un four électrique à haute fréquence alimenté par un

FOUR ÉLECTIUQUE A HAUTE FRÉQUENCE
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UN FOUR ÉLECTRIQUE À HAUTE FRÉQUENCE ALIMENTÉ PAR
UN GÉNÊRATEUR À LAMPES
Sommaire. L'article donne la description d'un four à induction, semblable à ceux employés
par les Usines Philips pour Ie traitement 'de matières premières (pièces de faibles dimen-
sions). Un courant de hautefréquence est nécessairepourl'alimentation du four. Ce'cou-
rant est produit par une lampe émettrice capable defournir une puissance utile de :250 kW.
- FÉVRIER 1936
Depuis quelques années les Usines Philips
possèdent leur propre fonderie afin de pouvoir
répondre elles-mêmes aux demandes de leurs di-
verses branches. Dans cette fonderie, on prépare
notamment un alliage de fer au chrome, dont
l'emploi dans la construction d'un grand nombre
d'appareils divers est très important, puisque ses
propriétés spéciales permettent de Ie souder her-
métiquement au verre. La tache dévolue à cette
fonderie exige fréquemment une étude particu-
lière des conditions à réunir pour opérer sur
des quantités relativement faibles de matières
premières mais en observant intégralement . les
exigences les plus sévères sur l'exactitude absolue
de la· composition. Il est indispensable aussi de
garantir la' reproduetion exacte d'un même alliage
autant de fois qu'il est nécessaire. Or il _faut re-
marquer que certains éléments constitutifs des
alliages présentent des difficultés particulières soit
qu'ils brûlent à l'air, comme Ie carbone dans les
alliages de fer, 'soit qu'Ils : s'évaporent comme Ie
zinc et le' cadmium aux. alliages de laiton. Le four
électrique à are, employé au début pour toutes les
opérations de fonte, n'est pas en mesure de ré-
pondre aux sérièuses exigences posées par ces
opérations, car une forte évaporation des matières
volatiles se produit aux électrodes, dont la tem-
pérature s'élève à 4000°C environ. Il était done
nécessaire de créer une nouvelle installation de
fonderie susceptible de remplir les conditions dont
ou vient de parler, Nous pouvons résumer ces con-
ditions comme suit:
a) Le creuset doit pouvoir admettre une cllafge
de 50 kilos de fer, restant entendu qu'on
pourra faire usage de débris de fer et de dé-
chets de matériaux.
b) La charge doit rester absolument pure pendant
la fusion; pour cela il .importe d'éviter tout
contact soit avec les gaz des fumées, soit
avec les électrodes.
...
c) Afin de réduire l'évaporation des éléments
volatils il faut éviter autant que possible
une température, qui dépasserait Ie point de
fusion des matières t.raitées. Pour la même
raison, la durée de la fusion ne doit pas dépasser
15 minutes.
On a été conduit par ces trois conditions à ap-
pliquer la méthode de chauffage par induction.
, Dans un four à induction le contenu du creuset est
chauffé au moyen des-v courants de F 0 u ca uIt, h
qui sont induits à I ' int' ér i e u r des m a t i ères à
fondre par des champs magnétiques alternatifs.
Par ce procédé les .matières en .fusion ne vierment
en contact 'ni ayec des' gaz de fumées ni avec les '
électrodes. De plus là;;~r~mpérature de la charge'
en fusion dans Ie creus~i est la plus élevée de l'en-
semble du four, de soi+é quii! n'y a pas de tem-
pératures plus élevées que celle de la masse en
fusion.
Les premiers essais pour arriver à une application
pratique de la méthode de chauffage par induction
datent d'i! y a une trentaine d'années. (Société
Sch~eider-Creusot et O. Zander, 1905). Dans
les années qui .ont suivi, cette méthode fut ensuite
développée théoriquement et pratiquement par
N orthru pl),Rib e a u d 2), Wever et Fis ch erS)
Burch et Davis
4),
Strutt
5)
et d'autres en-
core. A la fin du présent article nous aurons encore
l'occasion de donner quelques précisions SUl' les
phénomènes électriques qui interviennent dans
le four à induction. On a reconnu que d'une façon
générale, le rendement du èhauffage par induction
i
','
I .'~ •. ;
1) No r th r up, J. Frankl. Inst. 20, 240, 1926.
