BRPI0518867B1

BRPI0518867B1 - aparelho para aquecimento ou fusão por indução elétrica de um material eletricamente condutivo, e, método de controle de aquecimento ou fusão por indução elétrica de um material eletricamente condutivo

Info

Publication number: BRPI0518867B1
Application number: BRPI0518867A
Authority: BR
Inventors: Maochang Cao Mike; S Fishman Oleg
Original assignee: Inductotherm Corp
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2018-05-08
Also published as: ZA200705173B; EP1829426B1; US7457344B2; AU2005313972B2; BRPI0518867A2; ATE548886T1; WO2006063151A3; RU2375849C2; US20060118549A1; EP1829426A4; EP1829426A2; RU2007125704A; AU2005313972A1; WO2006063151A2; ES2379972T3

Abstract

aparelho para aquecimento ou fusão por indução elétrica de um material eletricamente condutivo, e, método de controle de aquecimento ou fusão por indução elétrica de um material eletricamente condutivo. um aparelho e processo são fornecidos para controlar o aquecimento ou fusão de um material eletricamente condutivo. a potência édirecionada seletivamente entre seções da bobina circundando zonas diferentes do material por alteração da freqúência de saída da fonte de alimentação de potência para as seções da bobina. as seções de bobina compreendem pelo menos uma seção de bobina ativa, que é conectada a saída da fonte de alimentação de potência, e pelo menos uma seção de bobina passiva, que não é conectada à fonte de alimentação de potência, mas é conectada em paralelo com um capacitor de sintonização de maneira que a pelo menos uma seção de bobina passiva opera a uma freqúência ressonante e a freqúência de saída da fonte de alimentação de potência é alterada de maneira que a potência induzida na pelo menos uma seção de bobina passiva se altere à medida que a freqúência é alterada.

Description

(54) Título: APARELHO PARA AQUECIMENTO OU FUSÃO POR INDUÇÃO ELÉTRICA DE UM MATERIAL ELETRICAMENTE CONDUTIVO, E, MÉTODO DE CONTROLE DE AQUECIMENTO OU FUSÃO POR INDUÇÃO ELÉTRICA DE UM MATERIAL ELETRICAMENTE CONDUTIVO (51) Int.CI.: H05B 6/02; H05B 6/06; H05B 6/12; H05B 6/22; H05B 6/30; H05B 6/44; H02J 3/26; H02J 3/00; H02J 1/00 (30) Prioridade Unionista: 08/12/2004 US 60/634,353 (73) Titular(es): INDUCTOTHERM CORPORATION (72) Inventor(es): OLEG S. FISHMAN; MIKE MAOCHANG CAO / 21 “APARELHO PARA AQUECIMENTO OU FUSÃO POR INDUÇÃO ELÉTRICA DE UM MATERIAL ELETRICAMENTE CONDUTIVO, E, MÉTODO DE CONTROLE DE AQUECIMENTO OU FUSÃO POR INDUÇÃO ELÉTRICA DE UM MATERIAL ELETRICAMENTE CONDUTIVO”

Campo da invenção [0001] A presente invenção se refere ao controle de aquecimento ou fusão por indução elétrica de um material eletricamente condutivo em que o de aquecimento ou fusão da zona é controlado(a) seletivamente.

Antecedentes da invenção [0002] O aquecimento ou fusão por indução elétrica em batelada de um material eletricamente condutivo podem ser executados num cadinho circundando o cadinho com uma bobina de indução. A batelada de um material eletricamente condutivo, tal como, lingotes ou sucatas de metal, é colocada no cadinho. Uma ou mais bobinas de indução circundam o cadinho. Uma fonte de alimentação de potência corrente adequado fornece corrente alternada para as bobinas, por meio disso gerando um campo magnético em torno das bobinas. O campo é dirigido para o interior de maneira que ele .se acopla magneticamente com o material no cadinho, o que induz corrente parasita no material. Basicamente, o circuito acoplado magneticamente é geralmente descrito como um circuito transformador em que a uma ou mais bobinas de indução representam o enrolamento primário, e o material acoplado magneticamente no cadinho representa um enrolamento secundário encurtado.

