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Auteur(s)
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Gérard DEVELEY : Ingénieur IEG. Docteur ès sciences - Ancien professeur à l’Université de Nantes
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Le chauffage par induction électromagnétique fait partie des techniques électrothermiques qui permettent de chauffer un matériau sans contact direct avec une source d’énergie électrique. Il consiste à plonger le corps à chauffer dans un champ électromagnétique variable dans le temps, et à dissiper sous forme de chaleur l’énergie entrant dans le corps. Il se distingue cependant nettement des autres techniques (infrarouge et micro-ondes) par la nature des matériaux chauffés et par la bande de fréquence électrique utilisée, c’est-à-dire par la profondeur de pénétration et par les densités de puissance de chauffage obtenues. En effet, de par son principe, il ne s’applique qu’aux matériaux conducteurs de l’électricité, c’est-à-dire aux matériaux de résistivité électrique comprise entre 10 –8 Ω.m (cuivre) et 10 –1 Ω.m (verres fondus). La bande de fréquence employée est comprise entre la fréquence industrielle de 50 Hz et quelques mégahertz, si bien que les profondeurs de pénétration s’étagent entre quelques micromètres et quelques centimètres. Les densités de puissance surfacique peuvent atteindre 10 5 kW/m 2.
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On peut caractériser les performances de cette technique de chauffage par le produit fréquence-puissance et en suivre ainsi l’évolution. Depuis l’époque où le chauffage par induction faisait appel aux groupes tournants, ce produit a notablement augmenté. En effet, ces premiers générateurs ont été peu à peu remplacés par des convertisseurs statiques et, jusqu’à ces dernières années, le produit fréquence-puissance était classiquement de 100 à 1 000 kHz.kW. Actuellement, la tendance forte est d’augmenter la fréquence et la puissance des installations. On peut arriver ainsi à des valeurs fréquence-puissance de l’ordre de 250 000 kHz.kW !! (comme c’est le cas, pour le soudage au défilé des tubes d’acier ou des torches à plasma inductif de forte puissance).
Tout cela suppose un développement parallèle des matériels électrotechniques nécessaires tels que les condensateurs, les transformateurs, les inducteurs refroidis par l’eau, le câblage anti-inductif dit couramment « aselfique », etc, qui constituent la technologie moderne du chauffage par induction.
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Comme dans tout problème de chauffage, la puissance nécessaire au type de traitement thermique recherché est imposée par la masse à chauffer, la température à atteindre et le temps de chauffe. Pour l’ingénieur chargé de concevoir ou de conduire une installation de chauffage par induction, les questions à résoudre sont d’ordre électromagnétique pour optimiser le transfert de puissance entre la source et le matériau, puis d’ordre thermique pour connaître le champ de température et son évolution dans le temps.
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Une fois définie la puissance nécessaire, trois étapes sont en général à franchir.
En premier lieu, se pose la question du choix de la fréquence de travail. En effet, ce choix conditionne la profondeur de pénétration et permet donc de localiser la source thermique plus ou moins au voisinage de la surface du matériau. De ce choix dépend la nature du générateur à utiliser.
En second lieu, il faut assurer la maîtrise du transfert entre l’inducteur et le matériau de façon à obtenir la puissance injectée nécessaire au traitement recherché. Cette étape permet de définir la forme et la constitution de l’inducteur, puis l’adaptation correcte de l’inducteur au générateur.
Enfin, il faut s’assurer que l’évolution des températures et leurs répartitions dans le matériau correspondent bien au but recherché. Bien que cette dernière étape relève plus de considérations thermiques qu’électromagnétiques, elle ne doit pas être négligée. La réussite de l’opération de chauffage en dépend.
L’article « Chauffage par induction électromagnétique » fait l’objet de deux fascicules :
D 5 935 Principes
D 5 936 Technologie
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres.
Le lecteur devra assez souvent se reporter à l’autre fascicule.
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1. Principe et spécificités
La figure 1 montre le schéma de principe d’une installation de chauffage par induction. On trouve, à partir du réseau électrique (50 Hz), un convertisseur permettant de créer les courants électriques à la fréquence souhaitée, un adaptateur nécessaire à l’ajustement des tensions, un inducteur générant le champ électro-magnétique dans lequel est placée la charge à chauffer.
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Quelques ordres de grandeur sur le chauffage par induction permettent de mieux cerner ses spécificités.
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Fréquences
Il est habituel de distinguer les plages de fréquences suivantes :
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basse fréquence :de 50 Hz à 1 000 Hz ;
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moyenne fréquence : de 1 000 Hz à 35 kHz ;
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haute fréquence : de 35 kHz à 5 MHz.
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Puissances
On les caractérise par la puissance surfacique Ps, puissance injectée dans la pièce rapportée à la surface du matériau.
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Chauffage pénétrant :
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fréquence : de 1 à 50 kHz pour les métaux et de 0,1 à 4 MHz pour les semi-conducteurs ;
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puissance : 102 kW/m2 < Ps < 103 kW/m2 ;
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exemples d’applications : forge, fusion.
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Chauffage superficiel :
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fréquence : de 10 à 500 kHz pour les métaux ;
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puissance : 5 103 kW/m2 < Ps < 5 104 kW/m2 ;
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exemples d’applications : trempe superficielle, brasage.
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Chauffage pelliculaire :
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fréquence : de 10 à 1000 kHz pour les métaux ;
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puissance : Ps < 105 kW/m2 ;
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exemples d’applications : soudages de tubes, thermoscellage.
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L’utilisation d’une fréquence autre que 50 Hz impose de disposer de générateurs dont le fonctionnement et l’adaptation...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FOURNET (G.) - Électromagnétisme à partir des équations locales. - Masson - 1985 - ISBN 2-225-80651-9
-
(2) - METAXAS (A.-C.) - Foundations of electroheat. - WILEY et SONS - 1986 - ISBN 0-471-95644-9
-
(3) - Collectif - Induction, Conduction élastique dans l’industrie. - DOPEE 85-1996-ISBN 2-86995-022-5
-
(4) - Collectif - Enseignement d’électrothermie. - DOPEE 85- 1987 -(p. 155-199) ISBN 2-86995-005-5
-
(5) - Collectif - Exercices d’électrothermie. - DOPEE 85 - 1991 - ISBN 2-85995-016-0 (p. 109-163)
-
(6) - DE VRIENDT (A.) - La transmission de la chaleur. - G. Morin - 1982 - ISBN 2-89105-104-1
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