BR102017005401A2

BR102017005401A2 - equipamento elétrico/eletrônico de controle do aquecimento de peças metálicas

Info

Publication number: BR102017005401A2
Application number: BR102017005401A
Authority: BR
Inventors: Sportelli Pietro
Original assignee: Aethra Sist Automotivos S/A
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2018-10-30
Also published as: AR110866A1; UY37536A; HUE048681T2; ES2770758T3; RS59877B1; DK3376824T3; AU2017204166A1; PT3376824T; PL3376824T3; EP3376824A1; CA2983555A1; MX2017009460A; HRP20200162T1; JP2018157741A; EP3376824B1

Abstract

equipamento elétrico/eletrônico de controle do aquecimento de peças metálicas compreende a presente patente de invenção um equipamento elétrico/eletroeletrônico para aquecimento de peças (1) composto pelas seguintes partes: controlador (?driver?) de potência ajustável (2); controlador de aquecimento e aquisição de dados (3); transformador de potência (4) controlador de potência ajustável este, que gera uma tensão e freqüência, que tanto pode ser trifásicas e/ou monofásicas ajustáveis, através dos diversos parâmetros conhecidos, com a finalidade de controlar o processo de aquecimento. controlador de aquecimento e aquisição de dados este, que é um dispositivo microprocessado contendo: entradas (31), na forma de sensores (32); unidade de processamento (33), saídas (34); e ihm (35) (?interface homem máquina?). transformador de potência (4) este, contendo características específicas, sendo o enrolamento do secundário (41) diferente do primário (42), sendo resfriado através de cavidades extrudadas no núcleo do secundário (41), por onde circula água refrigerada (43).

Description

(54) Título: EQUIPAMENTO

ELÉTRICO/ELETRÔNICO DE CONTROLE DO AQUECIMENTO DE PEÇAS METÁLICAS (51) Int. Cl.: H05B 3/56; B29C 53/06 (73) Titular(es): AETHRA SISTEMAS

AUTOMOTIVOS S/A (72) Inventor(es): PIETRO SPORTELLI (85) Data do Início da Fase Nacional:

16/03/2017 (57) Resumo: EQUIPAMENTO

ELÉTRICO/ELETRÔNICO DE CONTROLE DO AQUECIMENTO DE PEÇAS METÁLICAS Compreende a presente patente de invenção um equipamento elétrico/eletroeletrônico para aquecimento de peças (1) composto pelas seguintes partes: controlador (?driver?) de potência ajustável (2); controlador de aquecimento e aquisição de dados (3); transformador de potência (4) Controlador de potência ajustável este, que gera uma tensão e freqüência, que tanto pode ser trifásicas e/ou monofásicas ajustáveis, através dos diversos parâmetros conhecidos, com a finalidade de controlar o processo de aquecimento. Controlador de aquecimento e aquisição de dados este, que é um dispositivo microprocessado contendo: entradas (31), na forma de sensores (32); unidade de processamento (33), saídas (34); e IHM (35) (? Interface Homem Máquina?). Transformador de potência (4) este, contendo características específicas, sendo o enrolamento do secundário (41) diferente do primário (42), sendo resfriado através de cavidades extrudadas no núcleo do secundário (41), por onde circula água refrigerada (43).

1/7 “EQUIPAMENTO ELÉTRICO/ELETRÔNICO DE CONTROLE DO AQUECIMENTO DE PEÇAS METÁLICAS”

001-Refere-se a presente patente de invenção, que diz respeito à indústria de transformação, a um equipamento elétrico/eletrônico que permite o aquecimento de peças metálicas pelo efeito Joule com segurança e praticidade.

002- A corrente elétrica ao atravessar um condutor provoca um aumento de temperatura que pode ser calculada pela “Lei de Joule”, também conhecida como efeito Joule ou efeito térmico, em homenagem a James Prescott Joule (1818-1889 que estudou o fenômeno em 1840). Esta lei física expressa à relação entre o calor gerado e a corrente elétrica que percorre um condutor em um determinado tempo. Por exemplo: um resistor é um dispositivo que transforma, pela passagem da corrente, a energia elétrica integralmente em calor.

003- No atual estado da técnica a utilização do efeito joule na indústria praticamente se resume na fabricação de diversos aparelhos elétricos, tais como lâmpadas e fusíveis onde a lei de joule, juntamente com outras Leis físicas, permite calcular as dimensões adequadas para o correto funcionamento destes dispositivos.

