FR2961338A1

FR2961338A1 - AIR SMOOTHING COIL FOR HIGH POWER

Info

Publication number: FR2961338A1
Application number: FR1054595A
Authority: FR
Inventors: Joel Devautour; Youssef Ghorbel
Original assignee: Areva T&D SAS
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-12-16
Anticipated expiration: 2030-06-10
Also published as: CA2801515C; ZA201209170B; CA2801515A1; WO2011154422A1; EP2580767B1; FR2961338B1; EP2580767A1; UA107710C2

Abstract

L'invention concerne une bobine d'induction à air (20) pour fortes puissances formée par bobinage de barres creuses en matériau électriquement conducteur. La bobine comprend au moins deux enroulements (21, 22, 23) disposés coaxialement et l'un dans l'autre, les enroulements étant connectés en série de façon à conserver le même sens d'enroulement, la bobine d'induction présentant un rayon moyen A, une demi-section dans un plan comprenant l'axe de la bobine qui est de forme carrée de côté B, de sorte à satisfaire la relation : 2A ≤ 6B ≤ 6A.The invention relates to an air induction coil (20) for high powers formed by winding hollow bars of electrically conductive material. The coil comprises at least two windings (21, 22, 23) arranged coaxially and one inside the other, the windings being connected in series so as to maintain the same winding direction, the induction coil having a radius means A, a half-section in a plane including the axis of the coil which is square-shaped side B, so as to satisfy the relationship: 2A ≤ 6B ≤ 6A.

Description

BOBINE DE LISSAGE A AIR POUR FORTES PUISSANCES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte aux bobines d'induction à air pour fortes puissances. De telles bobines d'induction sont par exemple utilisées pour l'alimentation électrique des fours à arc à courant continu. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les alimentations électriques des fours à arc à courant continu utilisent des bobines d'induction à air présentant des valeurs variant entre 100 pH et 1 mH. Ces bobines peuvent être parcourues par des courants pouvant aller jusqu'à 70 kA. Pour les applications de type four à arc électrique, il est connu d'utiliser des bobines d'induction constituées de solénoïdes monocouches à base carrée ou hexagonale. La figure 1 est un schéma explicatif d'une installation électrique pour four à arc à courant continu. La référence 1 désigne un four à arc contenant un matériau métallique 2 à traiter. Le four 1 est équipé, dans l'exemple représenté, d'une cathode 10 et de deux anodes 11 et 12. Deux circuits d'alimentation électrique sont représentés. Un premier circuit comprend un dispositif redresseur à thyristors 3 dont la sortie est branchée entre la cathode 10 et l'anode 11 à travers une bobine d'induction L. Un deuxième 2 circuit comprend un dispositif redresseur à thyristors 4 dont la sortie est branchée entre la cathode 10 et l'anode 12 à travers une bobine d'induction L2. Les bobines L1 et L2 sont des bobines à air de forte puissance. L'augmentation de la puissance des fours à arc électrique installés ces dernières années a provoqué l'augmentation de la valeur du courant continu à fournir et aussi l'augmentation de la valeur des bobines d'induction à air. Ceci conduit à des bobines énormes et implique des pertes Joule importantes. Ces bobines d'induction sont en outre très encombrantes. Elles posent donc divers problèmes relatifs à leur installation, leur montage, leur refroidissement ... TECHNICAL FIELD The invention relates to air induction coils for high power. Such induction coils are for example used for the power supply of DC arc furnaces. STATE OF THE PRIOR ART The power supplies of DC arc furnaces use air induction coils having values varying between 100 pH and 1 mH. These coils can be traversed by currents up to 70 kA. For electric arc furnace type applications, it is known to use induction coils consisting of monolayer solenoids with a square or hexagonal base. Figure 1 is an explanatory diagram of an electrical installation for DC arc furnace. Reference 1 designates an arc furnace containing a metallic material 2 to be treated. The oven 1 is equipped, in the example shown, with a cathode 10 and two anodes 11 and 12. Two power supply circuits are shown. A first circuit comprises a thyristor rectifier device 3 whose output is connected between the cathode 10 and the anode 11 through an induction coil L. A second circuit 2 comprises a thyristor rectifier device 4 whose output is connected between the cathode 10 and the anode 12 through an induction coil L2. The coils L1 and L2 are high-power air coils. The increase in the power of the electric arc furnaces installed in recent years has caused the increase of the value of the direct current to be supplied and also the increase of the value of the air induction coils. This leads to huge coils and involves significant Joule losses. These induction coils are also very bulky. They therefore pose various problems relating to their installation, assembly, cooling ...

EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a été réalisée pour optimiser les bobines d'induction de fortes puissances afin de réduire notamment leur encombrement et les pertes Joule qu'elles provoquent. L'invention a pour objet une bobine d'induction à air pour fortes puissances formée par bobinage de barres creuses en matériau électriquement conducteur, caractérisé en ce qu'elle comprend au moins deux enroulements disposés coaxialement et l'un dans l'autre, les enroulements étant connectés en série de façon à conserver le même sens d'enroulement, la bobine d'induction présentant un rayon moyen A, une demi-section dans un plan comprenant l'axe de la bobine qui est de forme carrée de côté B, de sorte à satisfaire la relation : A < 6B < 6A. Avantageusement, les enroulements sont constitués de spires polygonales, par exemple de spires hexagonales. PRESENTATION OF THE INVENTION The present invention has been made to optimize the induction coils of high power in order to reduce in particular their bulk and the Joule losses that they cause. The invention relates to an air induction coil for high powers formed by winding hollow bars of electrically conductive material, characterized in that it comprises at least two windings arranged coaxially and one in the other, the windings being connected in series so as to maintain the same winding direction, the induction coil having a mean radius A, a half-section in a plane comprising the axis of the coil which is square-shaped with a side B, so as to satisfy the relation: A <6B <6A. Advantageously, the windings consist of polygonal turns, for example hexagonal turns.

Les barres creuses peuvent être en aluminium ou en cuivre. Les barres creuses formant des canaux pour la circulation d'un fluide de refroidissement, chaque enroulement peut posséder son propre circuit de refroidissement pour diminuer les pertes en charge. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1, déjà décrite, est un schéma explicatif d'une installation électrique pour four à arc à courant continu, selon l'art connu, - la figure 2 est une vue en coupe d'une bobine d'induction, la coupe étant faite dans un plan comprenant l'axe de la bobine, selon la présente invention. The hollow bars may be aluminum or copper. The hollow bars forming channels for the circulation of a cooling fluid, each winding can have its own cooling circuit to reduce the losses in load. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be better understood and other advantages and particularities will appear on reading the following description, given by way of non-limiting example, accompanied by the appended figures among which: FIG. 1, already described, is an explanatory diagram of an electrical installation for DC arc furnace, according to the known art, - Figure 2 is a sectional view of an induction coil, the section being made in a plane comprising the axis of the coil, according to the present invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée qui est à la base de la présente invention consiste à emboîter des enroulements (ou bobines élémentaires) les uns dans les autres pour 3 4 constituer une bobine globale tout en essayant de se rapprocher du modèle de Brooks. Le modèle de Brooks a été proposé en 1931 pour optimiser des bobines multicouches, à base de spires circulaires, réalisées avec du fil. La bobine d'induction à air de la présente invention est réalisée à partir de barres creuses de forte section (typiquement de l'ordre de 20 000 mm2). Pour une spire de la bobine, la forme optimale est la forme circulaire. Cette forme n'est pas exclue de la présente invention, cependant une telle géométrie est difficile à réaliser avec des barres de forte section. On préférera donc une spire de base de forme polygonale constituée de barres droites mises bout à bout et soudées selon un angle correspondant au polygone choisi. Une spire de forme carrée est simple à réaliser mais n'est pas optimale. L'hexagone est plus proche du cercle et pas trop complexe d'un point de vue industriel. Il présente en outre l'avantage de réduire les efforts électromagnétiques dans les angles. On pourrait envisager des spires de formes plus compliquées, comme l'octogone par exemple. Cependant, le coût de fabrication serait alors plus élevé à cause du nombre accru de soudures. DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS The idea underlying the present invention consists in fitting windings (or elementary coils) into each other in order to constitute a global coil while trying to get closer to the model of Brooks. The Brooks model was proposed in 1931 to optimize multilayer coils, based on circular turns, made with wire. The air induction coil of the present invention is made from hollow bars of high section (typically of the order of 20 000 mm 2). For a turn of the coil, the optimal shape is the circular shape. This form is not excluded from the present invention, however such geometry is difficult to achieve with bars of large section. We therefore prefer a base turn of polygonal shape consisting of straight bars placed end to end and welded at an angle corresponding to the chosen polygon. A square shaped coil is simple to make but is not optimal. The hexagon is closer to the circle and not too complex from an industrial point of view. It also has the advantage of reducing the electromagnetic forces in the corners. We could consider spirals of more complicated shapes, such as the octagon for example. However, the manufacturing cost would be higher because of the increased number of welds.

