four à induction

[Thomas L]

Bonjour à tous,
J'ai peu de connaissance en électronique et magnétisme, c'est pourquoi je me tourne vers vous pour plus de renseignements.

Tout d'abord le principe de l'induction: J'ai cru comprendre que l'on faisait passer un courant de 100kHz dans une bobine de cuivre, émettant donc un champ magnétique, qui par effet que l'on retrouve dans les transformateur ( je ne connais pas le nom s'il en a un) , chauffe les casseroles spéciales induction, qui elles-mêmes chauffent les aliments.

J'ai vu que l'on alimentait un circuit en courant continu, mais j'ai du mal à saisir comment transformer un courant continu en alternatif sans hacheur, j'ai vu des bobines et des condensateurs dans les circuits et je me souvient d'avec des dipoles LRC on faisait des circuits oscillants. Est ce que c'est de cette facon que l'on fait de la haute frequence? Comment peut-on déterminer la fréquence?

Ma deuxième question porte sur les matériaux du " circuit secondaire" j'ai cru comprendre que la température de Curie avait un role là dedans. Dans ce que j'ai cru comprendre ca serait une température en dessous de laquelle un matériaux conserverait un champ magnétique et au delà de laquelle il le perdait. Dans ce cas qu'elles sont les métaux dans les casseroles?

Ensuite j'ai vu que dans l'industrie, il existait depuis une cinquantaine d'années des fours à induction dans des fonderies, d'abord en 50Hz, puis en haute fréquence depuis le choc pétrolier. Tout d'abord, en quoi la fréquence influence le rendement? Est ce que tous les métaux peuvent fondre par induction ou seulement ceux contenant du fer? Est ce qu'il est appliqué la méthode que l'on rencontre dans les cuisines, à savoir que le métal est lui même chauffé par induction ou c'est le creuset qui est chauffé puis par conduction, il chauffe le métal?

Excusez-moi d'avance si je mélange tout ou si je ne comprend pas tout, je n'ai aucune expérience en la matière.

Merci d'avance pour vos réponses.

Thomas
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[gts2]

La haute fréquence est a priori générée par un onduleur (c'est différent d'un hacheur dont le but est de transformer du continu en continu, mais c'est "voisin"). La fréquence est commandée par la loi de commande des interrupteurs.

La température de Curie du fer est de l'ordre de 750°C, donc on a de la marge pour faire de la cuisine.

Pour les fours de fonderie : inductionenfonderie

[phys4]

Dans ce cas qu'elles sont les métaux dans les casseroles?

Ensuite j'ai vu que dans l'industrie, il existait depuis une cinquantaine d'années des fours à induction dans des fonderies, d'abord en 50Hz, puis en haute fréquence depuis le choc pétrolier. Tout d'abord, en quoi la fréquence influence le rendement? Est ce que tous les métaux peuvent fondre par induction ou seulement ceux contenant du fer? Est ce qu'il est appliqué la méthode que l'on rencontre dans les cuisines, à savoir que le métal est lui même chauffé par induction ou c'est le creuset qui est chauffé puis par conduction, il chauffe le métal?

Bonjour,
Bonjour,
Une erreur courante est de croire que le matériau à chauffer doit être magnétique : Non c'est le circuit chauffant qui doit avoir un circuit magnétique pour concentrer le champ sur l'objet à chauffer.
Pour la casserole, il suffit qu'elle soit faite d'un bon conducteur, le cuivre sera beaucoup plus efficace que le fer.
Un four à induction pourra donc être utilisé pour n'importe quel métal conducteur. Dans la métallurgie des semi-conducteurs, le silicium est réchauffé par induction.

[gts2]

"Une erreur courante est de croire que le matériau à chauffer doit être magnétique"

OK au niveau du principe, mais dans le cas d'une plaque à induction, en pratique, il vaut mieux un milieu magnétique : fermeture du circuit magnétique, ce qui augmente B, et profondeur de peau plus faible, ce qui rend la résistance adaptée au circuit d'alimentation.

