Four électrique de poterie
Sommaire
Présentation générale du four électrique de poterie (état actuel)
Dans son état actuel, le four est équipé de 5 résistances couplées en séries (deux de chaque côté et une en bas du four qui permet une bonne distribution de la chaleur).
Cette situation ne correspond plus à la conception réalisée par le constructeur de départ, elle résulte probablement de réparations effectuées au cours du temps. Le constructeur avait prévu initialement deux résistances dans la partie basse du four,l’une d’elle étant cassée elle a été court-circuitée par un simple bout de fil. La deuxième résistance de cette partie basse est cassée. C’est une résistance boudinée de 2,8 mm de diamètre et de 4 longueurs de 28 cm (112 cm au total).
Du côté gauche, les résistances sont plus courtes, elles ne sont pas bien placées dans leurs logements.
Nous avons aussi remarqué pendant notre travail que quatre autres résistances doivent être changées pour améliorer la fonctionnalité du four et ajuster la vitesse de l’échauffement de ce dernier sans dépasser la puissance du four qui est de 5KW.
Essai du fonctionnement
Le four de poterie est un appareil destiné à la cuisson d'objets manufacturés (poteries, céramiques...). Le principe de fonctionnement du four est simple : l'objet à cuire y est enfermé pour être soumis à la chaleur interne du four. Cette chaleur provient de l’échauffement des résistances présentes aux parois intérieures du four. La chaleur à l'intérieur du four est répartie par forçage naturel.
Nous avons un four de poterie de pente réglable, de puissance 5KW (220V-32A) et qui monte jusqu’à 1300°.
Lors de l’essai,nous remarquons une anomalie dans les raccordements électriques : présence des étincelles dans le raccordement des résistances.
Aussi, on a remarqué que la température est non réglable dans le four. Cela est dû à un problème de régulation. Dès qu’il est allumé, la température croit linéairement, et cela peut en traîner la destruction de quelques composants dans le four. C’est un four tout ou rien.
Après cet essai, nous pouvons tirer deux conclusions sur les problèmes dans le four :
- Un problème de résistances :
- Anomalie.
- court-circuit.
- Étincelles.
- Un problème de régulation :
- Four tout ou rien.
- Pente non réglable.
- Absence de régulation dans le four. (=> cela pourrai impliquer la destruction de la majorité des composants du four).
Etude du câblage du four
Etude des résistances
Mesure des résistances sous-alimentation
En alimentant le four on remarque que :
- Les deux premières résistances qui chauffent le plus sont celles qui sont en haut de chaque côté.
- Le four se refroidit très vite.
- On peut modifier la vitesse de l’échauffement du four en changeant la pente à l’aide du premier bouton.
- En faisant les mesures, on obtient :
On mesure le courant i et les tensions u aux bornes de chaque résistance et on déduit leurs valeurs :
R5=R1=U1/i=59/32=1,84Ω
R2=U2/i=47/32=1,46 Ω
R3=U3/i=37/32=1,15 Ω
R4=U4/i=24/32=0,75 Ω
Mesure des résistances hors alimentation (mesure à l'ohmmètre)
Le four est non alimenté, avec l’ohmmètre on mesure les valeurs des résistances, on trouve :
R1= 2 ohm
R2= 1,64 ohm
R3= 159,5 mohm
R4= 0,89 ohm
R5= 1,93 ohm
Comparaison des résultats
On obtient les mêmes résistances sauf pour R3 où on trouve à l’aide de l’ohmmètre R3 = 159,5 mohm. (Les mesures à l’ohmmètre ne sont pas précises pour un four de grande puissance comme le nôtre).
On garde la valeur la plus cohérente, c’est à dire celle qu’on a calculé quand le four est alimenté R3=1,15 ohm.
La résistance totale mesurée du four est :
Rtot= R1 + R2 + R3 + R4 + R5 = 1,84 + 1,46 + 1,15 + 0,75 + 1,84=7,04 ohm
La tension totale mesurée du four est :
Utot= U1 + U2 + U3 + U4 + U5 = 59 + 47 + 37 + 24 + 59 = 226V
On va donc vérifier si la puissance calculé du four est cohérente avec les données du constructeur :
P=(Utot)²/Rtot = (226)²/7,04 = 7.25kw
Remarque:
En comparant les résultats avec ceux des données du constructeur, on trouve que la puissance est largement supérieure de 5KW, cette puissance excessive peut entraîner une destruction des résistances à moyen terme, elles ne sont pas conçues pour absorber une telle intensité.
Solution de rénovation des résistances
Remplacement des résistances par une association de résistances en série
La première solution est de remplacer les 6 résistances en les associant en série en respectant les paramètres suivants :
- 6 longueurs de 1.20m
- Un diamètre de fil de 2.8mm
- Un diamètre de spire de 1.6cm
Nous avons choisi de changer toutes les résistances pour améliorer au plus le fonctionnement du four à fin qu’il puisse tenir plus longtemps. On aura donc le schéma de résistances suivant :
Coût : 65,35*6= 392,1 euros hors taxes.
Prédiction du branchement des résistances (vue du dos du four) :
Remplacement des résistances par une association de résistances en parallèle
On peut aussi opter pour cette solution qui nous amènera aux mêmes résultats, mais le prix des résistances sera moins élevé.
Dans ce cas, on fera 3 groupes : deux résistances dans chacun des trois côtés du four mais on utilisera un fil plus petit.
Coût: 47,30*6= 283,8 euros hors taxes.
Prédiction du branchement des résistances (vue du dos du four) :
Remarque:
On rappelle que les résistances que nous avons décidé de placer sur le four (photos) seront mises à l’intérieur du four. Ces photos sont faites pour expliquer le branchement que nous voulons faire.
Régulation du four
Définition de la régulation de température
La régulation de température permet de programmer plusieurs valeurs de température pendant des périodes précises en fonction du besoin de cuisson de la céramique. Le relais statique réalise une fonction d’interfaçage entre un circuit de commande et un circuit de puissance alternatif ou continu connecté à des charges de forte puissance.
Solution proposée pour une bonne régulation dans notre four
Dans notre four, et après plusieurs essais, on a remarqué que les boutons qui contrôlent le four ne fonctionnent pas comme il faut. Ce qui veut dire que quand le four est allumé,nous ne pouvons pas régler la température. Cette dernière n’arrête pas de monter et cela peut entraîner la destruction des composants du four. On a donc un problème de régulation dans le four. C’est un four tout ou rien.
On peut donc dessiner la courbe correspondante à la température en fonction du temps dans notre four :
Pour une bonne régulation de température dans un four de poterie, nous devons avoir une courbe qui se stabilise dans différentes températures pendant plusieurs périodes selon la volonté de l’utilisateur en réglant la pente et la température souhaité.
Cette courbe est comme la suivante:
Pour modifier la régulation, on doit avoir un nouveau régulateur de température qui fonctionnera avec un programme, où nous pourrons entrer la consigne voulue (température, pente…) et qui sera lié à un PWM qui générera la puissance suffisante pour faire marcher le four dans de bonnes conditions comme nous le souhaitons.
Nous résumons la logique suivie dans le schéma suivant :
Choix des composants
Après avoir étudié la régulation dans notre four électrique,et après avoir contacté la société D3E qui propose des systèmes de régulation, nous avons opté pour les composants suivants :
- Régulateur de température - Alimentation 230VAC – Sortie statique : E5CCQX3A5M000 180,00 € H.T.
Caractéristiques:
- Relais statique – 40A – G3NA240BUTUDC524 52,20 € H.T.
Caractéristiques:
