Application et utilisation de l’induction électromagnétique

Conversion électrothermique

L’énergie thermique reste un élément indispensable pour la production industrielle. Depuis quelques temps, l’obtention de cette forme d’énergie ne cesse de s’améliorer, aujourd’hui on n’utilise presque plus de source fossile, on a tendance à utiliser de l’électricité. On a donc besoin de convertir l’énergie électrique en énergie thermique. L’un des moyens le plus utilisé est l’utilisation du champ électromagnétique. Le principe de cette méthode de conversion est l’exploitation du courant de Foucault, qui va chauffer par effet Joule, un conducteur placé dans un champ magnétique variable. Le domaine d’application de cette méthode est très large, on peut citer quelques uns.

Métallurgie

Les industries métallurgiques utilisent actuellement de l’énergie électrothermique pour l’élaboration de leurs produits. B.3.1.1. Pour faire fondre les métaux, on utilise des champs magnétiques, produit par un enroulement (solénoïde) externe au creuset. Le corps à chauffer, dans le creuset est traversé par un flux d’induction, qui va créer des courants induits dans ce dernier. De plus ce courant, sous l’action de son propre champ magnétique, est automatiquement concentré dans une faible section. Ce principe peut être schématisé comme suit :

PASTEURISATION

DEFINITION

La pasteurisation est le chauffage d’un liquide, à une température comprise entre 55 et 75 °C, pour détruire les bactéries pathogènes et permettre la conservation sans pour autant changer la composition, la saveur ou la valeur nutritive du liquide.
On pasteurise la bière et le vin en les chauffant à environ 60 °C pendant 20 min. On pasteurise le lait en le chauffant à une température de 63 °C pendant 30 min, en le refroidissant rapidement, puis en le conservant à une température inférieure à 10 °C. Selon un procédé plus récent, le chauffage se fait à 75 °C pendant 30 s et le récipient est rempli dans des conditions stériles.

PASTEURISATION DU LAIT

Etape d’une opération de pasteurisation

Comme la pasteurisation est une opération qui assure la qualité sanitaire du lait, l’ensemble des matériels utilisés doit être propre. Pour cela une opération de nettoyage est effectuée avant chaque opération de pasteurisation (opération de CP ou Cleaning in Place). Cette opération est faite à l’aide de solution d’acide et de soude, à une température assez élevée.
La pasteurisation du lait doit suivre les étapessuivantes :
• Nettoyage du système de pasteurisation (CP) par de la solution acide.
• Nettoyage du système de pasteurisation par de la soude.
• Rinçage du système de pasteurisation par de l’eau chaude.
• Pasteurisation du lait.

Principe de pasteurisation et matériels traditionnels

Le lait cru est stocké dans un tank d’alimentation,à une température de 25 [°C], puis conduit dans un pasteurisateur, là il est chauffé dans un système d’échangeur de chaleur jusqu’à 75[°C] par de l’eau chaude, qui elle-même est chauffée par de la vapeur produite par une chaudière à fuel ou gazole ; le lait pasteurisé est ensuite refroidi par de l’eau froide provenant d’un système de réfrigération. Et c’est à la fin qu’il est acheminé dans un tank de stockage. L’ensemble de l’installation est représenté à la figure 4.

INCONVENIENTS

L’ensemble des équipements requiert un entretien régulier en plus d’occuper une superficie assez large dans une usine laitière. De plus, la chaleur transmise au lait, par conduction indirecte, occasionne des pertes importantes. La régulation de la température du lait, à la sortie du chauffage CP2, s’effectue par le réglage du débit de la vapeur, en commandant l’ouverture de l’électrovanne Y1. Comme la transmission de la chaleur est indirecte, le temps de réponse du système est très lent, et la mise en route du dispositif n’est pas instantanée.