[A voir en vidéo sur Futura]

[yvon l]

Bonjour,
Ce mode de chauffage utilise le principe des courants de Foucault Ce sont des courants tourbillonnaires qui sont induits spontanément dans les masses conductrices (métaux) par le champ magnétique alternatif. La conséquence est un transfert d’énergie électrique (la source d’énergie) qui se retrouve sous forme d’énergie thermique dans la masse conductrice . L’importance du transfert dépend du courant et de la résistance qu’empruntent ces courants. Donc dépend du métal, et du chemin emprunté par ces courants . Par exemple qu’en on veut éviter au maximum un tel transfert, on est amené par exemple à diviser la masse métallique en feuilles isolées (feuilletage des circuits magnétiques des transformateurs).

[phys4]

OK au niveau du principe, mais dans le cas d'une plaque à induction, en pratique, il vaut mieux un milieu magnétique : fermeture du circuit magnétique, ce qui augmente B, et profondeur de peau plus faible, ce qui rend la résistance adaptée au circuit d'alimentation.

Excellent pour vendre des casseroles, c'est l'argument type que l'on trouve sur les documentations des vendeurs. Cependant les alliages de fer sont de mauvais conducteurs, ne perd t-on pas d'un coté, ce que l'on gagne de l'autre !

[gts2]

Les deux effets allant dans des sens opposés difficile de conclure, quoiqu'en mettant un litre d'eau dans une casserole en inox puis en cuivre et en chronométrant le temps pour la faire bouillir, on devrait pouvoir le faire expérimentalement.

Quelques liens qui ne répondent pas strictement à la question, mais pose bien le problème du matériau :

https://www.academia.edu/5602958/1P8_0334

https://www.emworks.com/application/...ide-solidworks

https://www.electronicdesign.com/pow...eating-ability

[Thomas L]

Bonjour et merci à tous pour vos réponses.

Tout d'abord, je croyais que les hacheurs pour jouer le rôle d'abaisseur de tension continu séquençait la tension, ce qui par exemple, pour un hacheur qui laisserait passer le courant 50% du temps donnerai 50% de la tension d'entrée (en négligeant les pertes). Mais j'avais vu aussi que les variateurs que l'on peut installer sur des moteurs 50Hz pour faire varier leur vitesse, après avoir redressé le courant, utilisaient aussi des hacheurs en séquençant rapidement le courant, à des fréquence beaucoup plus élevée que le 50Hz pour que la tension moyenne crée une sinusoïde positive, puis quand la sinusoïde doit être négative, il fait la même chose à partir d'une source de tension négative de façon à avoir une fréquence de 0 à 50 Hz ou plus.

Peut être que le fonctionnement d'un hacheur et d'un onduleur est le même car un onduleur semble toujours avoir besoin de redresser le courant avent de le ré onduler, mais le nom du dispositif change en fonction si la sorite est continu ou alternative?
Quoi qu'il en soit qu'est ce que la loi de commande des interrupteurs, j'ai peut-être mal cherché mais j'ai rien trouver ayant le même nom. Et pour répondre à ma question quel serait les caractéristiques des condensateurs et des bobines pour faire du 1000 Hz ou du 100 kHz? J'ai trouver le schéma qui suit, je ne sais pas s'il est bon et je ne sais pas quelle est la fréquence de sortie.


Si je comprends bien, si la température de Curie du fer est de 750°C, ca veut dire qu'au dessus de cette température, il n'y plus de champ magnétique permanent dans le fer, donc il se comporte comme le cuivre à température ambiante d'un point de vue magnétique?
Dans ce cas est il possible de chauffer du fer à plus de 750°C par induction? Je pense que oui car il fondent de la fonte comme cela, mais peut-être que les autres composant de la fonte jouent un rôle important.

Concernant de savoir s'il faut un matériaux magnétique ou non, je me trompe peut-être mais je pense que non car peu un porte le matériau que l'on chauffe, le champ magnétique qu'il reçoit crée un champ électrique ( ce qui se passe dans les transformateurs). Si on peu appliquer la formule de puissance par effet joule ( P=rI²) dans ce cas et vue que l'on cherche un maximum de chaleur, j'aurais tendance à dire que l’intensité est plus importante que la résistance car elle est au carré. Donc qu'un matériau fortement conducteur serait mieux. Mais je me base que sur des formules électriques de bases qui ne sont peut-être pas applicable ici.

Le fait que dans l’industrie, ils puissent faire fondre par induction de l'alu ou des alliages de cuivres me aurait tendance à confirmer mon raisonnement ci- dessus.