[0003] FIG 1 ilustra de forma simplificada um exemplo de um circuito compreendendo uma fonte de alimentação de potência, elemento de conjugação de impedância de carga (capacitor tanque CT), e uma bobina de indução LL que podem ser usados em um processo de fusão em batelada. A fonte de alimentação de potência 102 compreende retificador de corrente

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 13/39 / 21 alternada para corrente contínua 104 e inversor 106. O retificador 104 retifica a potência de corrente alternada disponível (REDE DE CORRENTE ALTERNADA PRINCIPAL) em potência de corrente contínua. Tipicamente depois da filtração de potência de corrente contínua, o inversor 106, utilizando componentes de comutação semicondutores adequados, emite potência de corrente alternada monofásica. A potência de corrente alternada alimenta o circuito de carga, que compreende a impedância da bobina de indução e a impedância do material acoplado eletromagneticamente no cadinho, como retro-refletido no circuito de carga primário. O valor do capacitor tanque Ct é selecionado para maximizar a transferência de potência para o circuito de carga primordialmente indutivo. A bobina de indução LL compreende uma seção primária LP e uma seção secundária LS, que são conectadas preferivelmente em configuração paralela contra-enrolada para estabelecer um fluxo de corrente instantâneo através da bobina como indicado pelas setas na FIG. 1.

[0004] FIG. 2(a) ilustra o uso da disposição na FIG. 1 com cadinho 110 para fundir em batelada uma composição de metal geralmente sólida 112 (mostrada diagramaticamente como círculos distintos) que é colocada no cadinho. O estado do processo de fusão em batelada na FIG. 2 (a) é referido como “estado frio” desde que geralmente nenhuma composição de metal é fundida. Impedância de carga para o circuito da carga da bobina superior (primário) é substancialmente igual à impedância de carga para o circuito de carga da bobina inferior (secundário). À medida que a composição de metal é aquecida por indução, um material em fusão se forma no fundo do cadinho enquanto que material sólido é geralmente adicionado na seção superior do cadinho. A FIG. 2 (b) ilustra o “estado aquecido” do processo de fusão em batelada em que a metade inferior do cadinho contém geralmente material em fusão (mostrado diagramaticamente como linhas) e a metade superior do cadinho contém geralmente material sólido. No estado quente a impedância

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 14/39 / 21 da carga do circuito de carga da bobina inferior é mais baixa que a impedância de carga da bobina superior de carga principalmente porque a resistência de carga equivalente do material em fusão é seja mais baixa que a resistência de carga equivalente do material sólido. Finalmente, na FIG. 2 (c) que ilustra o “estado quente” do processo de fusão em batelada, geralmente todo o material dentro do cadinho está no estado em fusão, e as impedâncias da carga nos circuitos de carga da bobina superior e inferior são iguais, porém mais baixas em magnitude do que em impedâncias de carga no estado frio. [0005] FIG. 3(a), FIG. 3(b) e FIG.3 (c) ilustram graficamente a divisão da potência fornecida a partir da fonte de alimentação de potência nas seções de bobina superior (seção primária cli nessas figuras) e inferior (seção secundária c2i nessas figuras) para a bobina total (ci nessas figuras) mostradas na FIG. 1 e FIG. 2(a) a FIG. 2(c) já que o processo de fusão em batelada prossegue através dos estados frio, aquecido e quente, respectivamente. Por exemplo: no estado frio (FIG. 3 (a) com a saída de fonte de alimentação de potência a 600 kW e aproximadamente 390 Hertz), são fornecidos aproximadamente 300 kW para seção de bobina superior e são fornecidos 300kW para seção de bobina inferior ; no estado aquecido (FIG. 3(b) com a saída da fonte de alimentação de potência a 600kW e aproximadamente 365 Hertz), são fornecidos aproximadamente 200kW para a seção de bobina superior e 400 kW são fornecidos para a seção de bobina inferior; e no estado quente (FIG. (c) com a saída da fonte de alimentação de potência a 600kW e aproximadamente 370 Hertz), são fornecidos aproximadamente 300kW para a seção de bobina superior e 300kW são fornecidos para a seção de bobina inferior. Esse exemplo ilustra a condição geral do processo que à medida que a fusão em batelada prossegue do estado frio para o estado aquecido, mais potência é fornecida para seção de bobina inferior do que para a seção de bobina superior uma vez que a seção de bobina inferior circunda uma quantidade crescente de material em fusão, que tem uma resistência mais

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 15/39 / 21 baixa do que o material sólido, à medida que o processo progride até que a altura do material em fusão seja suficiente para acoplar magneticamente com o campo gerado pela seção de bobina superior. Essa condição é oposta à condição preferida, isto é, o material sólido deve receber mais potência do que o material em fusão para acelerar a fusão de toda batelada de metal. A linha cheia na FIG. 4 ilustra graficamente a eficiência típica de um processo de fusão em batelada durante o tempo do processo enquanto a linha tracejada ilustra a eficiência média típica de 82 por cento para o processo.

