commutation au zéro de tension : chauffage par induction

[vicmand]

Salut tout le monde !

J'ai réalisé quelques tests sur la commutation au zéro de tension et j'ai quelques conclusions personnelles que je souhaite vérifier.
J'aimerais savoir si certaines de ces affirmations sont fausses on erronées :

- Le circuit un est un ZVS (zero volt switching). Il présente l'avantage d’osciller automatiquement à partir d'un circuit LC (bobine, condensateur). Les transistors viennent chacun leur tour renflouer l'énergie perdue par le circuit LC à chaque demi-période. Lorsque un transistor est passant, l'autre est forcé de ne pas l'être. Les inductances permettent d'avoir un courant sans interruption durant la commutation, leur valeur exacte n'est pas très importante, pourvu qu'elle soit supérieure à quelques µH et inférieure a quelques mH.

- On voit généralement ce circuit avec une diode Zener 12V et une résistance entre les bornes G & S du transistor MOSFET. La diode zener sert à empêcher d'avoir plus de 12V sur la Gate du transistor (5V suffisent), on peut s'en passer puisque ce qui pose le plus de problème est avant tout la tension de Drain. La résistance sert en cas de problème (pour que les transistors soient bloqués), on peut s'en passer naturellement.

- La bobine doit être constituée de façon à ce que les spires soient le plus proches les unes des autres pour obtenir la plus forte réactance possible en un minimum de place.

- Le circuit LC ne doit pas osciller à plus de 100KHz : à cause de l'effet de peau [...] et de la section que l'on utilise (1,5mm²), la résistance apparente de la bobine augmente de trop lorsque on dépasse 100KHz, on se retrouve alors en régime critique du circuit LC, l'alimentation risque de "couper" dès un faible courant (10 ampères au lieu de 18) à cause d'une surconsommation immédiate. On a donc une condition minimale sur la valeur du produit LxC. (les versions industrielles utilisent des tubes de cuivre pour palier l'effet de peau, c'est également l’occasion de faire circuler un fluide dedans pour les refroidir).

- Plus la capacité est grande, plus la consommation à vide augmente et donc plus le rendement est faible. Par contre, une grande capacité permet d'avoir un couplage plus élevé ce qui permet de faire chauffer plus aisément des petites masses qui ne remplissent qu'une faible partie de la bobine.

- Augmenter l'inductance permet les effets inverses d'augmenter la capacité, mais cela entraîne plus de contraintes. Contenu du fait que la bobine a forcément une certaine section et qu'il est difficile de minimiser l'espace entre deux spires, la bobine la plus efficace que l'on puisse réaliser à un diamètre proche de son épaisseur (plus de spires et on augmente trop peu la réactance par rapport à la résistance que l'on ajoute).

- La variation de l'inductance lorsque l'on place un objet dedans entraîne une variation de consommation, la différence de consommation (à vide - en charge) permet d'obtenir une estimation du rendement "théorique" (en dehors des pertes par effet joules dans le circuit, notamment la bobine). Dans notre cas 83%.

Merci beaucoup pour vos réponses
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[Tropique]

Bonjoir,

J'ai réalisé quelques tests sur la commutation au zéro de tension et j'ai quelques conclusions personnelles que je souhaite vérifier.
J'aimerais savoir si certaines de ces affirmations sont fausses on erronées :

- Le circuit un est un ZVS (zero volt switching). Il présente l'avantage d’osciller automatiquement à partir d'un circuit LC (bobine, condensateur). Les transistors viennent chacun leur tour renflouer l'énergie perdue par le circuit LC à chaque demi-période. Lorsque un transistor est passant, l'autre est forcé de ne pas l'être. Les inductances permettent d'avoir un courant sans interruption durant la commutation, leur valeur exacte n'est pas très importante, pourvu qu'elle soit supérieure à quelques µH et inférieure a quelques mH.

ZVS signifie ni plus ni moins que l'abréviation. Selon les modes et l'air du temps, on lui attribue plutot une signification particulière, par exemple il y a une quarantaine d'années, les bases de temps de TVC étaient des ZVS, mais à thyristors. Il n'y a donc pas d'oscillation automatique, ni de type de semiconducteur spécifique: le seul point commun est de commuter au zéro, ce qui permet d'éliminer les pertes de commutation. Il y a autant de ZVS que de domaines d'applications et de topologies: série, parallèle, mixtes, classe E pour l'émission, etc

- On voit généralement ce circuit avec une diode Zener 12V et une résistance entre les bornes G & S du transistor MOSFET. La diode zener sert à empêcher d'avoir plus de 12V sur la Gate du transistor (5V suffisent), on peut s'en passer puisque ce qui pose le plus de problème est avant tout la tension de Drain. La résistance sert en cas de problème (pour que les transistors soient bloqués), on peut s'en passer naturellement.