2) M G. Rib ea ud, La technique moderne, No. 19, 8-9, 1929.
3) F. Wever et W. Fischer, Inst. f. Eisenforsch. 8,
149, 1926.
4) C. K. Bureh et N. R. Davis, Arch. f., El. 20, 211,
1928.
5) M. J. O. Strutt, Ann. d; Phys. 82, 605, 1927; Arch. f.
El. 19, 424, 1928,

50
REVUE TECHNIQUE PHILlPS TOME 1, W 2
s'accroit en fonction de la fréquence. Plus les di-
mensions des pièces à fondre sont petites, plus les
fréquences requises doivent être élevées. A:6n
d'arriver à fondre avec un rendement suffisant,
des débris dont le diamètre n'est que de quelques
cm, il faut recourir à des fréquences de 5000 à
10000 pis.
La production d'un courant de fréquencc aussi
haute pal' des machines n'est plus pratique. Pour
cette raison on emploie comme source de courant
un générateur comprenant un tube émetteur
Philips TA 20/250, susceptible de fournir, sur une
résistance de charge d'anode bien adaptée, une
puissance utile de 250 kW (V.fr = 14000 volts,
I.
fr
= 18 Amp.). Cette puissance est plus que suf-
fisante pour faire fondre Ie continu du creuset en
15 minutes.
Description du Four à Induction
La capacité de fusion de l'instaUation est prévue
p0ur 200 kg par heure, la puissance prise au ré-
'eau à eet effet est de 250 kW environ. L'instal-
lation peut supporter un maximum de 300 kW,
eUe a donc été prévue largement. Le creuset a une
contenance de 121/2 litres (20 cm de diamètre et
40 cm de hauteur), ce qui permet une charge de
50 kg d'acier en tenant compte d'un facteur de
remplissage de 0,5 pour Ie métal à fondre. Si l'on
profite du temps de fusion pour compléter la
i i
B A
Fig. 1. Aspect extérieur du four à induction. Sur le c6té droit on
remarque les pivots A et B permettant de suspendre Ie four
pendant son fonctionnement. Le four est suspendu aux pivots
A pendant Ie chauffage, aux pivots B pendant Ie coulage.
charge, celle-cipeut être portéc à 100 kg. Le temps
requis pour le repos avant la coulée, l'enlèvement
des scories et la coulée elle-même, étant appro-
ximativement égal au temps de fusion, deux fours
orrt été prévus qui sont branchés alternativement
sur le générateul'. Ainsi l'instalJation électrique est
constamment en service.
Les dimensions des fours étant très petites,
eenx-ei sont très maniables de sorte qu'il est pos-
sible d'opérer sans creusets de coulée. Le contenu
est versé directement dans les formes ou les co-
quilles disposées au-dessous du four. Pendant ce
temps le second four est chauffé et les scories sont
enlevées. Ainsi l'instaIlation fonctionne sans inter-
Fig. 2. Le four à induction, les parois latérales étant déposées.
ruption, ce qui constitue précisément l'un des
avantages des petites charges. Dans Ie cas de
charges plus grandes, Ie métal, après une durée
d'échauffement plus longue, doit être réparti
rapidement au moyen d'un ou de plusieurs creusets
intermédiaires de coulée dans les différentes formes;
rapidement, a:6n d'éviter que le métal ne soit ni
trop chaud au début de la coulée, ni trop froid
à la :6n.
La fig. 1 montre un aspect extérieur du four,
la fig. 2 Ie montre les parois latérales étant dé-
posées. La plaque d'en-dessous et ceIle d'au-dessus
sont en matière isolante, elles sont reliées entre
elles par des cornières en laiton. Ces plaques portent
le creuset de terre réfractaire, qui est entouré par
la bobine d'induction. Dne garniture de pierres et
d'amiante pour l'isolement calorifuge, est interposée
entre Je creuset et cette bobine d'induction.
