Circuit de Chauffage par Induction : Principes, Conception et Applications des Bobines de Travail

Le circuit de chauffage par induction chauffe des matériaux conducteurs sans contact, utilisant un champ magnétique haute fréquence pour chauffer céramiques ferromagnétiques et métaux. Il convient aussi pour la fusion et le forgeage de l'acier et de l'aluminium. Commercialement, on l'utilise pour le brasage, le soudage et le traitement thermique.

Particulièrement intriguant à construire, il ne nécessite aucun élément chauffant par induction. L'appareil ressemble à une plaque de cuisson qui reste à température. Ce guide explique la construction de circuits de chauffage par induction. Le circuit principal est facile à réaliser avec des composants standards.

1. Principe de Fonctionnement du Chauffage par Induction

Selon la loi de Faraday, la commutation d'un conducteur dans un champ électrique génère un champ magnétique alternatif. Dans le circuit de chauffage par induction, la fréquence évolue plus vite que les électrons dans le fer, causant un courant inverse : le courant de Foucault (eddy current). Ce courant de Foucault intense chauffe le fer.

Le principe fonctionne aussi en sens inverse : champ magnétique variable dans le conducteur. La chaleur extrême = I² × R (fer). Résistivité du fer = 97 nΩ·m. Comme la chaleur est proportionnelle à la fréquence de fonctionnement, les transformateurs de commande de grille ordinaires ne conviennent pas au chauffage par induction haute fréquence. Vient ensuite le principe de l'effet Joule : le courant traversant un matériau génère des matériaux magnétiques. Les designs simples s'accordent à la fréquence de résonance de la bobine en cuivre et du banc de condensateurs, similaires au circuit réservoir (tank circuit).

Chaleur = I² × R (Fer)

2. Éléments du Circuit de Chauffage par Induction

Comment construire un chauffage par induction ? Nous aborderons la conception de la bobine d'induction et du signal oscillant rapide, y compris l'induction de courants pour chauffer le métal. Comme la plupart des dispositifs, le circuit a besoin d'un circuit imprimé et de composants actifs.

2.1 Matériaux

• Adaptation d'impédance : La capacité de l'alimentation de chauffage par induction est similaire aux générations précédentes. Avec tension alternative et maximale, l'impédance de puissance et la charge doivent être proches pour délivrer la pleine puissance à la pièce. Les circuits de contrôle d'adaptation d'impédance font en sorte que tension, courant et puissance atteignent leurs limites maximales. Utile aussi dans les transformateurs électriques.
• Alimentation : Partie essentielle du système. Fréquence de fonctionnement et puissance la caractérisent. Types : multiplicateurs de fréquence, convertisseurs à étincelles, onduleurs de tension.
• Réservoir de résonance : Inductances et condensateurs en parallèle à fréquence de résonance. Fonctionne comme un pendule oscillant : l'énergie oscille entre le condensateur (énergie électrostatique) et l'inductance (énergie électromagnétique). Le transfert s'amortit par les pertes dans l'inductance, la charge et le condensateur. Le banc de condensateurs fournit la capacitances nécessaire pour atteindre la fréquence de résonance adaptée à l'alimentation.
• Inductances du chauffage par induction

2.2 Conception de la Bobine de Travail (Work Coil)

La bobine est un tube de cuivre façonné qui applique la puissance sous plusieurs formes. Le courant d'induction dans le matériau est proportionnel au nombre de spires. Le design de la bobine primaire est crucial pour l'efficacité et l'efficacité du motif de chauffe.

C'est un matériau conducteur traversé par un courant alternatif créant un champ magnétique. Les composants conducteurs et pièces métalliques restent à l'intérieur, à côté ou à travers la bobine sans la toucher, mais génèrent une induction magnétique dans le métal créant de la chaleur.

Généralement, les bobines d'induction sont à eau. Selon l'application, diverses formes existent, mais la bobine hélicoïdale multi-spires est la plus courante. La largeur du motif de chauffe dépend du nombre de spires. Les bobines à spire unique conviennent pour le chauffage de pointe, bande étroite ou silicium. Les bobines hélicoïdales multi-positions chauffent plusieurs pièces. Les bobines internes chauffent les alésages internes, les bobines « crêpe » (pancake) ne chauffent qu'une face du matériau.