Apparemment, tu pars sur une version symétrique, type Royer (encore une appelation impropre au fait, mais au moins on voit de quoi on parle).
Il faudrait un schéma comme base de discussion, mais la résistance permet de définir les conditions par défaut (et donc éviter une conduction intempestive des deux MOS)

- La bobine doit être constituée de façon à ce que les spires soient le plus proches les unes des autres pour obtenir la plus forte réactance possible en un minimum de place.

C'est souvent une exigence dans tout ce qui travaille inductivement, que ce soit un alternateur, un transformateur ou une self de chauffage: la technique a horreur du vide, mais il y a des exceptions....

- Le circuit LC ne doit pas osciller à plus de 100KHz : à cause de l'effet de peau [...] et de la section que l'on utilise (1,5mm²), la résistance apparente de la bobine augmente de trop lorsque on dépasse 100KHz, on se retrouve alors en régime critique du circuit LC, l'alimentation risque de "couper" dès un faible courant (10 ampères au lieu de 18) à cause d'une surconsommation immédiate. On a donc une condition minimale sur la valeur du produit LxC. (les versions industrielles utilisent des tubes de cuivre pour palier l'effet de peau, c'est également l’occasion de faire circuler un fluide dedans pour les refroidir).

Très délicat ce genre d'affirmation: il y a tellement de variables, notamment ce qu'on veut chauffer qu'il est impossible d'être général.

- Plus la capacité est grande, plus la consommation à vide augmente et donc plus le rendement est faible. Par contre, une grande capacité permet d'avoir un couplage plus élevé ce qui permet de faire chauffer plus aisément des petites masses qui ne remplissent qu'une faible partie de la bobine.

A nouveau, ni oui ni non: ce peut être vrai ou faux, et cela dépend des spécificités

- Augmenter l'inductance permet les effets inverses d'augmenter la capacité, mais cela entraîne plus de contraintes. Contenu du fait que la bobine a forcément une certaine section et qu'il est difficile de minimiser l'espace entre deux spires, la bobine la plus efficace que l'on puisse réaliser à un diamètre proche de son épaisseur (plus de spires et on augmente trop peu la réactance par rapport à la résistance que l'on ajoute).

De nouveau, à boire et à manger: il existe bien un facteur de forme optimal pour le Q (pour le cuivre), mais ce n'est pas lié à l'inductance: juste à la répartition géométrique du cuivre.
A priori, du cuivre est du cuivre, qu'il y ait beaucoup de spires fines, ou un faible nombre de spires épaisses. Seule l'électronique d'attaque doit s'adapter. Mais là encore, il y a des facteurs spécifiques: beaucoup de spires fines vont générer une forte capacité parasite, donc une fréquence de self-résonance basse, mais souffriront moins de l'effet de peau (mais plus du crowding). Rien n'est simple dans le magnétisme.

- La variation de l'inductance lorsque l'on place un objet dedans entraîne une variation de consommation, la différence de consommation (à vide - en charge) permet d'obtenir une estimation du rendement "théorique" (en dehors des pertes par effet joules dans le circuit, notamment la bobine). Dans notre cas 83%.

Cette affirmation à priori me semble très hasardeuse; elle peut être ~vraie dans des conditions calibrées et contrôlées, mais totalement fausse dans d'autres: si la cible crée une désadaptation telle que la dissipation globale augmente énormément, tout en réduisant la puissance utile: imaginons une cible supra conductrice par exemple: elle va forcer des courants réactifs énormes dans le primaire, donc beaucoup de pertes, mais par définition elle ne peut rien dissiper. le rendement va tomber à zéro malgré l'augmentation de dissipation.

[vicmand]

Merci pour ces précisions, c'est à peu près ce que je pensais, le comportement dépend de tellement de paramètres !
Ces conclusions sont probablement erronées dans un cas très général, mais mais appliquées à mon Exemple précis sa devrait le faire.

[vicmand]

J'ai un résultat expérimental lorsque je chauffe une pièce de métal par induction :

- Le courant consommé augmente quand la pièce chauffe (si je met une partie de la pièce encore froide, le courant redevient plus faible, cette augmentation est donc bien liée au métal qui chauffe et non au circuit qui chauffe).
- Une fois la métal chauffé au rouge / Orange est courant se limite vers une valeur assez faible et la température ne monte plus.

Je souhaiterai savoir pourquoi donc ? (augmentation, diminution rapide, stabilisation)
Je propose ces explications, sont-elles justes ? :




- Le courant produit à la manière d'un "transformateur" n'est pas a l'origine de l'intégralité de l'échauffement. Avec du fer, il s'agit même d'une minorité !

- L’hystérésis magnétique s'occupe du reste, chaque infime portion de fer chauffe d'elle même, plus le matériaux a une forte perméabilité magnétique, plus cet effet est marqué. (C'est d'ailleurs pour éviter cet effet que les transformateurs sont composés de matériaux ferromagnétique doux.)

- Expérimentalement, la résistance pour un fil chauffé à blanc se multiplie environ par 12 ; ce n'est pas rien certes, mais ici il l'effet est limité (compensé) : toute l'énergie qui arrive à travers la barre doit se dissiper. Si la résistance augmente, le courant est plus faible ; il n'y a pas d’équilibre : grâce à l'augmentation de la tension, la puissance dissipée évolue de façon seulement inversement proportionnelle.

