déterminer par calcul que l'adjonction d'harmoniques améliore la précision du profil de chauffe à condition de régler leurs déphasages respectifs, ce qui complexifie l'optimisation. Le troisième cas notamment avec l'insertion de déphasages entre les fondamentaux et entre fondamentaux et harmoniques permet d'améliorer sensiblement la précision théorique du profil de chauffe. Toutefois, le troisième cas induit aussi une augmentation des pertes par commutation des onduleurs.
La figure 8 représente une vue générale des étapes utilisées dans le deuxième mode de réalisation pour les harmoniques 2 à n du courant et pour le fondamental. La deuxième colonne regroupe les matrices d'impédance, la troisième colonne les fonctions de distribution des courants induits, la quatrième colonne la superposition des effets des harmoniques et la dernière colonne le calcul des températures.
En partant de la connaissance des harmoniques des courants dans chaque inducteur, il est possible de remonter aux courants ï des onduleurs.
Figure imgf000025_0005
Les composantes harmoniques des courants des onduleurs permettent de calculer les angles de commande pour le courant fondamental, pour les harmoniques de 2 à n. On écrit :
Figure imgf000025_0001
Avec
: courant de l'onduleur modulé par largeur d'impulsions
Figure imgf000025_0002
: terme de couplage de l'inducteur i et k à la fréquence m * f,
f : la fréquence du fondamental,
: impédance propre de l'inducteur i en présence du matériau à chauffer
Figure imgf000025_0003
Dans une première étape et pour un onduleur de courant, les condensateurs placés en parallèle (comme représenté sur la figure 5) avec les inducteurs sont calculés. Bien entendu, dans le cas d'onduleurs de tension, les condensateurs sont en série et non en parallèle. Ces condensateurs sont calculés pour une compensation globale de l'énergie réactive portée par les fondamentaux des courants des inducteurs. Il faut à ce niveau, prendre en compte l'ensemble des échanges existants entre les inducteurs. L'écriture matricielle où l'on retrouve les termes, caractérise ces
Figure imgf000025_0004
échanges à la fréquence principale (en l'occurrence par exemple 1500 Hz) et permet de calculer les capacités des condensateurs.
Les tensions sont calculées par l'équation
Figure imgf000026_0003
Figure imgf000026_0001
Les condensateurs sont calculés par l'équation :
Figure imgf000026_0004
Les courants des onduleurs sont calculés à partir des courants inducteurs par la relation qui fait intervenir la tension de l'onduleur suivante :
Figure imgf000026_0005
Le calcul des angles de commande suppose la résolution sur chaque phase du système d'équations (dans l'équation suivante, à titre d'exemple non limitatif le nombre d'harmoniques est limité à 1 , 3, 5 et 7, toutefois l'homme du métier comprendra que le nombre d'harmoniques peut être supérieur à 7, notamment peut être n, avec n un entier naturel quelconque) :
Figure imgf000026_0006
Les valeurs
Figure imgf000026_0007
sont caractéristiques des amplitudes des harmoniques et liées au courant de la source qui constitue également une variable.
Le paramètre p est calculé par l'équation qui met en relation les harmoniques des courants des onduleurs à obtenir, en fonction de la source de courant continue qui les alimente :
Figure imgf000026_0002
Avec :
i : 'indice de l'onduleur,
Is : valeur de la source de courant, m : rang de l'harmonique.
L'équation ci-dessus s'applique à la variante de réalisation avec des onduleurs de courant. Le même principe s'applique pour des onduleurs de tension.
Les équations qui précèdent peuvent être implémentées et mises en œuvre dans le procédé d'optimisation de chauffage selon le deuxième mode de réalisation qui comporte les étapes suivantes.
Dans une première étape, on compare les températures mesurées avec les valeurs de référence et on détermine la carte des densités de puissance à injecter dans la pièce.
Dans une deuxième étape, on utilise les fonctions de forme fk,h donnant les répartitions de puissance induites par des inducteurs de courant unitaire et pour chaque fréquence fondamentale ou harmonique pour obtenir les valeurs des courants en amplitude (11 ,1 , ..., I p, 1 ) , (11 , h, Ip,h) et en phase (φ2,1 , φρ,1 ), (φ1 ,η, ..., φρ,η) des inducteurs Ind1 à Indp.
Dans une troisième étape, la connaissance de la matrice d'impédances Z1 et des condensateurs permet de déterminer les courants de référence du courant fondamental au niveau des onduleurs 01 à Op. La connaissance des matrices d'impédances Zh, avec h égale à 2, 3, 4...n (3, 5, 7 par exemple), et des condensateurs permettent de déterminer les courants de référence du courant harmonique de rang h au niveau des onduleurs 01 à Op.
