Éjection électromagnétique : modèle et réalisation - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2022

Magnetic separation : modeling and realisation

Éjection électromagnétique : modèle et réalisation

Abstract

This thesis focuses on the subject of electromagnetic ejection applied in the context of the metal recycling industry. The aim of this thesis is the modeling and the development of an architecture of energy conversion allowing the realization of this ejection. The generated variable magnetic field is used to separate non-ferromagnetic metallic materials such as aluminum or copper from a waste stream by means of a Laplace force generated by the conjunction between the magnetic field created and the magnetic field induced by the eddy currents in the conductive materials.The developed architecture is composed of several elements: a rectifier, an inverter and an inductor. The rectifier part with a wide operating range connected to the three-phase grid network allows to obtain an adjustable DC voltage and ensures a sinusoidal current in phase with the voltage. The inverter part allows to control the transferred power, by adjusting the amplitude and frequency of the current flowing through the last part of the system represented by the inductor, responsible for the generation of the variable magnetic field.The rectifier is based on the classical Buck rectifier structure because of the low impedance of the inductor used. Although this structure allows to lower the three-phase grid voltage, its operating range can be easily increased without the addition of passive components. The classical control of this rectifier is based only on its output variables which can lead to uncontrolled oscillations caused by the resonance of the lightly damped input LC filter excited by the harmonics generated by the switching of transistors. In this thesis, we proposed a new control method that deals with both its input and output variables and that allows both to control the oscillations of the input LC filter while obtaining a better dynamic response when the system is subjected to a load step. This control method is based on the flatness properties of differential systems, so it does not depend on the operating point and guarantees the large signal stability of the system.The single-phase inverter is based on a full bridge structure allowing the application of three voltage levels and a wide choice of control of the amplitude, shape and frequency of the current flowing through the inductor. Different controls of this converter have been studied and compared. These allow to vary the power injected in the inductor, have an impact on the harmonic content of the current flowing through it and on the constraints of the different components of the system.A modeling of the inductor as well as an estimation of the value of the magnetic field necessary for the ejection is carried out. The different methods proposed are verified by numerical simulations but also by experimental tests performed on the whole system.
Cette thèse se concentre sur la thématique de l'éjection électromagnétique appliquée dans le cadre de l'industrie du recyclage des métaux. L'objectif de celle-ci est la modélisation et la réalisation d'une architecture de conversion d'énergie permettant la réalisation de cette éjection. Le champ magnétique variable généré est utilisé afin de séparer d'un flux de déchets les matériaux métalliques non ferromagnétique tel que l'aluminium ou le cuivre par le biais d'une force de Laplace engendrée par la conjonction entre le champ magnétique crée et le champ magnétique induit par les courants de Foucault dans les matériaux conducteurs. L'architecture développée se compose de plusieurs éléments: un redresseur, un onduleur et un inducteur. La partie redresseur, à large plage de fonctionnement connectée sur le réseau d'alimentation triphasée permet d'obtenir une tension continu réglable et assure un prélèvement sinusoïdale de courant en phase avec la tension. La partie onduleur, permet de contrôler la puissance transmise, en adaptant l'amplitude et la fréquence du courant traversant la dernière partie du système que forme l'inducteur, responsable de la création du champ magnétique alternatif. Le choix du redresseur s'est porté sur la structure classique du redresseur abaisseur de tension de type Buck en raison de la faible impédance de l'inducteur utilisé. Bien que cette structure permette d'abaisser la tension triphasée, sa plage de fonctionnement peut être facilement augmentée sans l'ajout de composant passif. Le contrôle classique de ce redresseur ne se base que sur ses grandeurs de sorties ce qui peut engendrer des oscillations non contrôlées causées par la mise en résonance du filtre LC d'entrée excité par les harmoniques générés par les commutations des transistors. Nous avons proposé dans cette thèse une nouvelle méthode de contrôle qui traite à la fois de ses grandeurs d'entrée et de sortie et qui permet de contrôler les éventuelles oscillations du filtre LC d'entrée tout en bénéficiant d'une meilleure réponse dynamique lorsque le système est soumis à un échelon de charge. Cette méthode de contrôle se base sur les propriétés de platitude des systèmes différentielles, ainsi elle ne dépend pas du point de fonctionnement et garantit la stabilité large signal du système. Le choix de l'onduleur monophasé s'est porté sur une structure en pont complet permettant l'application de trois niveaux de tension et un large choix de contrôle de l'amplitude, de la forme et de la fréquence du courant traversant l'inducteur. Différents contrôle de ce convertisseur ont été étudiés et comparés. Ceux-ci permettent de faire varier la puissance injectée dans l'inducteur, ont un impact sur le contenu harmonique du courant le traversant et sur les contraintes des différents composants du système. Une modélisation de l'inducteur ainsi qu'une estimation de la valeur du champ magnétique nécessaire à l'éjection est effectuée. Les différentes méthodes proposées sont validées par des résultats de simulations numérique mais également par le biais de tests expérimentaux réalisés sur le système complet.
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Dates and versions

tel-03844857 , version 1 (09-11-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03844857 , version 1

Cite

Quentin Combe. Éjection électromagnétique : modèle et réalisation. Electromagnétisme. Université de Lorraine, 2022. Français. ⟨NNT : 2022LORR0107⟩. ⟨tel-03844857⟩
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