004- Esse fenômeno com larga utilização na indústria de aparelhos eletrodomésticos serve de base para produção, por exemplo: de equipamentos de aquecimento do tipo ferro elétrico, chuveiro elétrico, prancha alisadora, forno elétrico, etc., sendo todos esses equipamentos compostos basicamente por uma resistência elétrica que, ao ser percorrida pela corrente elétrica, é aquecida transformando energia elétrica em térmica, ou seja, calor. Outra aplicação prática do efeito joule no cotidiano está nas lâmpadas incandescentes, criada no século XIX

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2/7 pelo inventor Thomas Edison. Esta lâmpada possui em seu interior um filamento de tungstênio, um metal com ponto de fusão muito elevado, que ao ser percorrido pela corrente elétrica se aquece, podendo chegar a temperaturas de 2500 Ό, tornando-se incandescent es e emitindo luz.

005- Na indústria, este efeito também é utilizado na soldagem de peças metálicas, onde a corrente elétrica (através do efeito Joule) aquece um ponto entre duas chapas até o ponto de fusão dos metais soldando os dois; bem como na produção de fusíveis, que são dispositivos constituídos por um filamento metálico de baixo ponto de fusão utilizado para proteger um circuito elétrico, porque interrompe a corrente elétrica quando esta ultrapassa um determinado valor. Estes aparelhos, utilizados como limitadores da corrente elétrica que passa em um circuito elétrico podem ser encontrados em veículos automotivos, residências, aparelhos elétricos, etc.

006- Contudo, a lei de joule é pouco utilizada na indústria, resumindo, praticamente esta utilização, na produção de calor em fornos industriais e não no aquecimento de peças metálicas para tratamento térmico, devido aos seus inconvenientes perigosos. E isto se deve, em grande parte, porque a aplicação da energia elétrica na produção de calor corresponde a perdas e em algumas situações origem de danos mais ou menos graves, notadamente quando se verifica curto-circuito ou mau contato. Sendo necessário neste caso utilizar condutores devidamente calibrados, para suportar a corrente, bem como prever as proteções e isolamentos convenientes, além de sistemas eficientes de controle da corrente, coisa difícil de ser realizada.

007-A presente patente, neste sentido, apresenta um equipamento que amplia o leque de utilização da lei de Joule permitindo sua utilização no aquecimento direto de peças de metal para estampagem a quente ou

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3/7 no tratamento térmico destas peças, entre outras possíveis aplicações industriais, porque oferece menor tempo de aquecimento, já que praticamente toda energia aplicada é convertida em calor. Equipamento este, que realiza um controle preciso da temperatura da peça a ser estampada através de leitura em tempo real, via processamento dos dados, da temperatura que possibilita o ajustamento dos valores de frequência e tensão da corrente elétrica automaticamente.

008- Trata-se de um equipamento de baixo consumo energético, onde toda parte de potência é gerada no circuito eletrônico intermediário de um controlador de potência, através do chaveamento dos “IGBT’S” (Insulated Gate Bipolar Transistor). Um equipamento compacto que pode ser montado em um pequeno espaço, devido ao seu volume reduzido, que apresenta elevada taxa de aquecimento e possibilita atingir um grau de aquecimento de peças metálicas de até 400°C/seg, sendo até 02 vezes mais rápido que o aquecimento realizado por indução e 61 vezes mais rápido que o aquecimento por radiação.

009- O equipamento elétrico/eletrônico para aquecimento de peças metálicas, objeto desta patente, pode ser melhor compreendido reportando-se as figuras anexas, que integram este relatório descritivo e contém referências numéricas em conjunto com a descrição de suas particularidades técnicas. Figuras estas, que não restringe sua configuração quanto às suas dimensões, proporções e eventuais tipos de acabamentos inseridos e nem o alcance de sua aplicação prática.

010- A figura 1 mostra um diagrama geral do equipamento.

011- A figura 2 mostra em detalhe o diagrama interno do controlador de aquecimento.

012- A figura 3 mostra uma ilustração em três vistas do

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4/7 transformador de potência.

013- De acordo com estas figuras e suas referências numéricas a presente patente refere-se a um equipamento elétrico/eletroeletrônico para aquecimento de peças (1) composto pelas seguintes partes: controlador (“driver”) de potência ajustável (2); controlador de aquecimento e aquisição de dados (3); e transformador de potência (4), ver figura 1.