Thomas

[Antoane]

Bonjour,

"Onduleur" désigne généralement un hacheur commandé de manière à ce que sa tension de sortie, moyennée sur une durée très supérieure à la fréquence de découpage, soit sinusoïdale. C'est par exemple un onduleur qui interface une ferme photovoltaïque et le réseau, ou une batterie de voiture électrique et son moteur.

Hacheur est un terme plus général.

En l’occurrence, pour obtenir un champ B harmonique, la méthode courante consiste à appliquer une tension carrée à un résonateur LC série, ou un courant carré à un résonateur LC parallèle. La fréquence de découpage est alors égale (ou proche, s'i faut réguler la puissance transférée) à la fréquence de résonance du circuit (amorti par la charge et les pertes).

C'est ce que fait le schéma donné en #8. S'il est simple, ce circuit n'est cependant pas optimal et une topologie royer est préférable.
Quelques discussions sur le sujet (qui traitent justement de ce schéma) :
https://forums.futura-sciences.com/e...induction.html
https://forums.futura-sciences.com/e...magie-zvs.html
Le seul expert dans ces discussions est Tropique.
Une autre discussion intéressante, bien que moins directement appliquée à ta question : https://forums.futura-sciences.com/p...ess-power.html

[gts2]

Vous avez raison pour le côté magnétique, mais votre message initial parle à la fois de "four à induction" (le titre) et de plaque à induction (casseroles).

Les contraintes, conditions ... ne sont pas les mêmes. Donc le principe physique de base est le même mais les détails différent.
Et pour ce qui est des plaques, l'expérience est facile à réaliser.

Pour ce qui est de "loi de commande" peut être "pilotage"...

[yvon l]

Si je comprends bien, si la température de Curie du fer est de 750°C, ca veut dire qu'au dessus de cette température, il n'y plus de champ magnétique permanent dans le fer, donc il se comporte comme le cuivre à température ambiante d'un point de vue magnétique?

Quand une masse conductrice quelconque, est le siège d’un flux magnétique variable (alternatif), il est le siège de courants induits qui ont tendance à s’opposer à cette cause (Lenz). La conséquence finale est un transfert thermique de l’énergie électrique. Ce principe n’a donc rien à voir avec le fait que la masse métallique soit magnétique ou non. Par contre, si la masse est ferreuse (magnétique), elle sera le siège d’un transfert thermique supplémentaire dû au phénomène appelé hystérésis. C’est un phénomène associé à la rémanence de l’induction dans ces substances (aimantation permanente). De toute façon, cela n’est possible qu’en dessous de la température de curie. Par contre la basse réluctance du fer à basse fréquence (sous la température de curie) augmente le flux (et ses variations)… mais c’est compliqué
Le transfert thermique produit est d’autant plus efficace que les variations sont rapides (fréquence).
Donc, pour une puissance de transfert donnée et une masse à chauffée donnée (et sa forme) , on doit adapter la fréquence en sachant que cette puissance augmente avec la fréquence.

[stefjm]

Excellent pour vendre des casseroles, c'est l'argument type que l'on trouve sur les documentations des vendeurs. Cependant les alliages de fer sont de mauvais conducteurs, ne perd t-on pas d'un coté, ce que l'on gagne de l'autre !

Les onduleurs utilisés sont souvent (toujours?) à résonnance. Le type de casserolle change l'inductance qui résonne avec le condensateur.
Si le circuit n'est plus accordé, l'échange d'énergie se fait beaucoup moins bien...

[yvon l]