[0006] Semelhantemente, quando as seções de bobina primária e secundária circundam um susceptor ou um material eletricamente condutivo, tal como um tarugo ou placa de metal, a disposição na FIG. 1 e FIG 2(a) a FIG. 2(c), com o susceptor ou o material eletricamente condutivo substituindo o cadinho 110 contendo a composição de metal sólido 112, resulta num padrão de temperatura não controlada ao longo da extensão do material devido ao fato de que o padrão de distribuição de energia é definido pela disposição da bobina e o padrão de consumo de energia é definido pelos processos dentro de um susceptor, ou por características de absorção de calor do material em tarugo.

[0007] Por essa razão, existe uma necessidade de induzir seletivamente o calor para uma seção de um material que é aquecido ou fundido indutivamente em que o processo de aquecimento ou fusão por indução utiliza múltiplas seções da bobina.

Breve Sumário a Invenção [0008] Em um aspecto, a presente invenção é um aparelho para, e um método de, aquecer ou fundir um material eletricamente condutivo. Pelo menos uma bobina de indução ativa e pelo menos uma bobina de indução passiva são colocadas em torno de seções diferentes do material eletricamente condutivo. Cada um da pelo menos uma bobina de indução passiva é conectada em paralelo com um capacitor para formar um pelo menos um

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 16/39 / 21 circuito na bobina passiva. Uma fonte de alimentação de potência de corrente alternada fornece potência para a pelo menos uma bobina de indução ativa. A corrente que flui através da pelo menos uma bobina de indução ativa gera um primeiro campo magnético em torno da pelo menos uma bobina de indução ativa, que se acopla magneticamente com o material eletricamente condutivo substancialmente circundado pela pelo menos uma bobina de indução ativa. O primeiro campo magnético também se acopla com a pelo menos uma bobina de indução passiva, que não é conectada à fonte de alimentação de potência de corrente alternada, para fazer uma corrente induzida fluir no pelo menos um circuito da bobina passiva. O fluxo de corrente induzido no pelo menos um circuito da bobina passiva gera um segundo campo magnético em torno da pelo menos uma bobina de indução passiva, que se acopla magneticamente com o material eletricamente condutivo substancialmente circundado pela pelo menos uma bobina de indução passiva. A potência de aquecimento por indução proveniente da fonte de alimentação de potência pode ser seletivamente dividida entre os circuitos de carga formados pela pelo menos uma bobina de indução ativa e o pelo menos um circuito da bobina passiva, que são acoplados magneticamente com o material eletricamente condutivo, controlando a freqüência da potência fornecida e selecionando as impedâncias de pelo menos os circuitos passivos de maneira que os circuitos tenham frequências ressonantes diferentes.

[0009] Outros aspectos da invenção são definidos nesse relatório descritivo e nas reivindicações anexas.

Descrição resumida dos desenhos [00010] O breve sumário antecedente, bem como a descrição detalhada a seguir da invenção, é melhor entendido quando lido em conjunto com os desenhos anexos. Com o propósito de ilustrar a invenção, são mostradas nos desenhos formas exemplares da invenção que são preferidas atualmente; entretanto, a invenção não está limitada às disposições e instrumentalidades

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 17/39 / 21 específicas reveladas nos desenhos anexos seguintes:

[00011] FIG. 1 é uma disposição de circuito de técnica anterior para aquecer e fundir indutivamente um material eletricamente condutivo.

[00012] FIG. 2(a) ilustra um processo de aquecimento e fusão da técnica anterior em um estado frio em que substancialmente nenhum material eletricamente condutivo é fundido.

[00013] FIG. 2(b) ilustra um processo de aquecimento e fusão da técnica anterior em um estado aquecido em que aproximadamente metade do material eletricamente condutivo é fundida.

[00014] FIG. 2(c) ilustra um processo de aquecimento e fusão da técnica anterior em um estado quente em que substancialmente todo material eletricamente condutivo é fundido.

[00015] FIG.3(a) ilustra graficamente a divisão de potência entre as seções de bobina de indução superior e inferior para o estado frio de aquecimento e fusão da técnica anterior mostrado na FIG. 2(a) em função da freqüência da potência de aquecimento aplicada.

