Laurent BOURDEL 5 Mai 2015 ETK-D : CHAUFFAGE PAR INDUCTION ÉTUDE D’UNE PLAQUE DE CUISSON DOMESTIQUE

PLAN Compte rendu Travaux Pratiques Séquence pédagogique Chauffage par induction Présentation système Appareil de mesure Résultats Séquence pédagogique Référentiel IUT GEII Séquence proposée Synthèse / Conclusion

Chauffage par induction Induction magnétique 𝐵 =μ.𝐻= μ.𝑁.𝐼 𝑙 Flux magnétique :Φ= (𝑆) 𝐵 .𝑑𝑆 Loi de Faraday force électromotrice d’induction : 𝑒=− 𝑑Φ 𝑑𝑡 =−𝐿. 𝑑𝐼 𝑑𝑡 Circulation de courants de Foucault Effet Joule 𝑃=𝑅 𝐼 2 = 𝐸 2 𝑅

Chauffage par induction Rapidité exceptionnelle Rendements comparés Meilleur rendement car contact direct et sans dispersion sans contact avec l’air

Etude thermique C represente l’energie necessaire pour elever de 1°C R la charge du liquide Etude thermique 𝑃 𝑇𝐻 = 𝐶 𝑇𝐻 . 𝑑 (𝑇 𝐿𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑒 ) 𝑑𝑡 + (𝑇 𝐿𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑒 − 𝑇 𝐴𝑚𝑏 ) 𝑅 𝑇𝐻 Saturation à 100°C car chgt d’etat de l’eau en vapeur 𝑑𝑡 𝑅 𝑇𝐻 . 𝐶 𝑇𝐻 = 𝑑 (𝑇 𝐿𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑒 ) 𝑃 𝑇𝐻 . 𝑅 𝑇𝐻 − (𝑇 𝐿𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑒 − 𝑇 𝐴𝑚𝑏 ) 𝐶 𝑇𝐻 : Capacité Thermique 𝑅 𝑇𝐻 : Résistance Thermique 1 𝑒𝑟 𝑜𝑟𝑑𝑟𝑒 → La solution est de la forme : 𝑇 𝐿𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑒 𝑡 =𝐴+𝐵. 𝑒 (− 𝑡 τ ) avec τ= 𝑅 𝑇𝐻 . 𝑃 𝑇𝐻 Avec les conditions à t=0 et t=∞ : 𝑇 𝐿𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑒 𝑡 = 𝑇 𝐴𝑚𝑏 + 𝑃 𝑇𝐻 . 𝑅 𝑇𝐻 .(1− 𝑒 − 𝑡 τ ) 𝑃 𝑇𝐻 = 2 kW, 𝐶 𝑇𝐻 = 8860 J/°C, 𝑅 𝑇𝐻 = 0,25 °C/W et 𝑇 𝐴𝑚𝑏 = 20 °C

Étude de l’inducteur = Détermination de L0 et R0 par mesure des puissances actives et réactive

Effet de peau 𝐽 𝑥 = 𝐽 0 . 𝑒 (− 𝑥 δ 𝑝 ) 𝐽 𝑥 = 𝐽 0 . 𝑒 (− 𝑥 δ 𝑝 ) δ 𝑝 = ρ π. μ 0 . μ 𝑟 .𝑓 ≈500. ρ μ 𝑟 .𝑓 μ 𝑟 : perméabilité magnétique relative La profondeur de pénétration δ 𝑝 est définie par le point où la densité de courant J a atteint 37 % (soit 𝑒 −1 ) de sa valeur maximale Selon l'axe z, la pénétration des courants dépend d'une caractéristique physique du matériau qui est l'épaisseur de peau : A fréquence donnée, plus cette épaisseur caractéristique est faible, plus les courants induits vont se trouver confinés dans une épaisseur faible du matériau, donc se trouver "confrontés" à une résistance élevée. Resistance fonction de f A f=20kHz : Aluminium δ 𝑝 =590μm => résistance quasi nulle => Puissance dissipée ~ 0W Acier δ 𝑝 =35μm => résistance importante => Echauffements conséquents