Pièce jointe 407656

Bonjour,
Puisque personne ne s’y colle, et pour ceux qui seraient intéressé je vais donner une explication succincte du schéma. (La compréhension d’une explication détaillée demande une bonne habitude de lecture de tels types de schémas très astucieux) .
La self qui induit les courants dans la masse métallique, est le siège d’un transfert d’énergie oscillante électrique avec un condensateur (ici les 3 condensateurs qui en forment un de 1,5uF). Ce transfert LC est accompagné d’un transfert dissipatif vers la masse métallique qui donc chauffe.
Songer à une balançoire, qui échange sous forme oscillante de l’énergie mécanique (potentielle -cinétique) . Le mouvement est amorti d’autant plus qu’il y a des frottements (avec l’air, et le moyeu mal graissé) C’est amortissement correspond ici au transfert thermique de la balançoire avec son environnement.
Revenons à l’électronique.
Dans le schéma, le circuit oscillera au environs de 90 Khz (F=1/2pi(LC)-²)
Pour que les transferts oscillatoires se poursuivent, il faut envoyer au bon moment de l’énergie dans le circuit oscillant. C’est le rôle des 2 transistors qui laissent passer les courants nécessaires pour le maintien de l’oscillation. L’entretien ici se fait sur chaque alternance de l’oscillation (la + comme la -). La synchronisation par les 2 courants pulsés venant de la source courant continue est assurée par le petit transformateur au-dessus. Le couplage inductif dans ce transfo assure une rétroaction de type oscillatoire de façon bidirectionnelle (primaire devient secondaire et vice-versa. Ce qui assure la coupure des transistors par un signal négatif (diode) de la tension qui assurera le blocage synchronisé des transistors).

[Antoane]

Bonjour,

Bonjour,
Puisque personne ne s’y colle, et pour ceux qui seraient intéressé je vais donner une explication succincte du schéma. (La compréhension d’une explication détaillée demande une bonne habitude de lecture de tels types de schémas très astucieux) .
La self qui induit les courants dans la masse métallique, est le siège d’un transfert d’énergie oscillante électrique avec un condensateur (ici les 3 condensateurs qui en forment un de 1,5uF). Ce transfert LC est accompagné d’un transfert dissipatif vers la masse métallique qui donc chauffe.
Songer à une balançoire, qui échange sous forme oscillante de l’énergie mécanique (potentielle -cinétique) . Le mouvement est amorti d’autant plus qu’il y a des frottements (avec l’air, et le moyeu mal graissé) C’est amortissement correspond ici au transfert thermique de la balançoire avec son environnement.
Revenons à l’électronique.
Dans le schéma, le circuit oscillera au environs de 90 Khz (F=1/2pi(LC)-²)
Pour que les transferts oscillatoires se poursuivent, il faut envoyer au bon moment de l’énergie dans le circuit oscillant. C’est le rôle des 2 transistors qui laissent passer les courants nécessaires pour le maintien de l’oscillation. L’entretien ici se fait sur chaque alternance de l’oscillation (la + comme la -). La synchronisation par les 2 courants pulsés venant de la source courant continue est assurée par le petit transformateur au-dessus. Le couplage inductif dans ce transfo assure une rétroaction de type oscillatoire de façon bidirectionnelle (primaire devient secondaire et vice-versa. Ce qui assure la coupure des transistors par un signal négatif (diode) de la tension qui assurera le blocage synchronisé des transistors).

Il n'y a pas de transformateur ici, les deux bobines sont de simples inductances servant à alimenter le montage par une source de courant. Ceci est rendu nécessaire par l'utilisation d'un LC parallèle.
J'ai un doute sur la question, mais il me semble que la commutation est assurée par le passage en mode saturé (i.e. avec Vds/Id >> Rdson) des MOSFET, eventuellement causée par la saturation des inductances.

[Antoane]

Bonjour,

J'ai un doute sur la question, mais il me semble que la commutation est assurée par le passage en mode saturé (i.e. avec Vds/Id >> Rdson) des MOSFET, eventuellement causée par la saturation des inductances.

Pas du tout.

Ci-dessous une simulation du circuit (schéma de gauche, courbes supérieures) et la modélisation associée (schéma de droite, courbes du bas) :


Les courbes vertes et rouges correspondent aux tensions Vgs et Vds de l'un des mosfets, la courbe mauve montre le courant dans l'inductance "balast" reliant le drain de ce mosfet au Vcc et assurant l'apport d'énergie au circuit résonant.
Edit : le circuit construit avec V2 - D3 est un circuit de démarrage, inutile en pratique comme en simulation.

Lorsque l'un des mosfets (disons M1) est passant (car la résistance de pull-up tire sa grille au Vcc), l'autre (M2) est bloqué du fait de la diode court-circuitant sa grille à la masse. Lorsque la polarité de la tension aux bornes du tank résonant s'approche de zéro avant de s'inverser, la diode connectée à la grille de M1 commence à conduire, ce qui vient à bloquer M1. La tension aux bornes du tank s'inversant, le Vds de M1 croit, jusqu'à permettre la mise en conduction de M2.