[00016] FIG. 3(b) ilustra graficamente a divisão de potência entre as seções de bobina de indução superior e inferior para o estado aquecido de aquecimento e fusão da técnica anterior mostrado na FIG. 2(b) em função da freqüência da potência de aquecimento aplicada.

[00017] FIG. 3(c) ilustra graficamente a divisão de potência entre as seções de bobina de indução superior e inferior para o estado quente de aquecimento e fusão da técnica anterior mostrado na FIG. 2 (c) em função da freqüência da potência de aquecimento aplicada.

[00018] FIG. 4 ilustra graficamente a eficiência típica do processo de aquecimento e fusão da técnica anterior.

[00019] FIG. 5 ilustra de uma forma diagramática e esquemática simplificada um exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção.

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 18/39 / 21 [00020] FIG. 6(a) ilustra graficamente a divisão de potência entre a bobina de indução ativa e a bobina de indução passiva no estado frio como um exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção à medida que a freqüência da potência de aquecimento é variada.

[00021] FIG. 6(b) ilustra graficamente magnitudes de correntes nas bobinas de carga ativa e passiva no estado frio para um exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção.

[00022] FIG. 6(c) ilustra graficamente a alteração de defasagem entre correntes nas bobinas ativa e passiva com a alteração de freqüência da potência de aquecimento no estado frio como um exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção.

[00023] FIG. 7(a) ilustra graficamente a divisão de potência entre a bobina de indução ativa e a bobina de indução passiva no estado aquecido para um exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção à medida que a freqüência da potência de aquecimento é variada. [00024] FIG. 7(b) ilustra graficamente magnitudes de correntes nas bobinas de carga ativa e passiva no estado aquecido para um exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção.

[00025] FIG. 7(c) ilustra graficamente a alteração de defasagem entre correntes nas bobinas ativa e passiva com a alteração na freqüência da potência de aquecimento no estado aquecido para um exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção.

[00026] FIG. 8(a) ilustra graficamente a divisão de potência entre a bobina de indução ativa e a bobina de indução passiva no estado quente para um exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção à medida que a freqüência da potência de aquecimento é variada.

[00027] FIG. 8(b) ilustra graficamente magnitudes de correntes nas bobinas de carga ativa e passiva no estado quente para um exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção.

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 19/39 / 21 [00028] FIG. 8(c) ilustra graficamente a alteração de defasagem entre correntes nas bobinas ativa e passiva com uma alteração na freqüência da potência de aquecimento no estado quente para um exemplo do sistema de controle de fusão por indução elétrica da presente invenção.

[00029] FIG. 9 ilustra graficamente a eficiência típica obtida como um exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção. [00030] FIG. 10(a) e FIG. 10(b) é um fluxograma ilustrando um exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção.

[00031] FIG 11(a) e FIG.11 (b) ilustram padrões do fluxo eletromagnético para material em fusão em um cadinho com o sistema de controle por indução elétrica da presente invenção quando as fases elétricas entre as correntes do circuito de carga ativa e passivo são de aproximadamente 90 graus elétricos e menos que 20 graus elétricos respectivamente.

[00032] FIG. 12 ilustra de uma forma diagramática e esquemática simplificada outro exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção.

[00033] FIG. 13 ilustra a divisão de potência entre a bobina de indução ativa e as bobinas de indução passiva para um exemplo da presente invenção ilustrado na FIG. 12 onde a freqüência de saída da potência fornecida é alterada para variar a potência de indução aplicada para seções diferentes do material eletricamente condutivo.

[00034] FIG. 14 ilustra um exemplo da distribuição no tempo de potência de indução aplicada para seções diferentes de um material eletricamente condutivo para um exemplo da presente invenção ilustrado na FIG. 12.

Descrição Detalhada da Invenção [00035] Referindo-se agora aos desenhos, em que numerais semelhantes indicam elementos semelhantes, é mostrado na FIG. 5 um exemplo de um diagrama elétrico simplificado do sistema de controle por indução elétrica da

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 20/39 / 21 presente invenção.