AMELIORATION DU DISPOSITIF : utilisation de chauffe fluide par induction magnétique

Le chauffe-fluide à induction magnétique offre une toute nouvelle dimension en combinant le principe du transformateur à celui de l’échangeur de chaleur. Cet assemblage se fait dans un bâti simple, peu encombrant. Il permet une inertie thermique minimum. Le raccordement de ce type de chauffe fluide au dispositif de pasteurisation est donné sur la figure suivante :

L’AUTOMATISME APPLIQUE AU SYSTEM DE PASTEURISATION

NOTION D’AUTOMATISME

Système automatique

Un système qui à tout instant, se commande de façon automatique, sans intervention humaine ou autres systèmes extérieurs, et qui est destiné à commander une grandeur de sortie quelconque à partir d’une grandeur d’entrée, est dit automatique ou asservi.
Dans tout système asservi, la grandeur de sortie doit recopier le mieux possible la grandeur d’entrée. On distingue cependant deux modes de fonctionnement selon les conditions d’utilisation : l’asservissement et la régulation.

Asservissement

Un asservissement a une entrée de référence qui évolue ou qui suit une grandeur physique indépendante du processus lui-même (radar de poursuite, asservissement de position, etc.). Cette évolution de l’entrée fait évoluer le point de fonctionnement du processus et la sortie doit suivre le mieux possible cette évolution en dépit des perturbations. On dit encore que le système fonctionne en suiveur ou en poursuite.

Régulation

Définition

Le procédé de régulation a pour rôle d’amener la grandeur de sortie à prendre une valeur fixée à l’avance et de l’y maintenir. Celle-ci s’appelle alors grandeur réglée ou mesure. La régulation peut être de nature très variable comme par exemple :
• une grandeur physique : tension, courant, puissance…
• une grandeur hydraulique ou mécanique : pression, débit, niveau, vitesse…
• une grandeur thermique : température, quantité de chaleur…
• toute autre grandeur physique
La valeur fixée à l’avance, à laquelle la régulation doit amener la grandeur réglée, s’appelle consigne de régulation.

Chaine de régulation

Pour avoir une régulation, il faut mesurer en permanence la grandeur réglée et la comparer à la consigne de régulation. Dès que l’on détecte un écart εentre elles, on produit sur le système une modification appropriée qui doit ramener la grandeur réglée en accord avec la consigne de régulation [11].
La grandeur subissant cette modification s’appelle grandeur réglante. Elle peut être une grandeur physique quelconque, par exemple la position d’ouverture d’une vanne, l’angle de conduction d’un thyristor d’une unité de puissance.

Type de régulateur

Régulateur à action proportionnelle

L’action proportionnelle est une fonction qui fait varier le signal de sortie du régulateur (grandeur réglante) proportionnellement à l’écart entre la mesure et la consigne. Le coefficient de proportionnalité, appelé gain du régulateur, est obtenu par le réglage du paramètre du régulateur (exprimée en % de l’échelle de mesure du régulateur).

Régulateur à action proportionnelle et intégrale

Dans le cas de la commande d’un système par action proportionnelle seule, on constate un écart de statisme en régime établi. Pour éliminer celui-ci, on utilise en complément une action intégrale qui tient compte à la fois de l’écart entre la mesure et la consigne et du temps.
La valeur de l’action intégrale s’exprime en unité de temps (généralement en seconde).
L’action intégrale va tendre à éliminer tout écart de statisme du système sans avoir d’influence sur la stabilité de celui-ci.
Si l’écart entre la mesure et la consigne est de signe positif et dure un certain temps, la sortie du régulateur augmentera dans le temps afin de remonter la mesure et d’obtenir l’égalité mesure/consigne.
Si l’écart est de signe négatif et dure un certain temps, l’intégration s’effectuera dans l’autre sens et la sortie du régulateur diminuera dans le temps pour obtenir l’égalité mesure/consigne.
L’action intégrale annule l’écart résiduel rencontré avec la seule action proportionnelle et ce d’autant plus rapidement que le temps d’intégration est faible (une valeur trop faible risque de rendre le système instable).