Dans une quatrième étape, la comparaison entre les courants de référence des inducteurs et ceux réellement mesurés (obtenue par décomposition en série de Fourier) permet de calculer les informations de correction des ordres de pilotage des différents onduleurs pour la fréquence fondamentale (ordres Mk,1 ) ainsi que pour les harmoniques (ordres Mk,h).
La boucle de rétroactions du deuxième mode de réalisation, illustrée sur la figure 5, est en partie semblable à celle du premier mode de réalisation. Le profil de référence Dprefl , ... Dprefn est associé d'une part aux fonctions de forme fk,i donnant les répartitions de puissance induites par des inducteurs de courant unitaire et d'autre part à la matrice d'impédances Z-i , .. . , Zh. Les capacités des condensateurs C1 , ...Cp sont calculées et on obtient ainsi les courants cibles à injecter dans la pièce. Les fondamentaux des courants cibles sont comparés aux courants mesurés puis envoyés vers des unités de traitement Les courants harmoniques sont également
Figure imgf000028_0001
envoyés vers des unités de traitement correspondantes.
Figure imgf000028_0006
Les unités de traitement envoient les données aux modulateurs
Figure imgf000028_0002
qui commandent les onduleurs
Figure imgf000028_0003
En outre, pour les courants harmoniques, on associe aux profils de référence les fonctions
Figure imgf000028_0004
de forme donnant les répartitions de puissance induits par des inducteurs de
Figure imgf000028_0005
courant unitaire pour les harmoniques. A partir de la matrice d'impédances Zh et du calcul du vecteur des capacités C, on obtient pour les harmoniques les courants cibles lp,h. Ces valeurs sont envoyées vers les modulateurs MP!h.
Ainsi, la stratégie de pilotage des onduleurs par modulation de largeur d'impulsions permet de définir complètement les ordres de pilotage par la fourniture de deux paramètres seulement pour chaque harmonique qu'on souhaite contrôler.
L'ensemble de chauffage par induction comprenant un dispositif de chauffage par induction tel que précédemment mentionné et une pièce forme un système permettant de s'adapter aux contraintes industrielles de façon rapide et en continu.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé d'optimisation de chauffage par induction mis en œuvre dans un dispositif de chauffage (D) d'une pièce (1 0), le dispositif comprenant des inducteurs (Ind1 , Ind2, Indp) couplés magnétiquement, chaque inducteur étant alimenté par un onduleur de tension ou de courant
Figure imgf000029_0002
Op) qui lui est propre et associé à un condensateur pour former
Figure imgf000029_0001
un circuit oscillant, lesdits circuits oscillants possédant sensiblement la même fréquence de résonance, chaque onduleur
Figure imgf000029_0003
étant commandé par une unité de commande de façon à faire varier l'amplitude
Figure imgf000029_0004
et la phase du courant traversant l'inducteur
Figure imgf000029_0020
Figure imgf000029_0005
Figure imgf000029_0019
correspondant, le dispositif
Figure imgf000029_0006
comprenant en outre des moyens de détermination dudit courant ainsi que des moyens de détermination
Figure imgf000029_0007
d'un profil de température effectif de ladite pièce
Figure imgf000029_0008
chauffée (1 0), ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
a. on compare ledit profil de température effectif à un profil de température de référence et on calcule
Figure imgf000029_0009
un profil de densité de puissance de référence (Dpref1 , Dpref2, ... Dprefn) que le dispositif de chauffage doit injecter dans ladite pièce pour atteindre ledit profil de température de référence
Figure imgf000029_0010
b. on calcule des courants cibles appropriées pour injecter
Figure imgf000029_0011
dans ladite pièce ledit profil de densité de puissance de référence (Dpref
Figure imgf000029_0013
par :
- la connaissance de fonctions images vectorielles
Figure imgf000029_0012
représentatives des relations liant les densités de courant créées par les inducteurs aux courants traversant les inducteurs de sorte à déterminer les valeurs de l'amplitude des courants ),et de la phase des
Figure imgf000029_0015
courants ) des inducteurs
Figure imgf000029_0014
Figure imgf000029_0016
- la connaissance d'une matrice d'impédances déterminée par la
Figure imgf000029_0017
connaissance des relations électromagnétiques liant lesdits inducteurs entre eux et à ladite pièce,
- la valeur des condensateurs des circuits oscillants,
Figure imgf000029_0018
le procédé étant caractérisé en ce qu'on calcule les courants cibles
Figure imgf000030_0002
appropriées en outre par :
Figure imgf000030_0001