[00036] A patente US 6.542.535, da qual a totalidade é incorporada aqui como referência, revela uma bobina de indução compreendendo uma bobina ativa que é conectada a saída de uma fonte de alimentação de potência de corrente alternada, e uma bobina passiva conectada com um capacitor para formar um circuito fechado que não é conectado à fonte de alimentação de potência. As bobinas ativa e passiva circundam o cadinho no qual um material eletricamente condutivo é colocado. As bobinas ativa e passiva são dispostas de maneira que o campo magnético ativo gerado pelo fluxo da corrente na bobina ativa, corrente essa que é fornecida pela fonte de alimentação de potência, se acople magneticamente com a bobina passiva, assim como com o material no cadinho.

[00037] FIG. 5 ilustra um exemplo de uma fonte de alimentação de potência de corrente alternada 12 utilizada com o sistema de controle por indução elétrica da presente invenção. A seção de retificador 14 compreende um retificador de ponte de onda completa 16 com uma entrada de potência de corrente alternada nas linhas A, B e C. Uma seção de filtro opcional 18 compreende um reator LCLR limitador de corrente e um capacitor CFIL de filtro de corrente contínua. A seção do inversor 20 compreende quatro dispositivos de comutação, S1, S2, S3 e S4, e diodos antiparalelos associados D1, D2, D3 e D4, respectivamente. De preferência cada dispositivo de comutação é um dispositivo de estado sólido que pode ser ligado ou desligado em qualquer momento em um ciclo de corrente alternada, tal como um transistor bipolar de porta isolado (IGBT).

[00038] O circuito de carga do exemplo não restritivo compreende uma bobina de indução ativa 22, que é conectada à saída de inversor da fonte de alimentação de potência via capacitor CTANK (de tanque) ou de conjugação de carga e uma bobina de indução passiva, que é conectada em paralelo com o capacitor de sintonização CTUNE para formar um circuito de carga passivo. A

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 21/39 / 21 corrente aplicada a partir da fonte de alimentação de potência gera um campo magnético em torno da bobina de indução ativa. Esse campo se acopla magneticamente com o material eletricamente condutivo 90 no cadinho 10 e com a bobina de indução passiva, que induz a corrente no circuito de carga passivo. A corrente induzida fluindo na bobina de indução passiva gera um segundo campo magnético que se acopla com o material eletricamente condutivo no cadinho. Meios sensores de voltagem 30 e 32 são providos para detectar a voltagem instantânea através da bobina ativa e bobinas passivas respectivamente; e as linhas de controle 30a e 32a transmitem as duas voltagens detectadas para o sistema de controle 26. Meios sensores de corrente 34 e 36 são providos para detectar a corrente instantânea através da bobina ativa e bobina passiva respectivamente; e as linhas de controle 34a e 36a transmitem as duas correntes detectadas para o sistema de controle 26. O sistema de controle 26 inclui um processador para calcular a potência instantânea no circuito de carga ativo e no circuito de carga passivo a partir das correntes e voltagens que entraram. Os valores da potência calculados podem ser comparados pelo processador com dados armazenados para um perfil da potência do processo de fusão em batelada desejado para determinar se os valores calculados da divisão de potência entre os circuitos de carga ativo e passivo são diferentes do perfil da potência do processo de fusão em batelada desejado. Caso exista uma diferença, o sistema de controle 26 vai emitir sinais de ligar e desligar a porta para os dispositivos de comutação no inversor via linha de controle 38 de maneira que a freqüência de saída do inversor é ajustada para obter a divisão de potência desejada entre os circuitos de carga ativo e passivo.

[00039] Selecionando o capacitor tanque Ctank, o capacitor de sintonização CTUNE, e as bobinas de indução ativa e passiva de valores apropriados, o circuito de carga ativo terá uma freqüência ressonante que é diferente da do circuito de carga passivo. FIG. 6(a), FIG. 7(a) e FIG. 8(a)

