Comment fonctionne un appareil de chauffage par induction

Le principe de fonctionnement d'un appareil de chauffage par induction consiste à chauffer une pièce métallique électriquement conductrice au moyen d'un courant de Foucault fermé induit dans celle-ci.

Les courants de Foucault sont des courants qui apparaissent dans les fils solides en raison du phénomène d'induction électromagnétique lorsque ces fils sont traversés par un champ magnétique alternatif. L'énergie est utilisée pour créer ces courants, qui sont convertis en chaleur et chauffent les fils.

Pour réduire ces pertes et éliminer le chauffage, au lieu de fils solides, des fils en couches sont utilisés, dans lesquels les couches individuelles sont séparées par une isolation. Cette isolation empêche l'apparition de grands courants de Foucault fermés et réduit les pertes d'énergie pour les entretenir. C'est pour ces raisons que les noyaux des transformateurs, les armatures des générateurs, etc., sont constitués de fines tôles d'acier isolées les unes des autres par des couches de vernis.

L'inducteur d'un appareil de chauffage par induction est une bobine de courant alternatif conçue pour créer un champ électromagnétique alternatif à haute fréquence.

Le champ magnétique alternatif à haute fréquence, à son tour, agit sur un matériau électriquement conducteur, provoquant un courant fermé de haute densité dans celui-ci et chauffant ainsi la pièce jusqu'à ce qu'elle fonde. Ce phénomène est connu depuis longtemps et a été expliqué depuis l'époque de Michael Faraday, qui décrivait phénomène d'induction électromagnétique en 1931

Le champ magnétique variant dans le temps induit une force électromagnétique alternative dans le conducteur, qui croise ses lignes de force. Un tel fil peut généralement être un enroulement de transformateur, un noyau de transformateur ou une pièce solide en métal.

Si la FEM est induite dans la bobine, un transformateur ou un récepteur est produit, et s'il est directement dans le circuit magnétique ou en court-circuit, un chauffage par induction du circuit magnétique ou de la bobine est produit.

Dans un transformateur mal conçu, par exemple, échauffement du noyau par les courants de Foucault serait sans équivoque nocif, mais dans un appareil de chauffage par induction, un tel phénomène a un but utile.

Du point de vue de la nature de la charge, un appareil de chauffage par induction avec une partie conductrice chauffée à l'intérieur est comme un transformateur avec un enroulement secondaire court-circuité d'un tour. Étant donné que la résistance à l'intérieur de la pièce est extrêmement faible, même un petit champ électrique de Foucault induit est suffisant pour créer un courant d'une densité si élevée que son effet thermique (cf. La loi Joule-Lenz) serait très expressif et pratique.

Le premier four à canal de ce type est apparu en Suède en 1900, il était alimenté en courant avec une fréquence de 50-60 Hz, il servait à fondre l'acier à canal et le métal était introduit dans un creuset disposé en rotation à chaîne courte de l'enroulement secondaire d'un transformateur.Le problème d'efficacité était bien sûr présent puisque l'efficacité était inférieure à 50%.

Aujourd'hui, un appareil de chauffage par induction est un transformateur sans fil constitué d'une ou plusieurs spires d'un tube de cuivre relativement épais à travers lequel le liquide de refroidissement d'un système de refroidissement actif est pompé à l'aide d'une pompe. Un courant alternatif de fréquence de plusieurs kilohertz à plusieurs mégahertz est appliqué sur le corps conducteur du tube, à la manière d'une inductance, en fonction des paramètres de l'échantillon traité.

Le fait est qu'aux hautes fréquences, le courant de Foucault est déplacé de l'échantillon chauffé par le courant de Foucault lui-même, car le champ magnétique de ce courant de Foucault déplace le courant qui a été généré vers la surface.

Cela se manifeste comme effet sur la peau, lorsque la densité de courant maximale est le résultat de la surface de la pièce tombant sur une couche mince, et plus la fréquence est élevée et plus la résistance électrique du matériau chauffé est faible, plus la couche de coque est mince.

Pour le cuivre par exemple, à 2 MHz, la peau n'est que d'un quart de millimètre ! Cela signifie que les couches internes de la billette de cuivre ne sont pas chauffées directement par des courants de Foucault, mais par conduction thermique depuis sa fine couche externe. Cependant, la technologie est suffisamment efficace pour chauffer ou faire fondre rapidement presque tous les matériaux conducteurs d'électricité.

Des appareils de chauffage par induction modernes sont en cours de construction basé sur un circuit oscillant (bobine-inductance et condensateur) alimenté par un onduleur résonant inclus IGBT ou MOSFET — transistorspermettant d'atteindre des fréquences de fonctionnement jusqu'à 300 kHz.

Pour les fréquences plus élevées, des tubes à vide sont utilisés, qui permettent d'atteindre des fréquences de 50 MHz et plus, par exemple pour la fusion de bijoux, des fréquences assez élevées sont nécessaires, car la taille de la pièce est très petite.

Pour augmenter le facteur de qualité des circuits de travail, ils recourent à l'une des deux manières suivantes: soit augmenter la fréquence, soit augmenter l'inductance du circuit en ajoutant des inserts ferromagnétiques à sa construction.

Le chauffage diélectrique est également réalisé à l'aide d'un champ électrique à haute fréquence dans l'industrie. La différence avec le chauffage par induction réside dans les fréquences de courant utilisées (jusqu'à 500 kHz avec le chauffage par induction et plus de 1000 kHz avec le diélectrique). Dans ce cas, il est important que la substance à chauffer ne conduise pas bien l'électricité, c'est-à-dire était un diélectrique.

L'avantage de la méthode est la génération de chaleur directement à l'intérieur de la substance. Dans ce cas, les substances peu conductrices peuvent rapidement chauffer de l'intérieur. Pour plus de détails voir ici : Fondements physiques fondamentaux des méthodes de chauffage diélectrique à haute fréquence