Régulateur à action proportionnelle, intégrale et dérivée

L’action dérivée fait intervenir la notion de dérivée de l’écart, c’est-à-dire la vitesse de variation de celle-ci. La valeur de l’action dérivée s’exprime en unité de temps (généralement en seconde).
Lors de la prise de consigne (première montée en température vers la valeur de consigne), l’action dérivée freine la montée et évite ainsi les dépassements éventuels. Le système étant en régime établi, si une perturbationintervient, l’action dérivée apparaîtra dès que l’on détectera une variation de l’écart. Il s’agit donc d’une action anticipatrice car la commande est corrigée dès l’apparition d’une perturbation. L’action dérivée compense en partie l’inertie du système. Elle stabilise en outre la boucle et permet de prendre des valeurs de gain élevées. Elle est principalement utilisée pour des systèmes présentant des inerties relativement importantes.

DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES DU CHAUFFE-FLUIDE

INTRODUCTION

Notre étude est faite pour dimensionner un chauffe-fluide, compatible avec un pasteurisateur à plaques d’une capacité maximale de 800 [L/h] (modèle A3, APV Crepaco, Chicago, IL USA), pour un différentiel de température de 5-15[°C], sous une tension de 440[V] monophasée de fréquence comprise entre 3-10 [kHz] et qui peut échanger une puissance de 13 kW. Pour cela on va déterminer :
• le type de chauffe fluide à utiliser et ses caractéristiques géométriques.
• les caractéristiques électriques correspondantes.
• les caractéristiques thermiques correspondantes.

CORPS DU CHAUFFE-FLUIDE

Deux possibilités s’offrent à nous pour réaliser le corps du chauffe-fluide à induction magnétique. Leur principe général de fonctionnement est identique : un courant alternatif crée un champ magnétique, qui induit dans un corps métallique un courant électrique qui, par effet Joule, l’échauffe en le parcourant. Le corps métallique échauffé transmet alors sa chaleur au liquide par convection.

Chauffe fluide à serpentin

Principe

C’est la combinaison du principe du transformateur à celui de l’échangeur de chaleur. L’enroulement primaire est constitué de fils conducteurs d’électricité. Le secondaire est constitué d’un tube conducteur enroulé en spires court-circuitées les unes aux autres. Le fluide à chauffer circule à l’intérieur du manchon secondaire du transformateur, ce principe et représenté par la figure 12.

Chauffe fluide à tubes concentriques

Principe

C’est aussi la combinaison du principe du transformateur à celui de l’échangeur de chaleur. L’enroulement primaire est constitué de fils conducteurs d’électricité. Le secondaire est constitué par des tubes métalliques concentriques, qui sont entourés par l’enroulement primaire. Ces tubes jouent donc aussi le rôle du noyau ferromagnétique du transformateur. Le fluide à chauffer circule à l’intérieur des tubes, ce principe est représenté par la figure suivante :

Capteur à thermocouple

Lorsque les thermocouples détectent une variation de température, ils génèrent directement une force électromotrice (f.é.m.), c’est pourquoi on les appelle capteurs actifs.

Principe de fonctionnement

C’est l’exploitation de l’effet Seebeck, découvertpar Thomas Johann Seebeck en 1821, concernant l’apparition d’une force électromotrice (f.é.m.) dans un circuit ouvert, composé de deux conducteurs différents, lorsque les jonctions sont à des températures différentes. Cette f.é.m. peut être mesurée en coupant l’un des fils et en reliant ses deux extrémités à un voltmètre V de très grande impédance d’entrée de manière à ce que le courant dans le circuit soit négligeable (figure 27).

TRAITEMENT NUMERIQUE DES DONNEES

Dans ce chapitre nous allons voir les différents types de calculateur numérique qui peuvent être utilisés pour la régulation de notre système, nous verrons également comment les programmer.

MATERIEL

Les calculateurs numériques sont à base de microprocesseur. Dans la régulation industrielle (figure 36), les calculateurs les plus utilisés étaient les microcontrôleurs, mais depuis quelques temps, à cause des progrès technologique, l’utilisation de microordinateurs est devenue très courant, puisque ces sont de loin les calculateurs le plus performants.

