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français
EuroWire – Mai 2007
effective du conducteur. La profondeur
effective de pénétration du courant,
sous forme métrique, est fournie par la
formule suivante:
Dans la formule ci-dessus:
p = profondeur de pénétration du courant
r = résistivité exprimée en microhms
centimètres
µ = perméabilité effective
(µ = 1 pour des matériaux non
magnétiques)
En sélectionnant la fréquence correcte,
il est possible de contrôler la quantité de
matériau chauffé: des fréquences élevées
entraînent des niveaux de pénétration
effective réduits, tandis que des fréquences
inférieures auront pour résultat une
pénétration plus profonde. En considérant
la formule, environ 90% de la chaleur
totale est générée à la profondeur ‘p’, avec
des profondeurs supérieures chauffées par
conduction à travers le matériau. Toutefois,
pour obtenir un chauffage optimal à
travers la totalité du matériau, il faut éviter
la superposition des courants opposés
s’écoulant sur les surfaces opposées du
conducteur afin d’empêcher l’annulation
du courant. Normalement la valeur de ‘p’
devrait être inférieure à la moitié du rayon
du conducteur, bien que cette règle ne soit
pas appliquée constamment.
En outre, des profondeurs de pénétration
de courant différentes peuvent être
utilisées pour plusieurs matériaux et
températures à différentes fréquences.
Dans le processus de chauffage par
induction, un composant métallique placé
à l’intérieur ou à proximité d’une bobine
d’induction est chauffé grâce au passage
du courant inducteur à travers la bobine,
qui à son tour, introduit du courant
supplémentaire à l’intérieur du composant.
La chaleur est générée par la résistance
à ce courant induit, conformément à la
loi I²R (où I = Courant et R = Résistance)
et également par perte par hystérésis
dans les matériaux magnétiques: un effet
qui disparaît à la température de Curie
(environ. 1 400°F / 760°C).
Sélection de la puissance
(pour fil chauffé complètement)
Dès que la fréquence correcte est
déterminée et que les unités de puissance
appropriées
sont
sélectionnées,
le
pas successif consiste à considérer les
exigences de puissance et, avant tout,
à déterminer le contenu calorifique du
conducteur. Le contenu calorifique d’un
fil en mouvement est simplement une
fonction du débit du matériau, de la
chaleur spécifique et de l’augmentation de
la température.
Toutefois,
ce
calcul
apparemment
simple, est compliqué par le fait que la
chaleur spécifique varie au rythme de
l’augmentation de la température. En
considérant comme exemple un acier à
moyenne teneur en carbone, la chaleur
spécifique varie en raison d’un facteur de
1,3 allant de 68°F (20°C) à 1 022°F (550°C),
et 1,5 allant de 68°F (20°C) à 1.652°F
(900°C).
Par conséquent, afin de déterminer le
contenu calorifique pour chauffer l’acier
au carbone à 1 022°F (550°C) et 1 652°F
(900°C), comme méthode empirique
approximative, l’on peut utiliser des valeurs
de chaleur spécifiques de 0,58 et 0,63.
Selon cette règle, le contenu calorifique
du fil chauffé à 1 022°F (550°C) sera égal à
2,31 x lb/min (1,05 x kg/min), tandis qu’à
1 652°F (900°C) sera égale à 4,27 x lb/min
(1,94 x kg/min) avec un résultat exprimé
en kW. Une fois le contenu calorifique du
produit déterminé, le pas successif consiste
à déterminer la puissance de sortie de
l’unité de puissance en établissant un
rendement thermique correspondant à la
sortie de l’unité de puissance.
Rendement thermique
Un
système
d’induction
typique
consiste en une unité de puissance, en
un système à bobines de chauffage et
en les équipements nécessaires pour
“accoupler” la bobine de chauffage (et le
fil traité) à l’unité de puissance. L’unité de
puissance est également connue comme
convertisseur, invertisseur ou générateur.
Cette unité permet de convertir une
alimentation triphasée de 50 ou 60Hz à
une fréquence de sortie nominale allant
de 250Hz à 800kHz en une seule phase,
avec des sorties de puissance allant de
1kW à 4MW, dans une vaste gamme de
combinaisons de fréquences de puissance,
et avec la possibilité de combinaisons de
double fréquence. Ces unités de puissance
peuvent être constituées de thyristors ou
de transistors.
Le système à bobine de chauffage utilisé
pour les applications de chauffage des
fils, consiste en un tube de cuivre enroulé
en spirale. Le tube peut être rond, carré
ou rectangulaire, et présente souvent
des bandes de cuivre supplémentaires
brasées sur le diamètre intérieur de la
spirale. La longueur de la bobine, le
diamètre intérieur, le nombre des spires
et le pourcentage de cuivre par rapport à
l’espace libre le long du diamètre intérieur
de la spirale sont tous des paramètres
importants en termes de rendement
du système.
La totalité des unités de puissance
fonctionne dans une bande de fréquences
de, par exemple, 7-11kHz, 20-25kHz, et
40-50kHz pour des fréquences de sortie
nominales d’unités de 10kHz, 25kHz et
50kHz respectivement. Afin d’obtenir
l’exploitation à l’intérieur de cette bande,
l’inductance de la bobine, la tension de
fonctionnement de la bobine et la capacité
(KVAR) du circuit à résonance de l’unité
de puissance peuvent être variées pour
s’adapter aux exigences spécifiques des
dimensions du fil, des matériaux, des taux
de débit et des températures.
En considérant le rendement, il faut
d’abord analyser le système de la bobine.
Figure 1
.
Ligne de processus de trempe et revenu pour fil
▼
F
r
μ
π ρ
10
20
1
=