Brevet FR2701569A1 — publié le 19940819

PROCEDE ET CIRCUIT DE MESURE ET DE REGULATION DE PUISSANCE, NOTAMMENT POUR DES CIRCUITS INDUCTEURS A COURANTS ALTERNATIFS IMPORTANTS ET A FREQUENCES ELEVEES. La présente invention concerne un procédé et circuit de mesure et de régulation de puissance, notamment pour des circuits inducteurs à courants alternatifs importants et à fréquences élevées, tels que les circuits de chauffage de pièces des machines dites à chauffer. On sait que les cycles de chauffage ou de traitement thermique de ces pièces doivent être réalisés dans des conditions très précises afin d'obtenir les caractéristiques de traitement recherchées. Pour ce type de chauffage des pièces par induction électromagnétique, on procède partant d'une configuration dtinducteur donnée, adaptée à la pièce à chauffer, à des essais préalables permettant de réguler la puissance du générateur d'alimentation à des consignes déterminées d'exécution de cycle selon le résultat à obtenir, fonction desdites caractéristiques de traitement recherchées. Néanmoins, le rendement inductif de chauffage varie dans des proportions non négligeables selon le positionnement de la pièce dans l'inducteur, par exemple au 1/10 mm près inévitable surtout sur des chaînes de chauffage de pièces en série. Par ailleurs, le rendement inductif varie également dans le temps avec l'usure de l'inducteur. En outre, meme si l'on concevait d'utiliser des circuits de mesure analogique et numérique pour le calcul de 11 énergie, ainsi que des capteurs de tension aux bornes de l'inducteur et de courant de l'inducteur, on ne disposerait que d'une image imparfaite de l'énergie électromagnétique transférée à la pièce. En effet, elle ne tiendrait pas compte des pertes par effets de peau et par effet joule qui sont importantes avec les courants utilisés. De plus, on ne dispose pas actuellement de capteurs de courant, qui puisse donner avec certitude une valeur de mesure de façon précise et exacte, ceci en raison des courants importants et des fréquences élevées utilisés.Par conséquent, un tel procédé est peu sûr, d'une part en raison des capteurs disponibles et non adaptés actuellement pour cette application et, d'autre part extrêmement coûteux en raison de la puissance de calcul requise pour les unités de traitement pour faire l'échantillonnage et le calcul aux cadences élevées exigées. L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau procédé de mesure et de régulation de la puissance d'alimentation des circuits inducteurs, en particulier pour ce type d'application à courants importants et fréquences élevées, qui puisse renseigner du rendement inductif de l'inducteur en permanence et par conséquent permettre une régulation adaptée et précise de la puissance du générateur correspondant. Le procédé selon 1 invention est en effet caractérisé en ce qu'il fait intervenir la mesure de l'intensité du circuit par un capteur d'intensité du type à bloc formant shunt magnétique de l'induction, tel que défini dans la demande de brevet nO 91 12250, disposé sur le circuit de l'inducteur, la mesure de la tension induite sur la pièce ou une fraction de celle-ci par un capteur de tension à boucle tel que défini dans la demande de brevet nO 91 12251, recueillant l'image de la tension induite aux bornes de l'inducteur, ou sur une fraction de celui-ci, ou la mesure de la tension de façon classique aux bornes de l'inducteur ou d'une fraction de celui-ci, le traitement des valeurs de mesure précédentes de manière à déterminer les puissances apparente et active (S) et (P) admises aux bornes du circuit concerné, calculées à partir des valeurs d'intensité et de tension précitées, la puissance réactive (Q) de façon classique à partir des valeurs précédentes de puissance apparente et active, et le facteur de rendement inductif (r) du circuit dans le rapport de la puissance réactive à la puissance active, à déterminer une autorisation de fonctionnement du générateur dans une plage de rendement inductif permis, et la modulation de la puissance délivrée par le générateur déterminant un niveau d'énergie calorifique reçu par ladite pièce ou une fraction de celle-ci, et sa régulation en asservissement à des consignes préétablies liées au profil de la pièce pour transmettre à la pièce une quantité d'énergie, correspondant à effet de traitement thermique ou autre recherché. Le circuit électrique de mesure et régulation de puissance mettant en oeuvre le procédé précité comporte trois étages successifs de traitement des signaux, à savoir en premier lieu un étage de mesure et d'adaptation des signaux d'intensité, de tension induite ou de tension directe reçus par les capteurs définis précédemment, un étage de calcul par des modules de traitement adéquats des valeurs de signaux précédents, de tensions et d'intensité, de manière à déterminer successivement les valeurs de puissance apparente et active du circuit, puis de puissance réactive et enfin le facteur de rendement inductif du circuit inducteur déterminé comme le rapport entre la puissance réactive et la puissance active, et un étage de contrôle-commande-régulation de de puissance délivrée, fonctionnant successivement à partir d'une comparaison d'un seuil admissible