014- Equipamento elétrico/eletroeletrônico para aquecimento de peças (1) este, alimentado pela rede de energia elétrica (R) do local onde for instalado, que fornece ao transformador de potência (4) toda energia necessária durante o aquecimento gerando uma tensão e freqüência, que tanto pode ser trifásicas e/ou monofásicas, ajustáveis pelos diversos parâmetros pré-programados com a finalidade de controlar o processo de aquecimento através do comando do controlador de aquecimento e aquisição de dados (3), via controlador (“driver”) de potência ajustável (2). Realizando este controle em malha fechada (“PI D”- Proportional Integral Derivative controller - PI D controller) ao receber os sinais dos parâmetros pré-estabelecidos do controlador de aquecimento e aquisição de dados (3), para fornecer a potência elétrica (tensão e corrente) necessária para realização do aquecimento homogêneo da peça (5).

015- Neste equipamento elétrico/eletroeletrônico para aquecimento de peças (1) o controlador (“driver”) de potência ajustável (2) é formado por: um circuito retificador (21), que converte a energia “CA” (corrente alternada) em energia “CC” (corrente contínua); filtro (22) formado por capacitores para suavizar a saída do circuito; circuito inversor (23) que é uma rede de transistores de potência “IGBT’S” que atuam pelo método de controle “PWM” (Pulse Width Modulation) onde a “CC” é ligada e desligada

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5/7 rapidamente pelos transistores a fim de se obter uma saída variável de frequência e tensão; unidade de controle microprocessada (24) responsável pelo controle de “disparo” dos “IGBT’S”. Unidade microprocessada (24)esta, que realiza toda “lógica de controle” e geração de pulso, na qual, também, onde estão armazenados todos os parâmetros e dados do controlador (“driver”) de potência ajustável (2),.

016- Dito controlador (“driver”) de potência ajustável (2) que pode conter ainda, saída “CC” ou “CA” (corrente contínua ou corrente alternada), dependendo da necessidade, sendo sua função, ao receber o comando “start” do controlador de aquecimento e aquisição de dados (3), entregar diretamente na peça (5) a ser trabalhada uma tensão alternada de frequência ajustável, cuja magnitude é relacionada com a referência de controle estabelecida pelo controlador de aquecimento e aquisição de dados (3), compensando assim possíveis variações no circuito elétrico, podendo obter um perfil linear de tensão e corrente na saída; permitindo ainda, a possibilidade de criar um programa de controle onde a frequência e tensão podem ser controladas independentes dentro de sua faixa de trabalho.

017- Dito controlador de aquecimento e aquisição de dados (3) que é um dispositivo micro processado composto de entradas (31), na forma de sensores de temperatura (32) ou câmeras térmicas, medidores de corrente elétrica, tensão elétrica, etc.; unidade de processamento (33), que coleta e processa todas as entradas e parâmetros pré-estabelecidos e a partir de uma lógica pré programada (“algoritmo”) fornecendo valores de saídas; saídas digitais/analógicas (34), que fornecem os sinais necessários para controle do controlador de potência ajustável (2) durante o aquecimento; comunicação padrão “Ethernet IP” (Protocolo de Informação e Controle - CIP - Controland Information Protocol), que

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6/7 permite a interligação com sistemas supervisórios para monitoramento e partida (“start”) remoto, ver figura 2.

018- O controlador de aquecimento e aquisição de dados (3) se baseia na execução de um programa dedicado previamente armazenado na memória da unidade de processamento (33), com função de atuar no controle da distribuição uniforme da potência empregada no aquecimento. Contendo ainda, além da entrada (31) e saídas (34), uma ΊΗΜ” (35) (Interface Homem Máquina), que permite a inserção de parâmetros específicos para controle do aquecimento obtidos na unidade de processamento (33).

017- O transformador de potência (4) utilizado possui características construtivas específicas, sendo o enrolamento do secundário (41) diferente do primário (42). Enrolamentos estes, isolados fisicamente entre si e constituídos por condutores achatados e cantos redondos, geralmente, de duas voltas simples que são responsáveis pela condução da corrente elétrica no equipamento, sendo que a relação de “transformação” do primário (41) para o secundário (42) é definida pelo número de espiras (número de voltas). Cada enrolamento possui sua respectiva entrada (43) e saída (44) que devem ser ligadas (série ou paralelo) ao controlador (“driver”) de potência ajustável (2) do equipamento elétrico/eletroeletrônico para aquecimento de peças (1).

