Le chauffage par induction : tout ce que vous avez toujours voulu savoir sans jamais oser le demander (février 2018)
Question du mois : Nousprévoyons d'utiliser l'induction pour chauffer des matériaux métalliques composites avant le soudage par diffusion. Y a-t-il un risque de bruit excessif ? Avez-vous constaté que certaines fréquences génèrent plus de bruit que d'autres ? Si oui, disposez-vous d'une solution pour limiter le niveau sonore ?
Réponse : Dansla grande majorité des applications de chauffage par induction, le bruit industriel n’atteint pas un niveau notable. Il n’y a donc aucune raison de s’inquiéter d’un bruit excessif, bien qu’il existe quelques exceptions. Les basses fréquences entraînent généralement un courant de bobine plus élevé, ce qui augmente les forces électromagnétiques et les vibrations des spires de la bobine. Il est donc raisonnable de s'attendre à ce qu'un système fonctionnant à la fréquence du réseau (60 Hz) génère un bruit industriel plus important qu'un système fonctionnant à 3 kHz ou 30 kHz. De plus, les systèmes d'une puissance en kW plus élevée sont très probablement également associés à un niveau de bruit plus important. Par conséquent, à conditions égales, un système de 500 kW peut produire davantage de bruit qu'un système de 100 kW.
Lorsqu'on aborde la question du bruit audible, il faut garder à l'esprit les deux principaux facteurs qui déterminent l'impact du bruit industriel sur l'être humain : l'intensité et le niveau de gêne ou d'inconfort. Par exemple, un bruit audible à basse fréquence (par exemple, 50 à 60 Hz) peut présenter une intensité plus élevée, mais il n'est pas forcément aussi désagréable à l'oreille humaine qu'un bruit de moindre intensité mais à fréquence plus élevée (par exemple, 1 kHz).
Voici les quatre principales sources de bruit générées lors du chauffage par induction :
- Bruit généré par l'alimentation électrique.Il existe de nombreux modèlesd'alimentations électriques sur le marché. Pour le chauffage par induction, les combinaisons de puissance et de fréquence utilisant des onduleurs à module unique varient de la fréquence du réseau à plusieurs centaines de kHz, avec des niveaux de puissance dépassant 1 000 kW, même pour une fréquence de l'ordre de 800 kHz. Les caractéristiques de conception des sources d'alimentation modernes, basées sur la technologie des semi-conducteurs, permettent un fonctionnement quasi silencieux. Par conséquent, le bruit provenant de l'alimentation électrique ne constitue généralement pas un problème.
- Bruit généré par les vibrations des spires d’un bobinage en cuivre.Les deux principales méthodes de fabrication des bobines d’induction peuvent être classées en deux catégories : les bobines à enroulement ouvert et celles enrobées dans un matériau réfractaire [Réf. 1]. La méthode à enroulement ouvert facilite les réparations en cas de défaillance, mais les spires doivent être fixées à l’aide de goujons et de dispositifs de fixation adaptés afin d’éliminer ou de réduire au minimum les vibrations et le bruit. Une bobine enrobée utilisant un matériau réfractaire coulable (par exemple, des ciments de qualité spéciale) offre une meilleure durabilité et une durée de vie plus longue, tout en éliminant ou en réduisant considérablement les vibrations des spires de cuivre de la bobine. Des bobines d'induction correctement conçues ne présentent pas de niveaux de bruit problématiques.
- Bruit généré par les vibrations de la pièce ou par des ondes sonores en résonance (effet d'amplification).Si une pièce est composée d'éléments mobiles, ceux-ci peuvent vibrer et produire du bruit. Pour évaluer cette possibilité, il faudrait examiner la géométrie spécifique de la pièce. Dans certaines applications de soudage par diffusion, une pression peut être appliquée afin de minimiser le risque de vibrations des composants individuels. Lors du chauffage par induction de pièces creuses (par exemple, le chauffage par induction de tuyaux ou de tubes à paroi relativement mince), certaines fréquences, combinées à des densités de puissance suffisamment élevées, peuvent émettre des ondes sonores de résonance d’une amplitude appréciable, dépassant la limite audible. Dans de tels cas, le bruit audible peut également constituer un facteur déterminant qui influe considérablement sur le choix de la fréquence. Chaque tube possède sa propre fréquence de résonance structurelle (SRF), qui dépend du diamètre, de l’épaisseur de paroi, du matériau, de la longueur et d’autres facteurs. Lorsque la fréquence de chauffage de la bobine d’induction est suffisamment proche de la fréquence de résonance propre du tube, des vibrations de forte amplitude et un bruit audible excessif peuvent se produire. En d’autres termes, tout comme un récepteur radio transforme les ondes électromagnétiques en un son audible, des mécanismes quelque peu similaires peuvent se produire et amener un tube ou un tuyau à agir comme un amplificateur lorsqu’il est exposé à certaines fréquences. La décision de savoir si le bruit pourrait être réduit en choisissant une fréquence différente (supérieure ou inférieure) dépend à la fois de la fréquence de résonance propre (SRF) d’une pièce tubulaire donnée et de la fréquence appliquée par le dispositif de chauffage par induction. Par conséquent, dans de tels cas, il est utile de mesurer la SRF de la pièce en la frappant simplement avec un marteau et en mesurant le bruit de résonance audible à l’aide d’un récepteur acoustique capable de détecter la fréquence et l’amplitude du signal mesuré. Cela permet ainsi de prendre des décisions plus éclairées pour déterminer si une certaine fréquence améliorerait ou non le niveau de bruit par rapport à une fréquence produisant un bruit inacceptable. Par exemple, si la SRF d’une pièce donnée est de 300 Hz, plus la fréquence choisie s’en éloigne, plus le bruit produit sera faible. Dans ce cas, une fréquence de 6 kHz produirait un bruit nettement plus faible qu’une fréquence de 1 kHz. À l’inverse, si la SRF est de 5 kHz, l’utilisation d’une fréquence de 6 kHz aggravera la situation par rapport à une fréquence de 500 Hz. Souvent, une atmosphère protectrice ou réductrice est utilisée lors du chauffage de matériaux métalliques. Par conséquent, si votre système d’induction est installé à l’intérieur d’une chambre ou d’une enceinte étanche aux gaz, cela réduira considérablement le niveau sonore.
- Bruit généré par les vibrations des câbles d'alimentation, des barres omnibus et des luminaires. Lerisque d'utiliser des luminaires, des câbles d'alimentation et des barres omnibus de conception inadaptée esttrès faible. Toutefois, tout doute peut être levé par un expert en chauffage par induction.
Pour plus de détails sur ces points, voir la référence n° 1.
Dr Valery Rudnev, FASM
Directeur, Science et Technologie
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com
Référence
- V. Rudnev, D. Loveless et R. Cook, *Handbook of Induction Heating*, 2e édition, CRC Press, 2017.