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Commande d’une alimentation multi-bobines à caractère robuste pour chauffage par induction industriel

Egalon, Julie (2013) Commande d’une alimentation multi-bobines à caractère robuste pour chauffage par induction industriel. (Control of a robust multi-coil supply for industrial induction heating.)

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Abstract

Dans un contexte de réduction des émissions de CO2 dans les systèmes industriels et d’amélioration de leur efficacité énergétique, les chauffages par induction répondent à ces critères. Le procédé consiste à plonger un corps conducteur d’électricité dans un champ magnétique variable, induisant ainsi des courants au sein de la pièce qui se met alors à chauffer par effet Joule. Cette technologie présente l’avantage d’atteindre des températures élevées de manière précise et rapide, sans contact avec la source d’énergie. Si aujourd’hui le contrôle de tels procédés passe par la structure mécanique du chauffage, de nombreuses études ont montré que l’association de plusieurs bobines alimentées par des systèmes d’électronique de puissance fournit une souplesse dans le contrôle des profils de température et une flexibilité vis-à-vis des pièces traitées. Ce travail présente deux systèmes de chauffage par induction. Le premier est un prototype réalisé par EDF considérant trois inducteurs alimentés par trois onduleurs à résonance. Nous nous y intéresserons plus particulièrement par la suite. Le second, en cours de réalisation, met en jeu six inducteurs pour du chauffage au défilé. Leurs caractéristiques, leurs alimentations et leurs fonctionnements sont abordés pour ensuite mettre en place deux modélisations des phénomènes électriques, l’une sous forme de fonctions de transfert, la seconde dans l’espace d’état. L’objectif final est le développement d’une alimentation auto-adaptative capable de contrôler en temps réel le profil de puissance injecté dans les pièces à chauffer afin d’atteindre un profil de température requis avec le minimum d’énergie consommée. L’étude se poursuit avec un inventaire des solutions existantes en termes de commande en boucle ouverte et en boucle fermée des systèmes mono-inducteurs, ainsi que des travaux, plus rares, pour les chauffages multi-inducteurs. De plus, des études ont montré que le contrôle de la température à la surface d’une pièce à chauffer passait par le contrôle des courants dans les inducteurs, en amplitude mais également en phase. C’est pourquoi nous proposons des lois de commande pour asservir les courants dans les inducteurs. Une routine d’optimisation fournit les amplitudes et les phases des courants dans les trois inducteurs permettant d’obtenir le profil de température le plus proche d’un profil de référence. Nous l’avons modifiée de façon à tenir compte de solutions énergétiquement optimisées en intégrant les pertes dans les interrupteurs et les inducteurs. Deux lois de commande originales sont proposées. La première étudie une commande robuste dans l’espace d’état par placement de vecteurs propres. La seconde met en jeu des correcteurs résonants qui confèrent à la boucle du système un module de gain infiniment grand à la fréquence de résonance de sorte qu’ils effacent les effets des perturbations agissant à cette même fréquence. Les méthodes de synthèse de ces correcteurs sont échantillonnées avec un très faible rapport fréquence d’échantillonnage/fréquence de résonance ; les performances sont détaillées et analysées pour le prototype à trois inducteurs. Pour tester plus facilement et valider en partie les lois mises en place, un simulateur analogique a été conçu, sorte d’émulateur reproduisant le comportement des courants dans les inducteurs et des tensions à leurs bornes. Il se base sur la modélisation sous forme de fonctions de transfert et ne comprend donc pas d’onduleur. Par l’intermédiaire d’une carte dSPACE intégrant un DSP, nous avons implanté et validé les deux lois de commande robustes sur le simulateur analogique. Par la suite, pour se rapprocher du système réel, nous avons mis en place une commande rapprochée transformant les trois signaux de commande en sortie des correcteurs vers les rapports cycliques des douze interrupteurs des convertisseurs alimentant les inducteurs. Cette étape a été validée par des essais expérimentaux réalisés en parallèle de nos études. ABSTRACT : In the context of reducing carbon dioxide emissions in industrial systems and improving their energy efficiency, induction heaters meet these criteria. The method consists in immersing an electrically conductive body in a variable magnetic field, inducing currents within the piece which then begins to heat by Joule effect. This technology has the advantage of reaching high temperatures accurately and quickly, without contact with the power source. Today the control of such works with mechanical structures. But many studies have shown that the combination of several coils supplied by electronic power systems provides flexibility in controlling temperature profiles and flexibility towards the treated parts. This paper presents two systems of induction heating. The first is a prototype made by EDF considering three inductors supplied by three resonant inverters. We will focus more specifically later on this prototype. The second one, in progress, involves six inductors for scrolling heating. Their characteristics, their power supplies and their functions are discussed and then set up two models of electric phenomena, one form of transfer functions and one form in the state space. The final objective is the development of a self-adaptive power able to control real-time power profile injected into parts of heating to achieve a temperature profile required with minimum energy consumption. The study goes on with a list of existing solutions in terms of open-loop control and closed-loop control for single inductor system, as well as few rarer works for multi-inductors heaters. In addition, studies have shown that control of the surface temperature of the piece to be heated passes by the control of currents in the inductors, in magnitude but also in phase. That is why we propose control laws for controlling inductor currents. An optimization routine provides the magnitudes and phases of the currents in the three inductors to obtain the temperature profile closer to a reference profile. We modified it to take into account energy optimized solutions by integrating the losses in the switches and inductors. Two original control laws are proposed. The first one studies a robust control in the state space by placing eigenvalues and eigenvectors. The second one involves resonant markers that give the system loop gain module infinitely large at the resonant frequency so that they erase the effects of disturbances acting at the same frequency. The methods of synthesis of these markers are sampled with a very low sampling frequency / resonant frequency ratio; performance are detailed and analyzed for the prototype with three inductors. So as to test and validate easily some of the studied laws, an analog simulator was designed, a kind of an emulator, which reproduces the behaviour of the currents in the coils and the voltages at their terminals. It is based on the transfer function model and therefore does not include inverters. Through a dSPACE card integrating a DSP, we have implemented and validated the two robust control laws on the analog simulator. Thereafter, in order to be closer to the real system, we have established a close control which turns the three control signals toward the duty cycles of the twelve switches of the converters supplying the inductors. This step was validated by experimental tests carried out in parallel with our studies.

Department or laboratory:Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie - LAPLACE (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Maussion, Pascal and Caux, Stéphane
Uncontrolled Keywords:Chauffage par induction - Optimisation énergétique - Commande de courant - Retour d'état - Correcteur résonant - Commande rapprochée. KEYWORDS : Induction heating - Energy optimization - Current control - State feedback - Resonant controller - Close control
Subjects:Electrical engineering
Deposited On:06 February 2015

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