Conditions à Considérer

1. Sur matériaux magnétiques, la chaleur vient de l'effet d'hystérésis et du courant de Foucault.
2. La zone proche de la jonction des bobines séparées a une densité de flux magnétique plus faible. Le centre ID de la bobine n'est jamais au centre de chauffe par induction.
3. Pour augmenter l'efficacité, réduisez la distance entre la bobine crêpe et la charge.
4. Si la pièce est au centre de la bobine, couplez-la idéalement avec le fil magnétique ou le champ. Si décentrée, la zone plus proche des spires reçoit moins de pertes de chaleur.
5. Pour dimensionner la puissance de la bobine, considérez convection, rayonnement et pertes de conduction.
6. Plus la fréquence critique du courant alternatif est élevée, plus la profondeur de pénétration de chauffe est faible.
7. Les matériaux à fréquence de résonance plus élevée chauffent plus vite.

Efficacité de la Bobine

Formule : Efficacité = énergie transférée à la charge depuis la bobine bifilaire / énergie transmise à la bobine.

Modification de la Bobine selon l'Application

Bien que l'objet à chauffer nécessite un chauffage uniforme, son profil n'est pas constant dans beaucoup d'applications. Deux méthodes de modification : découpler les courbes où la bobine hélicoïdale a une section transversale plus grande, ou augmenter l'espacement des spires là où la section transversale est plus grande.

Situation similaire pour le chauffage de surfaces planes avec une grande bobine crêpe : les zones périphériques reçoivent moins de chaleur. Pour prévenir cela, augmentez l'espace entre l'objet plat et la surface de la bobine en ajoutant un motif conique à la bobine crêpe.

Types de Bobines de Chauffe

Bobines à Canal (Channel Coils)

Utilisées quand le temps de chauffe n'est ni court ni long, avec des niveaux de puissance relativement faibles. Plusieurs bobines y passent à vitesse constante pour atteindre la pression maximale à la sortie. Leurs extrémités sont souvent pliées pour l'entrée/sortie. Pour le chauffage de profil de fer, on utilise un concentrateur de flux à plaques avec des bobines à canal multi-spires.

Bobine à Double Déformation

Pour température uniforme, chauffage de bouts d'arbre, brasage. Côtés inclinés pour chauffage uniforme. Pour l'effet magnétique, attention au chemin des deux bobines crêpes où s'enroulent les enroulements primaires.

Bobine à Retour Partagé (Split-Return)

Applications : soudage plastique, métal, bande étroite dopée céramiques ferromagnétiques. Induit un fort courant dans la zone de soudage, qui se divise en deux. Le chauffage par induction au chemin de soudage est alors plus élevé que sur le reste de l'objet.

Conception des Conducteurs (Leads) pour Bobines d'Induction

Bien que courts, les conducteurs sont essentiels au circuit réservoir et à la bobine car ils possèdent une inductance finie. Le schéma montre le circuit de la station de chauffe d'un circuit de résonance. C = condensateur de résonance dans la station. L = inductance totale des conducteurs de la bobine. V = tension d'entrée totale de l'alimentation d'induction vers le travail du circuit.

Concentrateur de Flux

Matériau à faible conductivité électrique et haute perméabilité, placé dans la bobine pour amplifier le flux magnétique sur la charge chauffée. Effet : améliore l'efficacité thermique à faible niveau de puissance.

Déduction de l'Inductance des Conducteurs

On utilise des bobines à haute inductance à basse fréquence car L-conducteur < L-bobine.

3. Exemple de Schéma de Circuit de Chauffage par Induction

Ci-dessous, le schéma et la mise en place du circuit de chauffage par induction.

Conclusion

Comparés à d'autres dispositifs électroniques, les appareils de chauffage par induction offrent plus d'efficacité, un meilleur contrôle et une plus grande rapidité. Le niveau d'efficacité dépend de la qualité de construction et de mise en œuvre.

Le circuit de chauffage par induction fournit une méthode rapide, propre et non polluante. Avec les schémas ci-dessus, le fonctionnement et la conception du circuit réservoir et de la bobine d'induction devraient être faciles à construire et tester. Contactez-nous à tout moment.