018- O resfriamento do transformador de potência (4) contém cavidades extrudadas no núcleo do secundário (41) por onde circula água refrigerada (45). Sua construção é reforçada e não possui partes móveis. No seu núcleo são utilizados dois tipos de materiais: um convencional de aço silício e outro de grãos orientados de aço, comumente denominado de “Hipersil” (Aço ao silício de alta permeabilidade), ver figura 3.

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019- A função do transformador de potência (4) é converter os valores de tensão e corrente fornecidos pelo controlador de potência ajustável (2) para os níveis aplicados diretamente na peça (5) a ser aquecida, a partir de uma relação de transformação definida (primário/secundário).

020- Na prática, o equipamento elétrico/eletroeletrônico para aquecimento de peças (1) pode ser utilizado em qualquer processo ou sistema de produção industrial que necessite realizar o aquecimento rápido, homogêneo e controlado de chapas metálicas para estampagem a quente ou tratamento térmico de peças (5) de metal, entre outras aplicações industriais, porque oferece menor tempo de aquecimento e total aproveitamento da energia utilizada, já que praticamente toda energia aplicada é convertida em calor.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1) “EQUIPAMENTO ELÉTRICO/ELETRÔNICO DE CONTROLE DO AQUECIMENTO DE PEÇAS METÁLICAS”, caracterizado por ser, o equipamento elétrico/eletroeletrônico para aquecimento de peças(1), composto pelas seguintes partes: controlador (“driver”) de potência ajustável (2); controlador de aquecimento e aquisição de dados (3); transformador de potência (4); por conter o controlador (“driver”) de potência ajustável (2), retificador (21), filtro (22), circuito inversor (23), unidade de controle microprocessada (24) e opcionalmente saída “CC” ou “CA”; por conter o controlador de aquecimento e aquisição de dados (3), entradas (31), sensores (32); unidade de processamento (33), ΊΗΜ” (Interface Homem Máquina) (34); saídas digitais/analógicas (34) e comunicação padrão “Ethernet IP”; por conter o transformador de potência (4) entrada (44) e saída ligadas (45) em série ou em paralelo ao controlador (“driver”) de potência ajustável (2) e cavidades extrudadas, para circulação de agua refrigerada (43), no núcleo do secundário (41).
2) “EQUIPAMENTO ELÉTRICO/ELETRÔNICO DE CONTROLE DO AQUECIMENTO DE PEÇAS METÁLICAS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a unidade de controle microprocessada (24) do controlador (“driver”) de potência ajustável (2) ser responsável pelo controle de “disparo” dos IGBT’S, ou seja toda “lógica de controle” e geração de pulsos; contendo, também, armazenados todos os parâmetros e dados do controlador (“driver”) de potência ajustável (2).
3) “EQUIPAMENTO ELÉTRICO/ELETRÔNICO DE CONTROLE DO AQUECIMENTO DE PEÇAS METÁLICAS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, a partir do comando do controlador de aquecimento e aquisição de dados (3), o controlador (“driver”) de

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2/2 potência ajustável (2) fornecer ao transformador de potência (4) toda energia necessária durante o aquecimento, sendo responsável pelo suprimento de toda a demanda energética do aquecimento.
4) “EQUIPAMENTO ELÉTRICO/ELETRÔNICO DE CONTROLE DO AQUECIMENTO DE PEÇAS METÁLICAS”, de acordo com as reivindicações 1 e 3, caracterizado por, em operação, o controlador (“driver”) de potência ajustável (2), gerar uma tensão e freqüência, que tanto pode ser trifásicas e/ou monofásicas ajustáveis, através de diversos parâmetros pré programados.
5) “EQUIPAMENTO ELÉTRICO/ELETRÔNICO DE CONTROLE DO AQUECIMENTO DE PEÇAS METÁLICAS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o controlador (“driver”) de potência ajustável (2) realizar o controle em malha fechada (“PID”- Proportional Integral Derivative controller - PI D controller) recebendo sinais do controlador de aquecimento e aquisição de dados (3), através de seus parâmetros preestabelecidos.
6) “EQUIPAMENTO ELÉTRICO/ELETRÔNICO DE CONTROLE DO AQUECIMENTO DE PEÇAS METÁLICAS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o controlador de aquecimento e aquisição de dados (3) ser um dispositivo micro processado composto de entradas (31), na forma de sensores de temperatura (32) ou câmeras térmicas, medidores de corrente elétrica e tensão elétrica, etc.; unidade de processamento (33); saídas digitais/analógicas (34); comunicação padrão “Ethernet IP” (Protocolo de Informação e Controle - CIP Controland Information Protocol); e ΊΗΜ” (35) (Interface Homem Máquina).

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