Celle-ci possède une self-induction de 0,125 mHo
EIle est bobinée à couche unique et formée de

FÉVRIER 1936 FOUR ÉLECTRIQUE
À HAUTE FRÉQUENCE
51
Fig. 3. Aperçu de l'installation. Derrière les fours on remarque Ie tableau de distribution
de I'installation ëlectr.que, qui chauffe les fours alternativement. La porte portant la
mention "Hoogspanning" conduit à la cabine de transformation.
20 spires en tube de cuivre d'une section ree-
tangulaire de 12,5 sur 25 mm. I/eau de réfrigération
circule dans ce tube pendant Ie fonctionnement.
Le diamètre ainsi que la longueur de la bobine sont
de 40 cm. Les pièces métalliques employé es pour
la construction du four sont isolées les unes des
autres, de sorte qu'aucun circuit ne puisse s'y
former, car il s'y créerait de forts courants de
F 0 u ca u It. De cette manière les pièces en laiton
s'échauffent à peine, alors que le fer, dans lequel
les courants de F 0 u c a u It trouveraient une plus
grande résistauce pourrait être porté au rouge.
La fig. 3 donne un aperçu de l'ensemble de
l'installation. Le four de gauche est porté à la
température prévue tandis que celui de droite est
vidé. Pendant l'échauffement le four est soutenu
sur deux pivots (on peut voir un de ces pivots sur
la fig. I), qui se trouvent fixés légèrement au-
dessus du centre de gravité afin de faciliter la
rotation. Un cable de Jevage permet de basculer
Je foul' pour les opérations de la coulée. La gueule
du four décrit une trajectoire circulaire vers
l'avant tout en s'inclinant vers Ie sol, jusqu'au
moment oil les deux autres supports (que l'on
remarque également sur la fig. 1) vierment reposer
sur les appuis correspóndants. Cette pOSItIOn est
celle du four de droite représenté par la fig. 3. En
tirant davantage sur le cable de levage, le four
tourne sur ces seconds pivots, dont l'axe traverse
l'embouchure. De cette façon Ie point de sortie
de la coulée reste tonjours à la même place et il
n'est pas nécessaire de déplacer la forme durant
les opérations de coulage.
L'installation électrique
La jig. 4 donne un schéma de principe de l'in-
stallation électrique. La tension alternative du
générateur à lampes est abaissée par un trans-
p,S,
c
IS251
Fig, 4. Schéma de principe de l'installation.
formateur à air de 12500 V
eff
à 5000 V
eff•
Un
condensateur eest relié à l'enroulement secondaire

52 REVUE TECHNIQUE PHILIPS TOME 1, N° 2
du transformateur parallèlement à la bobine du
four de manière à former un circuit oscillant
dans lequcl s'écoule Ie courant déwatté de la bobine
d'induction. La self-induction du four est repré-
sentée schématiquement par L et la résistance
par R. La chaleur dissipée dans la résistance R se
compose en fait de celle développée dans la masse
en fusion, des pertes par la résistance ohmique de
la bobine et des pertes diélectriques du condensa-
teur. Le circuit oscillateur du générateur du cou-
rant alternatif est formé par la bobinc L et Ie con-
densateur C eux-mêmes; ainsi il fonctionne con-
stamment SUl' la fréquence. propre du circuit
formé par L et C. Pour cette fréquence le géné-
rateur est chargé par une résistance pure qui serait
traversée inutilement par des courants déwattés.
La valeur de cettc résistance peut être changée en
modifiant la capacité C 6).
Cette faculté est mise à profit pour maintenir
la résistance qui est fonction de la nature et de la
température de la charge du creuset, approxima-
tivement constante durant la fusion. La possibilité
Fig. 5. Transformateur du four à haute fréquence. Enroule-
ment primaire (extérieur ) 12000 volts. Enroulement secon-
daire 5000 volts. A droite on remarque une partie de la bat-
terie de condensateurs.