du rendement inductif et d'un asservissement à une consigne préétablie de puissance correspondant à l'effet recherché. La mesure et régulation de puissance peuvent être effectuées de façon analogue à ce qui a été défini précédemment sur une fraction du circuit inducteur, de manière à traiter de façon particulière la partie de pièce couverte par cette fraction d'inducteur. Il suffit de replacer les bornes de mesure non plus aux entrées et sorties de circuit mais aux points d'extrémité de ladite fraction. De la même façon, plusieurs parties d'un même inducteur peuvent être contrôlées indépendamment pour obtenir des effets différentiels sur la ou les zones couvertes. L'invention est illustrée ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation et en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 est un schéma d'un circuit électrique inducteur équipé d'un dispositif de mesure et régulation de puissance selon l'invention, dans lequel les capteurs de tension induite et directe ont été représentés et la figure 2 est un diagramme fonctionnel du circuit électrique de mesure et régulation de puissance correspondant. Le circuit électrique représenté à la figure 1 comprend un circuit inducteur 1 entourant une pièce métallique 3 à chauffer dans un cycle de traitement déterminé, un générateur de puissance 5 alimentant ledit circuit, un dispositif de mesure de tension classique 7 aux bornes A et B du circuit inducteur (mesure directe), ou un capteur de tension induite 11 à boucle incluse dans le circuit inducteur, tel que défini dans la demande de o brevet n 91 12251 également au nom de la Demanderesse, un capteur d'intensité 9 à bloc formant shunt magnétique, tel que défini dans la demande de brevet nO 91 12250 au nom de la Demanderesse, et un microprocesseur 13 de contrôle, commande et régulation du générateur.Pour l'exemple, le générateur fournit un courant alternatif d'intensité variable de quelques A à plusieurs dizaines de KA, et à fréquence également variable allant jusqu'à 500 KHz, adapté au chauffage par induction de la pièce ou à toute autre application liée à l'induction. Le capteur d'intensité 9 fait intervenir un transformateur coaxial de rapport adapté à l'application, autour du circuit secondaire duquel est monté un bloc formant shunt magnétique (non représenté) de 1 l'induction, le circuit primaire étant constitué par l'élément conducteur (fil, barre ou autre) du circuit électrique, traversant le circuit secondaire de façon sensiblement coaxiale et la mesure de l'intensité du courant dudit élément conducteur étant effectuée de façon classique sur le circuit secondaire du transformateur à un niveau abaissé convenable, dans le rapport de transformation du transformateur. Cette disposition à bloc formant shunt magnétique permet d'obtenir au niveau du circuit secondaire une bonne image du primaire et donc du courant parcourant le circuit inducteur, minimisant les effets de fuite parasite qui faussent la mesure des transformateurs classiques. Le capteur de tension à boucle 11 comporte une boucle de prise de tension implantée coaxialement et sans contact électrique dans le volume du circuit inducteur (sur sa longueur) et permet d'obtenir une image précise de la tension induite dans la pièce à traiter. On notera également que la tension induite peut également être mesurée sur une partie du circuit inducteur, correspondant à la partie plus particulièrement contrôlée, la boucle étant alors disposée uniquement sur la zone intéressée. L'unité de microprocesseur 13 implantée sur un circuit de commande et régulation 10 (en traits interrompus) comporte les organes de calcul des données des capteurs pour leur exploitation, d'affichage de l'information, par exemple sous forme de courbes en données analogiques ou numériques, et de pilotage du générateur. Ces éléments sont intégrés dans un boîtier ou autre unité de traitement, non représenté, dont naturellement, le microprocesseur est la pièce maîtresse. Le diagramme de la figure 2 représente les principaux éléments fonctionnels pilotés par le microprocesseur du circuit de commande et régulation du générateur d'alimentation du circuit inducteur. Les données adaptées dans le rapport de transformation des capteurs (premier étage du circuit) sont indiquées au niveau supérieur du diagramme. Elles consistent respectivement en la tension électrique induite ui (issue du capteur 11) au niveau de la pièce ou en la tension électrique u (issue du capteur 7) aux bornes du circuit inducteur, et en l'intensité i (issue du capteur 9) du courant traversant le circuit inducteur. Les signaux correspondants acheminés à l'entrée du circuit de commande sont traités successivement (deuxième étage du circuit) par lesdits éléments fonctionnels. Au premier niveau, est effectuée sur la branche (P) correspondant à la détermination de la puissance active P l'opération de multiplication par un multiplieur analogique ou numérique qui effectue le produit ui x i ou u x i exprimé par le bloc u(i) x i.Sur la branche à droite correspondant à la détermination de la puissance apparente S sont calculées les valeurs efficaces de u ou ui et de i, exprimées par les blocs U(i)eff et Ieff respectivement ; ces valeurs sont multipliées