- Mais la perméabilité s'est modifiée au niveau de zones chauffées, l'inductance formée par la barre de fer & de la bobine devient plus faible ce qui accélère le circuit LC. Cette accélération (fréquence) augmente les pertes par hystérésis. Finalement l'augmentation de température augmente légèrement le courant consommé (d'ou le résultat expérimental).
Enfin, une fois la température de curie atteinte, il ne reste plus que l'effet "transformateur" classique, d'ou une diminution (très) brutale du courant consommé (on est pas seulement vers le point de Curie, il est dépassé pour de bon, sans mirco cycle d'hystérésis ^^). La puissance dissipée devient identique à une portion de métal non ferreux, comme l'alu ou le cuivre, avec lesquels ça ne fonctionne pas aussi bien. Vu que le métal rayonne déjà beaucoup (température de couleur identique à celle nécessaire au balancier à point de curie, ce qui est un argument en plus) cela compense l'énergie apportée à chaque instant et on ne peut pas le chauffer plus avec cette puissance (400W).

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tropique]

J'ai un résultat expérimental lorsque je chauffe une pièce de métal par induction :

- Le courant consommé augmente quand la pièce chauffe (si je met une partie de la pièce encore froide, le courant redevient plus faible, cette augmentation est donc bien liée au métal qui chauffe et non au circuit qui chauffe).
- Une fois la métal chauffé au rouge / Orange est courant se limite vers une valeur assez faible et la température ne monte plus.

Je souhaiterai savoir pourquoi donc ? (augmentation, diminution rapide, stabilisation)
Je propose ces explications, sont-elles justes ? :




- Le courant produit à la manière d'un "transformateur" n'est pas a l'origine de l'intégralité de l'échauffement. Avec du fer, il s'agit même d'une minorité !

Une minorité je ne suis pas sur: il faudrait comparer le noyau initial, et le même réduit en fine limaille pour éliminer en grande partie les effets des courants de Foucault

- L’hystérésis magnétique s'occupe du reste, chaque infime portion de fer chauffe d'elle même, plus le matériaux a une forte perméabilité magnétique, plus cet effet est marqué. (C'est d'ailleurs pour éviter cet effet que les transformateurs sont composés de matériaux ferromagnétique doux.)

L'hystérésis joue incontestablement un rôle, mais la perméabilité favorise tout, y compris les courants de Foucault: elle concentre un maximum de lignes de champ dans la pièce

- Expérimentalement, la résistance pour un fil chauffé à blanc se multiplie environ par 12 ; ce n'est pas rien certes, mais ici il l'effet est limité (compensé) : toute l'énergie qui arrive à travers la barre doit se dissiper. Si la résistance augmente, le courant est plus faible ; il n'y a pas d’équilibre : grâce à l'augmentation de la tension, la puissance dissipée évolue de façon seulement inversement proportionnelle.

Il y a un effet d'adaptation d'impédance: par exemple une cible très conductrice (supra- éventuellement) va générer des courants très élevés dans le primaire et le secondaire (la pièce elle-même), mais ces courants ne chaufferont que le primaire.
Dans une situation réelle, la pièce et le primaire ont des conductivités du même ordre à T° ambiante, et au début le rendement est mauvais: pratiquement autant de puissance est dissipée de part et d'autre.
Quand la pièce chauffe, l'équilibre se modifie, et une part plus élevée est dissipée dans la pièce. Mais à un certain point, sa résistivité devient tellement forte que la puissance absolue dissipée diminue, même si le rendement est meilleur.

- Mais la perméabilité s'est modifiée au niveau de zones chauffées, l'inductance formée par la barre de fer & de la bobine devient plus faible ce qui accélère le circuit LC. Cette accélération (fréquence) augmente les pertes par hystérésis. Finalement l'augmentation de température augmente légèrement le courant consommé (d'ou le résultat expérimental).
Enfin, une fois la température de curie atteinte, il ne reste plus que l'effet "transformateur" classique, d'ou une diminution (très) brutale du courant consommé (on est pas seulement vers le point de Curie, il est dépassé pour de bon, sans mirco cycle d'hystérésis ^^). La puissance dissipée devient identique à une portion de métal non ferreux, comme l'alu ou le cuivre, avec lesquels ça ne fonctionne pas aussi bien. Vu que le métal rayonne déjà beaucoup (température de couleur identique à celle nécessaire au balancier à point de curie, ce qui est un argument en plus) cela compense l'énergie apportée à chaque instant et on ne peut pas le chauffer plus avec cette puissance (400W).

Oui: passé le point de Curie, le processus s'il n'est pas adapté devient beaucoup plus inefficace. Il y a quand même une facilité par rapport à des métaux non-ferreux, c'est que la résistivité est beaucoup plus forte, et l'effet de désadaptation d'impédance mentionné plus haut est plus facilement gérable.

[vicmand]

Merci encore !