Principe du Chauffage par Induction Electromagnétique

Tout corps conducteur de l'électricité s'échauffe par effet Joule quand il est parcouru par un courant électrique. Cet échauffement s'obtient, soit en application aux extrémités du conducteur une différance de potentiel – c'est le chauffage classique par résistance -, soit en plaçant ce conducteur dans un champ magnétique variable – c'est le chauffage par induction électromagnétique (la figure (4.1)) [51].

Figure 4.1 Schéma de principe du chauffage par induction.

Inducteur B C

H

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Si on applique, par exemple, une différence de potentiel alternative V aux bornes d'un solénoïde B, le courant alternatif de fréquence f qui parcourt cette bobine crée à l'intérieur, mais aussi à l'extérieur autour de la bobine, un champ magnétique H variable. Si on introduit dans la bobine un corps conducteur de l'électricité C, la variation du champ magnétique produit une variation du flux magnétique qui traverse ce corps et, d'après la loi de Lenz, induit une force électromotrice donnant naissance à des courant de Foucault.

Ces courants de Foucault – ou courants induits – se transforment en chaleur par l'effet Joule dans le corps qui s'échauffe. La bobine B constitue le circuit primaire ou inducteur. Le corps C le circuit secondaire ou induit. Les équipements de chauffage par induction sont donc, dans leur principe et en dehors de leurs caractéristiques particulièrement de construction, assimilables à des transformateurs, munis ou non de circuits magnétiques avec fer, le primaire étant alimenté à la fréquence de réseau (50 Hz) ou à des fréquences plus élevées (moyenne et haute fréquence) (La figure 4.2) [51,54].

Figure 4.2 Principe d’une installation d’un chauffage par induction.

Il faut toutefois rappelé que tout conducteur parcouru par un courant crée un champ magnétique dont l'intensité est proportionnelle à celle du courant. Les applications du chauffage par induction ne se limitent donc pas au cas, certes le plus courant, d'un corps placé à l'intérieur d'un solénoïde, mais peuvent faire appel à des configurations très variée d'inducteurs (inducteurs plans, inducteurs linéaires, inducteurs tunnels…) et de position

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relative de la pièce à chauffer par rapport à l'inducteur. L'avantage cependant de l'inducteur en forme de solénoïde vient de ce que le champ magnétique créé par chaque spire s'ajoute à celui créé par les autres spires et que le champ magnétique total, donc l'induction électromagnétique, est particulièrement intense à l'intérieur de la bobine. Des dispositifs particuliers, renforcées de champ à cavaliers magnétiques par exemple, permettent dans les autres cas d'obtenir des champs magnétiques élevés [51].

La force électromotrice induite est déterminée par l'expression suivante:

t d

E d



 (4.1)

d étant la variation de flux d'induction magnétique traversant la pièce à chauffer pendant le temps dt.

La puissance transformée en chaleur dans le corps à chauffer est alors P = R.I² = E² / R. la résistance R n'a toutefois pas la valeur qu'elle aurait si elle était parcourue par un courant continu : dépend en effet non seulement de la résistivité du matériau, mais aussi de sa perméabilité magnétique relative et de la fréquence du courant parcourant l'inducteur.

Lorsque la substance à chauffer est constituée par un matériau magnétique tel que le fer, le cobalt et de nombreux aciers, l'effet thermique de l'hystérésis magnétique s'ajoute à celui de l'induction magnétique.

L'apport du chauffage par hystérésis est d'autant plus élevé que la surface du cycle d'hystérésis est important. La relation entre l'énergie développée par les courants induits et par l'hystérésis magnétique s'exprime de la façon suivante :

4 . 0 e h

i a f H

P

P  (4.2)

Pi, puissance développée par les courants induits;

Ph, puissance due à l'hystérésis;

He, champ magnétique;

f, fréquence du courant;

a, constant.

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La puissance dissipée par l'hystérésis est généralement beaucoup plus faible (moins de 10 % dans la plupart des cas) que celle engendrée par les courants induits; ainsi, pour un cas extrême, celui des aciers trempés à forte hystérésis, l'énergie due à l'hystérésis attient-elle au maximum 50 % de la valeur de l'énergie dégagée par les courants induits et ne représente donc qu'un tiers de la puissance totale. L'énergie due à l'hystérésis n'intervient de plus que jusqu'au point de Curie ou point de transformation magnétique car au-delà la perméabilité magnétique relative devient égale à l'unité (les matériaux ferromagnétiques deviennent paramagnétiques à partir d'une température qui est de l'ordre de 750 °C pour le fer, 350°C pour le nickel et 1100°C pour le cobalt ; en dessous de cette température, la perméabilité magnétique relative peut être très élevée). Les courants induits eux-mêmes subissent une variation très sensible au-delà du point Curie [51,56].

Il faut remarquer que le chauffage par induction magnétique met en jeu trois phénomènes physiques successifs :

 transfert d'énergie de la bobine au corps à chauffer par vois électromagnétiques;

 transformation en chaleur, dans l'induit, de l'énergie électrique par l'effet Joule;

 transmission de la chaleur par conduction thermique dans la masse.

Contrairement du chauffage classique qui veut que pour chauffer un corps il faille utiliser une source de chaleur à température plus élevée que lui, on apporte donc, avec un enroulement qui reste à peu près froid, de la chaleur à un corps beaucoup plus chaud qui lui.

La chaleur est produite dans la pièce elle-même et aucun agent de transmission matériel, aucun contact n'est nécessaire.

La très faible inertie thermique du chauffage par induction supprime ou réduit très fortement les pertes à vide ou à la mise en température.

Le chauffage par induction électromagnétique permet enfin d'obtenir des densités de puissance élevées, ce qui diminue considérablement les pertes thermiques.

Ces trois propriétés – création de la chaleur directement à l'intérieur du corps à chauffer, faible inertie thermique, haute densité de puissance – confèrent au chauffage par induction une grande efficacité énergétique et celui-ci se révèle souvent une source d'économie d'énergie substantielle.

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