6) Naturellement il se pro duit alors une variation de la frë-
quence du courant alternatif parcourant la bobine du four.
de faire varier la valeur de la résistance de charge
constitue un grand avantage de la lampe émettrice
SUl'les générateurs mécaniques. En effet afin d'ar-
river à utiliser toute la puissance d'un générateur
Fig. 6. Une moitië de la batterie de condensateurs. Les 72
condensateurs (chacun de 0,083 [lF) sont disposés selon 8
colonnes.
il faut que la résistance de charge ait une valeur
déterminée. Avee un générateur mécanique il est
très difficile d'influencer la résistance de charge
puisque la fréquence est fixe en général. On de-
vrait donc faire varier, en même temps que la
capacité C, la self-induction L de manière que la
fréquence propre
1
f = 2 st V LC
du circuit oscillant soit maintenue constante et
en accord avec la fréquence de la machine.
Sur la fig. 3 on voit à I'arrière plan Ie tableau de
distribution de l'installation émettrice. La porte
portant la mention "Hoogspanning" conduit vel'S
Ie transformateur et la batterie de condensateurs.
Cette batterie comporte 72 éléments de conden-
sateur, chacun de û.Oêê p.F. Uncommutateur permet
de réaliser diverses combinaisons de couplage des
condensateurs. Dans les quatre positions de ce com-
mutateur tournant, la capacité totale possède les
valeurs suivantes:
0,75 flF; 1,5 !-LF; 4,5 flF; 6 !-LF.
Les condensateurs, qui sont employés en I'occu-
rence ont un angle de perte, déterminé par tg Cl
= 0,007. À cause de la haute tension, îls produisent
des pertes diélectriques considérables. Les pertes N
d'un condensateur sont déterminées par
2
N=wCV
eff
V
C 2
tg 0 = I. V
eff
tg Ö

_-.' . FÉVRIER 1936 FOUR ÉLECTRIQUE
A HAUTE FRÉQUENCE 53
Avee les valeurs suivantes:
V
eff
= 5000 volts, C = 6 {LF, L' = .0,09 mI{,
on obtient une perte di~lectrique maximum de
N = 45 kW.
Le tableau No. 1 précise les principales données
du four à haute f!équerice. . r
r .~. .• .~... r . ,. ~ • .' .~ ;
Tableau No. 1. Donn,ées dll;'four à haute frëquence.
• I ,
Capacitë • du conden-j . I;," Fréquence du courant
sateur C .. alternatif "
0,75 IfF 16300~_
à
18000 p.p.s,
i.s
fLF 11600
à
12800
p.p.s:
4,5 fLF 6700.
à
7400 p.p.s.
:'t- ",,!,
6,0 fLF:
, ' 5800 à
6400 p.p.s,
Self-induction de la bobi~e(0,09 à 0,125 mH (elle dépend
de la charl?e. du creus,et.
"I,
5000 Veft'
Tensiori.aux bornes de la ~elf: .
Puiss~nce apparente: '. .".",
Puissance utile totale: . . .
Puissance utile dans l~ creuset: .
max. 6400 kVA
max. 200·kW
130 kW
Les 15 minutes prévues pour le chauffage sont
plus que suffisantes pour la fusion du fer. En tenant
compte d'une perte d'énergie de 30
0/0
par conduc-
"tibilité de chaleur et par rayonnement, la fusion '
"de 50 kg de fer exigera largement 18 kWb. Comme,
.. dans les conditions ,les plus favorables, une puis-
_sarice atteignant largement les 130. kW. se trouve
-amenée au creuset de fusion, on pourrait dans ce
. cas arriver à fondre son contenu eh 8,3' minutes. _
En fait la durée réelle requise pour la fusion est .