comme précédemment au bloc U(i)eff x Ieff. Sur la branche (P), la sortie est acheminée par la liaison 14 au microprocesseur, et exploitée et éventuellement affichée sur une fenêtre adéquate 12 du boîtier de l'appareil. L'opération suivante est une mise au carré de P, par exemple par la fonction logarithmique d'un convertisseur. Sur la branche S, on effectue d'abord une mise au carré de S = Uieff x Ieff ou S = Ueff x Ieff en également par la fonction logarithmique d'un convertisseur. Les deux branches se rejoignent sur un élément soustracteur qui effectue l'opération s2 - P2. La racine carrée de C2 P2 est ensuite effectuée, par exemple, par la fonction anti-logarithmique des convertisseurs précités. Le résultat est l'image de Q correspondant à la puissance réactive du circuit inducteur. Ce niveau peut être exploité par le microprocesseur par l'intermédiaire de la liaison 15 et éventuellement être affiché en 12. Enfin, on détermine le facteur de couplage ou rendement inductif r = Q/P précité du circuit et qui est transmis par la ligne 19 au microprocesseur. Les données de P, Q et r sont entrées (troisième étage) dans l'unité de microprocesseur et traitées en fonction d'éléments de consignes 17 pour piloter le générateur. Ce pilotage fait d'abord intervenir une fonction de contrôle de bon fonctionnement du circuit inducteur, correspondant à un couplage électromagnétique satisfaisant entre la pièce traitée et l'inducteur et donc à une valeur r0 En fonction de r, Q et P ainsi calculés en temps réel, le microprocesseur détermine un niveau de commande de puissance du générateur correspondant à un niveau d'énergie à transmettre à chaque instant à la pièce, ceci en asservissement à une consigne préétablie sur le domaine de traitement de la pièce. La commande est ainsi régulée dans le temps selon un cycle précis correspondant à une quantité d'énergie précise transmise à la pièce (cas du chauffage statique) dans les conditions considérées du traitement. La commande peut encore etre appliquée au chauffage au défilé des pièces, l'inducteur étant déplacé le long de la pièce à traiter. La régulation de puissance sera alors liée en synchronisation avec le défilement de l'inducteur à des consignes correspondant aux divers profils de la . fi pièce. Le circuit de commande et régulation ainsi défini permet d'obtenir les conditions optimales de traitement pour ce type d'application, en particulier par induction. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure et de régulation de puissance, notamment pour des circuits inducteurs à courants alternatifs importants et à fréquences élevées, caractérisé en ce qu'il fait intervenir la mesure de l'intensité du circuit par un capteur d'intensité (9) du type à bloc formant shunt magnétique de l'induction, disposé sur le circuit de l'inducteur (1), la mesure de la tension induite sur la pièce (3) ou une fraction de celleci par un capteur de tension à boucle (11), recueillant l'image de la tension induite aux bornes de l'inducteur (1), ou sur une fraction de celui-ci, ou la mesure de la tension directe de façon classique aux bornes de l'inducteur ou d'une fraction de celui-ci, le traitement des valeurs de mesure précédentes de manière à déterminer les puissances apparente et active (S) et (P) admises aux bornes du circuit concerné, calculées à partir des valeurs d'intensité et de tension précitées, la puissance réactive (Q) de façon classique à partir des valeurs précédentes de puissance apparente et active, et le facteur de rendement inductif (r) du circuit dans le rapport de la puissance réactive à la puissance active, à déterminer une autorisation de fonctionnement du générateur (5) dans une plage de rendement inductif permis (r 2. Procédé de mesure et de régulation de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas d'une régulation de puissance sur une fraction de l'inducteur (1), par exemple pour traiter de façon particulière la partie de pièce (3) couverte par cette fraction d'inducteur, les bornes de mesure sont placées aux extrémités de la dite fraction. 3. Procédé de mesure et de régulation de puissance selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que plusieurs parties d'un même inducteur (1) sont contrôlées indépendamment l'une de l'autre de manière à caractériser des effets différentiels sur les zones couvertes de la pièce (3). 4. Circuit électrique de mesure et de régulation de puissance pour la mise en oeuvre du procédé défini selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte trois étages successifs de traitement des signaux, à savoir en premier lieu un étage de mesure et d'adaptation des signaux d'intensité, de tension induite Ui ou de tension directe u par les capteurs définis précédemment, un étage de calcul par des modules de traitement adéquats des valeurs de signaux précédents, de tensions et d intensité, de manière à déterminer successivement les valeurs de puissance apparente S et active P du circuit, puis de puissance réactive Q déterminée commeçs2 ~ p2 et enfin le facteur de rendement inductif r du circuit inducteur déterminé comme Q/P, et un étage de contrôle-commande-régulation de de puissance délivrée fonctionnant dans une plage de rendement inductif r admissible.