Contribution à l'étude et à la commande d'un système de chauffage par induction polyphasé

par Abdoul Majid Souley Madougou

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Pascal Maussion.

Le président du jury était Shahrokh Saadate.

Le jury était composé de Pascal Maussion, François Costa, François Forest, Philippe Ladoux, Yvan Lefèvre.

Les rapporteurs étaient François Costa, François Forest.


  • Résumé

    Le chauffage par induction est un procédé qui consiste à plonger un matériau conducteur d'électricité dans un champ magnétique variable, ayant ainsi pour effet, la création de FEM donc de courants de Foucault dont la circulation élève la température du matériau par effet Joule. Ce mode de chauffage est déjà implanté industriellement dans de nombreux secteurs parmi lesquels des fonderies et s'intègre bien dans les processus de traitement des matériaux en raison de ses divers avantages. Il permet notamment, l'atteinte de densités de puissances très élevées dont la distribution peut être contrôlée. Il est ainsi possible d'obtenir des chauffages localisés ou de l'ensemble du matériau suivant le traitement désiré. Cette souplesse du contrôle des profils de chauffe et une forte puissance de chauffe requièrent traditionnellement l'usage de systèmes comportant plusieurs bobines. Leur caractérisation aussi précise que possible et le contrôle des courants des inducteurs sont nécessaires. L'étude présentée ici recense dans un premier temps, les quelques solutions existantes dont la puissance est réglée en déplaçant des culasses et/ou des écrans magnétiques, permettant de mieux répartir les champs magnétiques produits, afin de disposer du profil de chauffe souhaité mais pour une faible gamme de tôles. Les rares solutions qui s'intéressent au contrôle électrique sont orientés vers du chauffage monophasé. La transposition directe de ces commandes aux cas multi-bobines ne suffit pas à résoudre le problème dans son intégralité car les inducteurs se perturbent mutuellement. Nous nous sommes donc orientés vers une solution ambitieuse qui permet de s'affranchir de pièces mobiles et rend le système plus fiable, plus précis et lui confère plus de souplesse pour s'adapter à différents profils de chauffe et différentes largeurs de matériaux. Cette solution se base sur une méthode qui consiste à contrôler les profils de chauffe par la seule action sur les courants d'alimentation des inducteurs tout en maitrisant les échanges d'énergie entre les inducteurs fortement couplés. Cette solution est appliquée sur un prototype construit par EDF. Dans un premier temps, nous avons modélisé le système dans son ensemble tant du point de vue électrique et magnétique que thermique, afin de disposer d'un modèle global simplifié qui permet de mieux en étudier le comportement. Une procédure d'optimisation permet de générer les amplitudes et les phases des courants inducteurs pour différents profils de chauffe. Après une étape d'identification paramétrique, nous avons défini et implanté un modèle simplifié dans le logiciel PSim, qui nous fournit des délais de simulation relativement courts. Les résultats obtenus ont été ensuite comparés à des expérimentations en boucle ouverte tout d'abord, qui nous ont conduits à une étude de sensibilité des grandeurs du système aux variations paramétriques. Il nous a été possible de commander le système grâce à un FPGA dans lequel nous avons implanté une commande numérique pour le contrôle des courants des inducteurs en vue du chauffage en statique d'un disque de tôle pour différents profils de consigne. Nous avons ensuite amélioré nos modèles dans différentes directions, par la prise en compte du rayonnement et de la conduction thermique, en les transposant à un système plus complexe à six phases et avec une prise en compte du défilé des matériaux. L'extension du principe de l'induction multi-bobines de 3 à 6 phases a révélé de fortes perturbations harmoniques des courants des inducteurs. Notre travail a permis de maîtriser les harmoniques en choisissant judicieusement les angles de commande et de caractériser les pertes dans les onduleurs.

  • Titre traduit

    Contribution to the study and the control of multiphase induction heating system


  • Résumé

    Induction heating is a process that consists in immersing an electrically conductive material in a variable magnetic field, thus having the effect to create FEM and then eddy currents flow which heat up the material by Joule effect. This heating method is already established in many industrial sectors such as smelters and fits well in materials processing due to various advantages. In fact it allows particular achievement with very high power densities whose distribution can be controlled. It is then possible to obtain localized or complete heating subsequent to the desired treatment. This flexibility of temperature profile control and high power heating traditionally require the use of systems with multiple coils. For that, characterization as accurate as possible and currents control of the inductors are needed. As a first step, the present study identifies the few existing solutions whose power adjustment is made by moving magnetic yokes and / or magnetic screens. These adjustments allow a better distribution of magnetic fields produced in order to achieve the desired heating profile, but for a small range of metal sheet. The existing few works interested in electrical control solutions are geared toward single phase heating. Direct transposition of these commands in multi-coil case is not sufficient to solve the problem in its entirety because the coils have mutual influence. We therefore directed towards an ambitious solution that cancels the need of moving parts and makes the system more reliable, more accurate and gives more flexibility for adaption to different heating profiles and material widths. This solution is based on a method of controlling the heating profile by acting on coils currents while mastering the energy exchange between the strongly coupling of the inductors. This solution was applied on a prototype built by EDF. We modeled the whole system considering electrical, magnetic and thermal parts, in order to provide a global simplified model to better study the system behavior. An optimization procedure leads to coils current amplitudes and phase shift calculation for different heating profiles. After a parametric identification step, we defined and implemented a simplified model in PSIM software, which provides relatively short simulation times. The results were then compared to experiments in open loop first and led to a sensitivity analysis of the magnitudes of the system to parametric variations. The system control was made by an FPGA in which we implemented a digital command program for controlling inductors currents. It was thus possible to perform a static metal disc heating with different profiles. We then improved our models in different directions, by taking into account the radiation and heat conduction, transposing them to a more complex system with six phases for moving sheet heating. The extension of the principle of multi-phases induction heating from three to six phases showed high harmonic disturbances of inductors currents. Our work has helped to control harmonics by choosing judicious control angles; we also characterize the inverters losses.


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