Table des matières

Liste des figures
Liste des tableaux
Notations et abréviations
INTRODUCTION 
PARTIE 1 : ETAT DE L’ART 
CHAPITRE .1. INDUCTION ELECTROMAGNETIQUE
A. NOTION D’INDUCTION ELECTROMAGNETIQUE
A.1. Origine physique
A.2. Compréhension du phénomène
A.3. Courant de Foucault
B. APPLICATION ET UTILISATION DE L’INDUCTION ELECTROMAGNETIQUE
B.1. Conversion électromécanique
B.2. Transformateur
B.3. Conversion électrothermique
CHAPITRE .2. PASTEURISATION
A. DEFINITION
B. PASTEURISATION DU LAIT
B.1. Etape d’une opération de pasteurisation
B.2. Principe de pasteurisation et matériels traditionnels
B.3. Pasteurisateur
C. INCONVENIENTS
D. AMELIORATION DU DISPOSITIF
CHAPITRE .3. L’AUTOMATISME APPLIQUE AU SYSTEM DE PASTEURISATION
A. NOTION D’AUTOMATISME
A.1. Système automatique
A.2. Asservissement
A.3. Régulation
B. AUTOMATISATION DU SYSTEME DE PASTEURISATION
B.1. Modélisation du système
B.2. Utilisation de la régulation numérique
PARTIE 2 : METHODOLOGIES ET MATERIELS 
CHA PITRE .1. DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES DU CHAUFFE-FLUIDE
A. INTRODUCTION
B. CORPS DU CHAUFFE-FLUIDE
B.1. Chauffe fluide à serpentin
B.2. Chauffe fluide à tubes concentriques
C. ALIMENTATION
C.1. Type d’interrupteur
C.2. Source d’alimentation
C.3. type de commande de l’onduleur
CHA PITRE .2. ETUDE DE L’ACQUISITION DES DONNEES ET DU CIRCUIT DE COMMANDE
A. DESCRIPTION DE LA CHAINE D’ACQUISITION
B. ETUDES ET CHOIX DES CAPTEURS DE TEMPERATURE.
B.1. Thermistance CTP
B.2. Thermistance CTN
B.3. Capteur à thermocouple
C. CIRCUIT D’ADAPTATION
C.1. Conditionneur de signal pour les CTP et CTN
C.2. Conditionneur de signal pour les thermocouples
C.3. Circuit électronique de filtrage avant traitement
D. CIRCUIT DE COMMANDE
D.1. Description du circuit de restitution du signal de commande analogique
D.2. Circuits de commande logique
CHA PITRE .3. TRAITEMENT NUMERIQUE DES DONNEES
A. MATERIELS
A.1. Micro-contrôleur
A.2. Micro-ordinateur PC
B. PROGRAMMATION DU CALCULATEUR
B.1. Principe et contenu
B.2. Langage de programmation
PARTIE 3 : APPLICATIONS ET RESULTATS 
CHA PITRE .1. CARACTERISTIQUES DU CHAUFFE FLUIDE
A. CORPS DU CHAUFFE-FLUIDE
A.1. Caractéristiques géométriques
A.2. Caractéristiques électriques
A.3. Caractéristiques thermiques
B. SYSTEME D’ALIMENTATION ELECTRIQUE
CHA PITRE .2. ACQUISITION DES DONNEES ET CIRCUIT DE COMMANDE
A. ACQUISITION DES DONNEES
A.1. Capteur de température et circuit d’adaptation
A.2. Multiplexeur
A.3. Convertisseur analogique numérique
A.4. Multiplexage numérique
B. INTERFACE DE SORTIE
CHA PITRE .3. TRAITEMENT DES DONNEES et CONTROLE DU PROCESSUS
A. PROGRAMMATION DU CALCULATEUR
A.1. Lecture des données
A.2. Exécution du Programme
B. SIMULATION
B.1. Comportement du chauffe-fluide en regime permanent
B.2. Mise en régime du système
C. INTERFACE DE CONTROLE
C.1. Généralités
C.2. Arborescence de l’interface
C.3. Présentation des interfaces et modes d’utilisation
PARTIE 4 : REGARD SUR LES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX DU PROJET 
A. CONTEXTE GENERALE
A.1. L’environnement
A.2. Mise en contexte du sujet .
B. IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
B.1. Impacts positifs
B.2. Impacts négatifs
C. MESURES D’ATTENUATION POUR LES IMPACTS NEGATIFS
D. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE 
Annexe
Bibliographie & Webographie