Contribution à la commande d'une alimentation multi-bobines pour chauffage par induction industriel

Résumé : Le phénomène d'induction est découvert par le danois Hans Christian Oersted en 1820. Celui-ci constate qu'un courant traversant un fil à proximité d'une boussole dévie l'aiguille de cette boussole. De nombreuses expériences et théories sont proposées jusqu'en 1821 où l'anglais Michael Faraday crée le premier moteur électrique. Dix ans plus tard, grâce à des travaux américains sur les bobines de cuivre, Faraday crée les prémices de l'alternateur et c'est ainsi qu'il devient le père de l'électromagnétisme. Ces travaux sont la base de la première machine électrique à induction en 1832, par André-Marie Ampère et de la loi énoncée en 1833 par Heinrich Lenz qui précise le sens du courant induit dans la seconde bobine. Ce n'est qu'en 1841 que James Prescott Joule énonce la loi portant son nom après avoir observé le phénomène sur de l'eau dans laquelle passait un conducteur. Le chauffage par induction est une application directe de deux lois physiques, la loi de Lenz et l'effet Joule : tout corps conducteur d'électricité plongé dans un champ magnétique variable voit apparaître des courants induits à l'intérieur qui échauffent la pièce par effet Joule. L''induction se veut être la meilleure technologie disponible de chauffage de solides dans les industries agro-alimentaires et en métallurgie (traitement thermique des métaux et fusion). Cette technique recèle encore des possibilités importantes de progrès technologiques. Ainsi le concept " d'inducteur universel " qui vise à développer des couples générateurs / inducteurs permettant une plus grande adaptabilité à la charge, rend les équipements beaucoup plus génériques, donc moins chers et aptes à de nouvelles applications. Ce travail de recherche s'inscrit dans le projet ISIS, Innovative Solution for Induction System, financé par l'Agence Nationale de la Recherche pour tenter de répondre à la problématique proposée par le programme Efficacité Energétique et réduction des émissions de CO 2 dans les Systèmes Industriels (EESI). Ce projet rassemble 7 partenaires : EDF R&D, FIVES-CELES, ATYS Consultants, ARMINES-CEP, CNRS-CRISMAT, CNRS-SIMAP, et nous-mêmes INPT-LAPLACE. Par ailleurs, le paquet énergie-climat adopté par l'Union Européenne le 23 janvier 2008 fixe comme objectif une amélioration de 20% de l'efficacité énergétique et de la réduction des émissions de CO 2 à l'horizon 2020. L'industrie consomme actuellement près de 28 % de la production énergétique totale en France et représente environ 23 % des émissions de CO 2 , soit 30 Mt/an [48][49]. Près de 70 % de l'énergie finale, consommée par le secteur industriel, est destinée à couvrir des besoins de chaleur. Le gisement potentiel d'économies d'énergie dans le secteur industriel est estimé à 20 % de l'énergie consommée. Dans ce contexte, le programme EESI a pour objectif de pouvoir conjointement améliorer l'efficacité énergétique industrielle et réduire les émissions de CO 2 [47]. Le projet ISIS vise à favoriser la pénétration de l'induction dans les différents secteurs industriels où elle peut s'avérer particulièrement performante. Le travail aborde trois angles complémentaires : - La recherche technico-économique des potentiels de pénétration de la technique de chauffage par induction, - L'amélioration des performances de la conversion électrothermique des équipements de chauffage par induction, - La récupération de l'énergie fatalement perdue et sa réutilisation de préférence dans la ligne de fabrication. Avec la participation de EDF R&D et FIVES-CELES, nous sommes en charge de la tâche n°2 de ce projet qui cherche à concevoir et mettre en œuvre une alimentation multi-bobines auto- adaptative. Tout d'abord, le développement d'un système multi-inducteurs doit permettre d'assurer un chauffage multi-zones. Différentes solutions, mécaniques ou électriques, sont aujourd'hui candidates pour assurer la souplesse d'utilisation requise pour s'adapter à des charges différentes par les produits à chauffer ou leurs dimensions. Ce travail s'inscrit dans une thématique de recherche plus large du groupe CODIASE du LAPLACE, qui vise à définir des méthodes de commande d'actionneurs (ici des inducteurs) couplés. Des travaux antérieurs menés au sein de l'entreprise EDF R&D ont mené vers la réalisation d'un prototype de chauffage de plaque fine à trois inducteurs sur lequel des études théoriques et expérimentales ont montré la possibilité de maîtriser la température de la pièce par la maîtrise des courants à l'intérieur des inducteurs. Nos travaux cherchent donc à asservir ces courants, en amplitude et en phase, à une référence optimisée, en vue d'une maîtrise de la température à la surface de la tôle, malgré les couplages entre les inducteurs et entre les inducteurs et la tôle, malgré les variations paramétriques dues à la température et/ou une erreur d'identification des paramètres du système. Nous les présentons ici en trois grandes étapes. La première d'entre elles modélise le système d'un point de vue électrique selon trois représentations différentes. Elle propose également une amélioration de l'optimisation des courants dans les inducteurs à partir de [8], en intégrant désormais une dimension multi-critères avec recherche d'amélioration de l'efficacité énergétique par la commande, basée notamment sur l'évaluation des pertes. Dans un second temps, nous proposons des outils permettant une validation théorique et semi- expérimentale des lois de commande qui sont mises en place. Pour ce faire, nous avons construit un simulateur analogique émulant le comportement des grandeurs électriques du système, commandé par une carte dSPACE. Nous proposons également un schéma de principe d'une commande rapprochée, étape indispensable et moins évidente qu'il n'y paraît de prime abord, pour passer des grandeurs de commande en sortie des correcteurs résonants aux ordres de commande des interrupteurs des onduleurs à résonance. Enfin, le dernier chapitre traite de la synthèse en discret de deux lois de commande que nous proposons comme solution aux problèmes, un retour d'état et des correcteurs résonants. Différentes simulations et applications au simulateur analogique ainsi que des premiers résultats expérimentaux sur la maquette EDF de 30 kVA sont présentés.
Type de document :
Thèse
Sciences de l'ingénieur [physics]. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2013. Français
Liste complète des métadonnées

Littérature citée [45 références]  Voir  Masquer  Télécharger

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00962425
Contributeur : Léa Boulanger <>
Soumis le : lundi 31 mars 2014 - 08:41:34
Dernière modification le : samedi 29 septembre 2018 - 15:12:05
Document(s) archivé(s) le : lundi 10 avril 2017 - 02:30:16

Identifiants

  • HAL Id : tel-00962425, version 1

Collections

Citation

Julie Egalon. Contribution à la commande d'une alimentation multi-bobines pour chauffage par induction industriel. Sciences de l'ingénieur [physics]. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2013. Français. 〈tel-00962425〉

Partager

Métriques

Consultations de la notice

488

Téléchargements de fichiers

3857