Détermination de L0 et R0 DC-DC R0= 20ohm L0 = 50mH

Étude de l’inducteur 𝑍= 𝑅 0 2 +4. π 2 . 𝑓 2 . 𝐿 0 2 ≈2.π. f. 𝐿 0 𝐼= 𝑈 𝑍 ≈0 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑑 𝑓 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑑 𝑃𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 𝑡𝑟è𝑠 𝑓𝑎𝑖𝑏𝑙𝑒

Circuits résonnants serie : contrainte sur le courant qui traverse C //: contrainte sur tension max aux bornes de C Circuits résonnants Montage série (faible puissance) Montage parallèle (forte puissance)

Détermination de L0 et R0 DC-DC Commenter les courbes: Eg: courant sinus car a f resonnance Rose : ondulation tension DC-DC

Exploitation pédagogique DUT GEII Ajouter détail seance TP en lien avec chauffage induction

Descriptif de la formation

Tableau synthétique des Thèmes par semestre

Détails Thème 1

Répartition horaire des modules S2

Module retenu pour la séquence pédagogique

Module retenu pour la séquence pédagogique

Situation et structure de la séquence Période: 2nd semestre (2nde année IUT) Volume horaire : 6xCM+6xTD+8xTP+4xEval Classe entière : 24 étudiants Groupe : 12 étudiants semaine 1 2 3 Cours (CE 2h) Travaux Dirigés (CE 2h) Cours (CE 2h) Travaux Dirigés (CE 2h) Activité pratique (Gr 4h) Cours (CE 2h) Travaux Dirigés (CE 2h) Activité pratique (Gr 4h) Evaluation sommative (1h30) Evaluation formative (1h) Evaluation sommative (1h30) Remédiation

Situation et structure de la séquence Période: 2nd semestre (2nde année IUT) Volume horaire : 6xCM+6xTD+8xTP+4xEval Classe entière : 24 étudiants Groupe : 12 étudiants semaine 1 2 3 Cours (CE 2h) Cours (CE 2h) Cours (CE 2h) Electromagnétisme théorème d'Ampère, forces de Laplace, loi de Lenz Transformateur schéma équivalent, essais, bilan des puissances, couplages Conversion alternatif continu Objectif de la conversion alternatif – continu Montages redresseur de tension non commandé, monophasé, triphasé Filtrage et lissage

Situation et structure de la séquence Période: 2nd semestre (2nde année IUT) Volume horaire : 6xCM+6xTD+8xTP+4xEval Classe entière : 24 étudiants Groupe : 12 étudiants semaine 1 2 3 Travaux Dirigés (CE 2h) Travaux Dirigés (CE 2h) Travaux Dirigés (CE 2h) Electromagnétisme théorème d'Ampère, forces de Laplace, loi de Lenz Transformateur schéma équivalent, essais, bilan des puissances, couplages Conversion alternatif continu Objectif de la conversion alternatif – continu Montages redresseur de tension non commandé, monophasé, triphasé Filtrage et lissage

Situation et structure de la séquence Période: 2nd semestre (2nde année IUT) Volume horaire : 6xCM+6xTD+8xTP+4xEval Classe entière : 24 étudiants Groupe : 12 étudiants semaine 1 2 3 Activité pratique (Gr 4h) Activité pratique (Gr 4h) Transformateur Mesure parametre du schéma équivalent Plaque induction Thermique Bilan puissance

Situation et structure de la séquence Période: 2nd semestre (2nde année IUT) Volume horaire : 6xCM+6xTD+8xTP+4xEval Classe entière : 24 étudiants Groupe : 12 étudiants semaine 1 2 3 1ère évaluation sommative Electromag+Transfo 2nde évaluation sommative Validation module Evaluation formative+rémédiation Estimation des élèves en difficultés Evaluation sommative (1h30) Evaluation formative (1h) Evaluation sommative (1h30) Remédiation

Synthèse Objectif : Au terme de la séquence, les élèves ou les étudiants devront être capables de : Acquisition des connaissances physiques Validation du module M 2101 Parler des autres niveaux possibles