La réalisation d'une simple bobine de type solénoïde ne permet pas de respecter les facteurs de forme du modèle de Brooks de manière à répondre à l'équation 2A = 3C (A étant le rayon moyen de la bobine et C le côté du carré constituant la demi-section de la bobine dans le plan contenant son axe). En effet, cela nécessiterait d'utiliser des profilés de section très aplatie qui sont difficiles à réaliser industriellement. Les bobines de type solénoïde, lorsqu'elles sont réalisées en profilés (ou barres) refroidis par des canaux, sont alors très hautes et de 5 grands diamètres. Le fait d'emboîter des bobines élémentaires (ou enroulements) les unes dans les autres et de les brancher en série, selon la présente invention, permet théoriquement de parvenir au modèle de Brooks (2A = 3C comme indiqué ci-dessus). Dans la pratique, on peut se satisfaire de la relation : 3A < 6B < 5A. Les barres conductrices utilisées sont par exemple en aluminium extrudé. On pourrait également utiliser le cuivre, ou un autre matériau électriquement conducteur. Les barres étant creuses, l'intérieur forme des canaux permettant la circulation d'un fluide de refroidissement. La bobine selon l'invention peut avoir un seul circuit de refroidissement commun à chaque enroulement. Cependant, de meilleurs résultats sont obtenus si chaque enroulement possède son propre circuit de refroidissement. Les circuits de refroidissement sont alors mis en parallèle. Le bobinage peut se faire du haut vers le bas, ou de l'intérieur vers l'extérieur, ou encore par une autre méthode. L'important est de conserver le même sens de bobinage pour les enroulements. La figure 2 est une vue en coupe d'une bobine d'induction selon la présente invention, la coupe étant faite dans un plan comprenant l'axe de la bobine.The realization of a simple solenoid-type coil does not allow to respect the form factors of the Brooks model so as to answer the equation 2A = 3C (A being the mean radius of the coil and C the side of the square constituting the half-section of the coil in the plane containing its axis). Indeed, this would require the use of very flat section sections that are difficult to achieve industrially. The solenoid type coils, when they are made of profiles (or bars) cooled by channels, are then very high and large diameters. The fact of fitting elementary coils (or windings) into one another and connecting them in series, according to the present invention theoretically makes it possible to arrive at the Brooks model (2A = 3C as indicated above). In practice, one can be satisfied with the relation: 3A <6B <5A. The conductive bars used are for example extruded aluminum. One could also use copper, or another electrically conductive material. The bars being hollow, the inside forms channels allowing the circulation of a cooling fluid. The coil according to the invention may have a single cooling circuit common to each winding. However, better results are obtained if each winding has its own cooling circuit. The cooling circuits are then connected in parallel. The winding can be from the top down, or from the inside to the outside, or by another method. The important thing is to keep the same winding direction for the windings. Figure 2 is a sectional view of an induction coil according to the present invention, the section being made in a plane comprising the axis of the coil.

6 La bobine d'induction 20 comprend, dans cet exemple de mise en oeuvre, trois enroulements coaxiaux : un enroulement extérieur 21, un enroulement central 22 et un enroulement intérieur 23. Chaque enroulement comprend, dans cet exemple, cinq spires de forme polygonale (par exemple hexagonale). La demi-section 24 de la bobine présente une hauteur B et une largeur C. Elle est située à une distance moyenne A de l'axe de la bobine. Des cales en matériau électriquement isolant sont prévues dans la bobine pour supporter les spires des enroulements et pour séparer les enroulements entre eux. Pour satisfaire le modèle de Brooks, on fait en sorte que B = C, c'est-à-dire que la demi- section 24 est un carré. De même, on choisira A et B de sorte que 3A < 6B < 5A. Pour une bobine d'inductance selon la présente invention, on constate, par rapport à une bobine de l'art antérieur constituée d'un simple solénoïde, de même valeur d'inductance et de même section de barre, une réduction de 40% du poids de la bobine, 25% de pertes Joules en moins et une hauteur réduite de trois fois.25 The induction coil 20 comprises, in this embodiment, three coaxial windings: an outer winding 21, a central winding 22 and an inner winding 23. Each winding comprises, in this example, five polygonal windings ( for example hexagonal). The half-section 24 of the coil has a height B and a width C. It is located at a mean distance A from the axis of the coil. Shims of electrically insulating material are provided in the coil to support the turns of the windings and to separate the windings from each other. To satisfy the Brooks model, we make B = C, that is, the half-section 24 is a square. Likewise, we will choose A and B so that 3A <6B <5A. For an inductance coil according to the present invention, compared to a coil of the prior art consisting of a single solenoid, of the same inductance value and of the same rod section, a reduction of 40% of coil weight, 25% less Joule losses and a reduced height of three times.25

Claims

REVENDICATIONS1. High-power air induction coil (20) formed by winding hollow bars of electrically conductive material, characterized in that it comprises at least two windings (21, 22, 23) arranged coaxially and one in the other, the windings being connected in series so as to maintain the same direction of winding, the induction coil having a mean radius A, a half-section (24) in a plane comprising the axis of the coil which is square shape of side B, so as to satisfy the relation: 2A <6B <6A.

2. Induction coil according to claim 1, wherein the windings consist of polygonal turns.

An induction coil according to claim 2, wherein the windings consist of hexagonal turns.

An induction coil according to any one of claims 1 to 3, wherein the hollow bars are aluminum or copper.

5. An induction coil according to any one of claims 1 to 4, wherein the coil comprises three windings (21, 22, 23), each winding having five turns. 8

6. An induction coil according to any one of claims 1 to 5, wherein the hollow bars forming channels for the circulation of a cooling fluid, each winding has its own cooling circuit.