l'identification et la détermination des amplitudes et de la phase des harmoniques du courant (I 0nd_k, h) délivré par chaque onduleur
Figure imgf000030_0003
de sorte à contrôler le fondamental et les harmoniques du
Figure imgf000030_0006
courant dans l'alimentation d'un inducteur par son
Figure imgf000030_0004
onduleur associé, et en ce que le procédé comprend
Figure imgf000030_0005
en outre l'étape suivante :
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 pour la fréquence fondamentale ainsi que pour les harmoniques.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel les harmoniques du courant délivré par chaque onduleur sont optimisés de
Figure imgf000030_0007
sorte à améliorer la qualité du chauffage par induction, et dans lequel, on calcule la capacité électrique
Figure imgf000030_0008
des condensateurs pour compenser l'énergie réactive portée par les fondamentaux des courants des inducteurs en fonction de la connaissance des relations électromagnétiques liant
Figure imgf000030_0009
lesdits inducteurs entre eux.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lors de l'étape b), on utilise en outre des fonctions images vectorielles
Figure imgf000030_0012
représentatives des relations liant les densités de courant créées par les inducteurs aux courants traversant les inducteurs pour chaque harmonique considérée du courant de sorte à obtenir les valeurs des amplitudes du courant et de la phase des courants des inducteurs (lindl ,
Figure imgf000030_0011
Figure imgf000030_0010
Iind2, lindp).
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel lors de l'étape b) les valeurs cibles sont calculées par la connaissance de la
Figure imgf000030_0013
matrice d'impédances (Z1 ) déterminée par la connaissance des relations électromagnétiques liant lesdits inducteurs (Ind1 , Ind2, Indp) entre eux et à ladite pièce (10) pour le fondamental du courant et la connaissance des matrices d'impédance pour chaque harmonique que l'on souhaite
Figure imgf000031_0004
contrôler.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on détermine les capacités des condensateurs
Figure imgf000031_0002
Figure imgf000031_0003
et on associe la matrice d'impédances à un vecteur des
Figure imgf000031_0001
capacités.
6. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel une modulation de largeur d'impulsions est réalisée par insertion d'angles supplémentaires afin de supprimer des harmoniques de rang supérieur ou égale à deux des courants traversant les inducteurs dans lequel des harmoniques de rang
Figure imgf000031_0005
supérieur ou égal à 2 sont supprimées par un signal carré, et dans lequel le fondamental du courant délivré par chaque onduleur est contrôlé
Figure imgf000031_0006
par le même signal carré.
7. Dispositif de chauffage par induction comprenant:
- des inducteurs (Ind1 , Ind2, Indp) couplés magnétiquement, chaque inducteur (Ind1 , Ind2, Indp) étant associé à un condensateur
Figure imgf000031_0008
pour former un circuit oscillant, lesdits circuits oscillants possédant au moins approximativement la même fréquence de résonance;
- des onduleurs alimentant chacun un inducteur (Ind1 , Ind2,
Figure imgf000031_0007
Indp) qui lui est propre, caractérisé en ce que chaque onduleur
Figure imgf000031_0009
Op) est commandé par une unité de commande (Mp,h) de façon à faire varier l'amplitude et la phase du fondamental et des harmoniques du courant traversant l'inducteur correspondant ;
comprenant en outre :
- des moyens de détermination du courant fondamental et des harmoniques des courants traversant les inducteurs Ind1 , Ind2, Indp) ainsi que des moyens de détermination d'un profil de température effectif d'une pièce 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
Figure imgf000032_0002
Figure imgf000032_0001
les onduleurs afin que les courants des inducteurs et leurs
Figure imgf000032_0003
harmoniques 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.
8. Dispositif de chauffage par induction selon la revendication 7, dans lequel les inducteurs (Ind1 , Ind2, Indp) présentent des culasses magnétiques de canalisation du flux magnétique.
9. Ensemble de chauffage par induction comprenant un dispositif de chauffage (D) par induction selon la revendication 7 ou 8 et une pièce (10) chauffée par le dispositif de chauffage (D) par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, ladite pièce chauffée étant conductrice d'électricité.
10. Ensemble de chauffage selon la revendication 9, dans lequel la pièce (10) est métallique.
1 1 . Ensemble selon la revendication 10, dans lequel la pièce chauffée comprend un métal ferromagnétique.
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