• _ C' plus longue;: Malgré cela,. même . lorsque .la
..nature de la charge du éreuset est pe~ propice, ce
temps ne dépasse jamais les 10 à 15 minutes. Dans
Ie cas oû il s'agit de "traitor des métaux do~t là
conductibilité thermique est plus grande que celle
du fer, il va de soi qu'une proportion plus faible
• -,de la puissance totale sera utilisée par la charge
•. 'dans Ie creusen;" par la nature même des phéno-
mènes.
Malgré tout on a pu fondre dans ce four également
~ bien de l'àluminium, du cuivre, . et de l'argent.
Ces résultats semblent à pre.mière vue plutot
surprenants, puisque logiquement on doit s'at-
tendre- à ce qu'une cbarge de copeaux de cuivre
ne puisse être chauffée davantage que la -bobine
.d'induction également en cuivre, pour autant
que le diamètre des _copeaux ne 'soit pas supérieur -
à celui du tube de cuivre dont la bobine est cons-
tituée. Cette constatation fait ressortir la né-.
cessité du refroidissement par eau. Celui-ei main;
tient la résistance de la bobine à une faihle valeur,
alors que la résistance de la masse en fusion s'ac-
croît jusqu'à quatre fois -environ la valeur initiale.
Quelques considérations sur le fonctionnement du
.~o~r à haute' fréquence
~i nous faisonS abstraction, pour le moment,
de l'étude des phénomènes lócaux dans Ie four à
haute fréquence., nous pouyons nous représenter
eet appareil sous la forme d'une .impédance de
charge présentant une self-induction L, et une ré-
sistance R. Nous avo us obtemi de cette manière Ie
schéma d~,là fig. 4. À la fréquence d~ résonance,
les bornes secondaires SI ~t S2 du transformateur
ne sont chargées que par {me rësistance ohmique
W
s.'
Pour une résistance d'amórtissement R
suffisamment faible 7), du circuit oscillant, sa valeur
est
" L
W- CR
Comme nous l?avo~s déjà expliqué, on .choisira
la capacité réglable C de telle façon que la ré-
sistance W
s
se rappr,och'e.le plus possible .de' sa
valeur' optimum. Dan'~::~~' cas présent' cette- valeur _
optimum de W
s
= 121;i9h~s: L~' rési"stànce .êntre
les hornes primaires .::i;llil tr;nsforInat~u-,:." p'st~áiors " _
W p .' W
s
multiplié Ï>:ir I!,' Icab:é ,d~ "ràpp~~·t~;~~•
transformation == 127:'6;25: -'--,720'. ohms, Elle
est done égale à la ré~i&~an~~interne ail~Ja_mp~
• 'i. _".. I• .t. "'1 - ,'" •
émettrice, :,,,;r~. ", . ,'. '.' .' ,.,
Noûs obtiendrons ün'äperçu',u.ri peu plus préçis
du processus d~ développement J~é chaléur dazis,' <
Iefour, si nous co:.?.sidérons la.bobinedu'four' comme .
. :' __ = i :: . ~ ..~. ,'.' f. ....
l'enroulement primaire d'un tráns.foi:má1~ûr '~ont'
l'enroulement se'ëóndairè ..' ~st fo'r~é par le' trajet'
.. -i... ~ • ... • • ".
M ....•.
"0'
"
!."
R2·; •
.:-.
'15254 ", :
Fig: .7, Schéma équivalent du four à haute frëquence. 1; et RI
sont -respectivement la selfinduction: et .la: résistance dè 'Ia
"bobine .du four. L
2
et R
2
sont respectivement la self-induction,
et la. résistance du contenu du creuset. .
M est I'induction mutuelle, .
du courant électrique. dans la éharge de matières ..
traitëee. Le schéma 7' est ainsi ohtenu. Les indiees~
lit - ;,. ~.
1 et 2. se rapportent respectivement à la "bobine
du four 'et au trajet du courant, dans Ie contenu
. . '. .
R2C
') .,~Amortissement faible'~ signifiè que la condition V,, 1<'
«, 1 _est'rèmplie,.
..