Edit : le condensateur résonant est ici très fortement stressé, il doit tenir une tension suffisante et avoir une angle de pertes très faibles. Un réseau de condensateurs à isolant plastique "pleine feuille" (et non métallisé) est le meilleurs choix.

[yvon l]

Ok, merci, bien compris. Très astucieux. Cela change du traditionnel couplage RC avec C qui assure la conduction du transitor.
Les 2 inductances sont très importantes, elles assurent donc un courant pratiquement constant. Par exemple Le mosfet M1 entretient le courant dans L1. Quand M1 se coupe, ce courant se redirige vers vers le circuit oscillant, et donc entretient l’oscillation.
Idem avec M2 et L2 pour l’entretien dans l’autre sens. Les diodes assurent la synchronisation.

[yvon l]

Edit : le condensateur résonant est ici très fortement stressé, il doit tenir une tension suffisante et avoir une angle de pertes très faibles. Un réseau de condensateurs à isolant plastique "pleine feuille" (et non métallisé) est le meilleurs choix.

Idem, pour les pertes dans les mosfets. Des drivers seraient nécessaires pour assurer une ouverture/fermeture rapide des mosfets (charge /décharge des capacités grille/source et grille/drain). (le pull up par résistance est insuffisant)

[Antoane]

Bonjour,

Ce serait mieux, mais ce n'est en fait pas indispensable car le montage fonctionne en commutation douce (ZVS) ce qui fait que les pertes par commutation sont déjà limitées.
Une simulation montre que cela permet quand même de faire passer les pertes dans chaque mosfet de 34 à 6.1 mW (dans les conditions de test, pour ~7 W en sortie) - auxquels il faut ajouter les pertes dans le driver.
Je n'ai pas regardé en détails, mais il semble possible de voir apparaitre des oscillations parasites additionnelles via l'hystérésis du driver.

En PJ le fichier de simulation LTSpice si cela intéresse qqn (remplacer l'extension par .asc).
fs_ZVS_diodeFeedbacked.txt

[yvon l]

J'avais pensé à des puissances plus grande.
Quelles capacités parasites gate source et surtout gate drain as tu utilisée dans la simulation ?

[Antoane]

C'est un modèle approximatif de AO6408.

[yvon l]

Merci, pour les précisions, j'en étais resté avec ma pratique à la commutation dure(chevauchement courant-tension) dans des montages en ponts classiques pour machines synchrone.

[Thomas L]

Bonjour à tous, désolé pour une réponse et des remerciements tardifs.
Tout d'abord merci de m'avoir expliquer le fonctionnement du circuit électrique que j'avais mis dans mon post. Peut-il être utiliser pour faire de l'induction à partir d'une source continue ou celui d'Antone est mieux ( je ne l'ai pas tout à fait compris...). Quand on est sur le 230 50Hz, dans ce cas je suppose que l'on doit tout d'abord redresser le courant voir peut être le filtrer. Est il possible d'utiliser du courant non filtré, alternatif uniquement positif?
J'ai eu la formule de la fréquence (merci), mais quel serait la tension à expliquer pour alimenter le circuit? ou plutôt quel est la formule qui lie l'alimentation à la tension ou borne de la bobine inductrice?
Si on ne peut pas chauffer au dessus de 750°C à cause de sa température de Curie, comment font-ils dans des fours industriel pour chauffer de la fonte ( environ 1500°C).
Ou puis-je trouver une table avec toutes les températures de Curie des métaux les plus courant ( cuivre, étain, plomb, argent, alu, ...)?

Merci beaucoup de vos réponses j'ai beaucoup appris grace à vous.

Thomas

[Thomas L]

J'ai simuler le schéma que j'ai proposer. J'ai trouver qu'on pouvait l'alimenter en continu filtré ou non.
J'ai aussi obtenu 13 ou 15 kHz pour la fréquence au borne de la bobine, dans ce schéma et 60kHz pour un simple schéma LS parralèlle. Est ce que la simulation est fiable?
Quel est la formule pour un dipole LC en série et celle pour un LC en parrallèle? Le faible d'avoir une tension non filtré joue-t-elle sur la fréquence?

Merci

Thomas

[Antoane]

Bonjour,

La plupart des métaux est paramagnétique. Le cuivre, l'argent... n'ont pas de température de Curie - ou en tous cas leur propriétés magnétiques ne varient pas suffisamment avec la température pour que cela pose un problème ici.
Les métaux magnétiques courants sont le Fer, le cobalt, le nickel et (certains ?) de leurs alliages.

Peut-il être utiliser pour faire de l'induction à partir d'une source continue ou celui d'Antoane est mieux

Le circuit que j'ai simulé est le même que celui que tu proposais dans ton message.
Tel quel, le montage fonctionnera bien (à condition de bien choisir les composants) pour des tensions d'alimentation de l'ordre de 10 à 15 V.

Quelle que soit la topologie choisie, il est fortement recommandé de ne pas alimenter le circuit directement à partir du 230 V du secteur. Par sécurité, il faut une alimentation isolée. A priori, le filtrage n'est pas indispensable ici, un simple redressement double alternance suffit (la puissance de chauffe sera alors modulée à 100 Hz).

Le circuit résonant constitue un circuit RLC amortie par les pertes dans les composants résonants (le L et le C) ainsi que, surtout, par les "pertes" dans le circuit à chauffer. La fréquence de résonance se calcule par la loi de Thomson, les différentes tensions et courants se calcul par simple analyse de circuit RLC. La difficulté pratique réside ici en l'estimation des éléments parasites et, surtout, de la résistance équivalente à donner à l'élément à chauffer.
https://en.wikipedia.org/wiki/RLC_circuit

Comme déjà indiqué, les éléments réactifs sont fortement stressés (fortes surtensions et sur-intensités). Les MOSFET et les diodes doivent également être soigneusement sélectionnés.

Le message #3 ainsi que le lien donné en message #9 expliquetn comment il est possible de chauffer au-delà du point de Curie.

[Thomas L]

Bonjour,

Je relance ce sujet car je voulais savoir s'il était possible de chauffer autre chose que des métaux par induction? Car on m'a dit qu'il fallait que le milieu soumis au champ magnétique alternatif soit conducteur, et on m'a aussi dit qu'il fallait qu'il soit métallique. Mais est ce qu'il peut être conducteur et non métallique?

Je pense à des liquides conducteurs type liquides ioniques ou solutions aqueuse chargée en ions ( acide/ base ou sels).

Merci d'avance

Thomas

[phys4]

Cela fonctionnera sur tous liquides conducteurs.
A cause de la plus grande résistance, il faudra augmenter le champ ou la fréquence.

[Antoane]

Bonjour,

Il est, en principe, possible de chauffer n'importe quel matériaux conducteur. C'est mieux s'il est magnétique (e.g. le fer), mais c'est quand même possible si le matériau est paramagnétique (e.g. cuivre, aluminium).

Dans un matériau paramagnétique, à la louche, la puissance dissipée est inversement proportionnelle à la résistivité du matériau. Une solution de conductivité 10 S/m sera déjà assez fortement conductrice, et pourtant encore bien moins que l'aluminium, dont la conductivité vaut 38 MS/m Autant dire que c'est mal parti

[Thomas L]

Bonjour, merci pour vos réponses.

J'ai calculer que pour de l'acide sulfurique pur, la conductivité était de 20.9 Ms/m et pour l'acide dilué à 30% dans les batteries de voitures, la conductivité était de 6.29 MS/m (calcul fait en négligeant la conductivité de l'eau). On gagne donc 0.209Ms/m par % d'acide sulfurique dans une solution.

Il y a peut être quelque chose d’envisageable pour des concentration élevée non?

Par contre pour contenir l'acide il faut un récipient en verre, le pyrex est le plus adapté quand on chauffe. Mais est ce que les 1% d'aluminium et les traces de fer, calcium, magnésium, sodium, et/ou potassium pourraient gêner le chauffage?
Autrement dit, est ce que le pyrex risque de fondre avant que le liquide chauffe?
Ou justement cette chaleur absorber par le pyrex est assez faible et elle se transmettra au liquide par conduction?

Thomas

[phys4]

Vous ne chaufferez pas du verre avec un champ magnétique, aucun risque.