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 22/39 / 21 ilustram um exemplo da divisão de potência obtida nas bobinas de indução ativa e passiva em uma faixa de freqüência para um conjunto de valores de circuito. Por exemplo: no estado frio (FIG. 6(a) com a saída da fonte de alimentação de potência a 1.000 kW e aproximadamente 138 Hertz), são fornecidos aproximadamente 500 kW para seção de bobina ativa e são fornecidos 500kW para a seção de bobina passiva; no estado aquecido (FIG. 7(a) com a saída da fonte de alimentação de potência a 1.000kW e aproximadamente 136 Hertz), são fornecidos aproximadamente 825 kW para a seção de bobina ativa e são fornecidos 175 kW para a seção de bobina passiva; e no estado quente (FIG. 8(a) com a saída da fonte de alimentação de potência a 1.000 kW e aproximadamente 134 Hertz), são fornecidos aproximadamente 500kW para a seção de bobina ativa e são fornecidos aproximadamente 500 kW para a seção de bobina passiva. Diferentemente da técnica anterior, nos estados intermediários entre o estado frio e o estado quente, mais potência pode ser direcionada para a bobina superior (ativa), que circunda material substancialmente sólido no cadinho por aproximadamente a primeira metade do processo de fusão em batelada neste exemplo do que para a bobina inferior (passiva), que circunda um nível crescente do material em fusão por aproximadamente a primeira metade do processo de fusão em batelada nesse exemplo. Essa condição é exemplificada através da divisão de potência no estado quente em que o sistema de controle de aquecimento por indução do exemplo presente dirige a maior parte da potência para a bobina superior para fundir substancialmente o material sólido circundado pela bobina superior.

[00040] Os dados armazenados para um processo de fusão em batelada desejado para um circuito particular e a disposição do cadinho podem ser determinados a partir de características físicas e elétricas da disposição particular. Características de potência e corrente versus freqüência para os circuitos de carga ativo e passivo numa disposição particular podem também

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 23/39 / 21 ser determinados a partir de características físicas e elétricas da disposição particular.

[00041] Em exemplos alternativos da invenção diferentes métodos e parâmetros podem ser usados para medir a potência nos circuitos de carga passiva e ativa como conhecido na técnica. O processador no sistema de controle 26 pode ser um microprocessador ou qualquer outro dispositivo de processamento adequado. Em outros exemplos da invenção números diferentes de bobinas de indução ativas e passivas podem ser usados; as bobinas também podem ser configuradas diferentemente em torno do cadinho. Por exemplo, as bobinas ativas e passivas podem ser sobrepostas, espaçadas ou contra-enroladas umas com as outras para obter uma aplicação controlada da potência induzida a regiões selecionadas do material eletricamente condutivo.

[00042] FIG. 6(b), FIG. 7(b) e FIG. 8(b) ilustram graficamente magnitudes de corrente para as correntes nas bobinas de carga ativa e passiva para os estados frio, aquecido e quente, respectivamente, que estão associadas com o exemplo da invenção representado através das magnitudes de potência na FIG. 6(a), FIG. 7(a) e FIG. 8(a) respectivamente.

[00043] FIG. 6(c), FIG. 7(c) e FIG. 8(c) ilustram graficamente a diferença no ângulo da fase entre as correntes nas bobinas de carga ativa e passiva para os estados frio, aquecido e quente, respectivamente, que são associadas com o exemplo da invenção representado através das magnitudes de corrente na FIG. 6(b), FIG. 7(b) e FIG. 8(b) respectivamente. De preferência, mas não como uma forma de limitação, a defasagem entre as correntes da bobina ativa e passiva é mantida suficientemente baixa, pelo menos mais baixa que 30 graus, para minimizar a diferença da defasagem de maneira que um cancelamento do campo magnético significante não ocorra entre os campos gerados em torno das bobinas ativa e passiva.

[00044] FIG. 9 ilustra graficamente a eficiência típica do processo de

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13/21 fusão em batelada durante o tempo do processo utilizando o sistema de controle do processo de fusão por indução da presente invenção. Comparando a curva da linha cheia na FIG. 9 com a curva de eficiência na FIG. 4, com o sistema de controle da presente invenção, a eficiência de um processo de fusão em batelada durante o tempo do processo pode ser mantida a um valor mais alto por um período de tempo mais longo, em comparação com o processo da técnica anterior. Conseqüentemente, a eficiência média para o processo, como ilustrado pela linha tracejada na FIG. 9 será mais alta (nesse exemplo 87%), e o processo pode ser executado num período de tempo mais curto.

[00045] A título de exemplo e não de limitação, o sistema de controle de fusão por indução elétrica da presente invenção pode ser posto em prática por implementação do algoritmo de controle simplificado ilustrado no diagrama de fluxo apresentado na FIG. 10(a) e FIG. 10(b) com meio adequados de processamento e uma implementação do método descrito no diagrama de fluxo. Na FIG. 10(a), durante um processo de fusão em batelada, rotinas 202a e 204a recebem periodicamente entradas a partir de sensores de corrente adequados que detectam a corrente de carga total instantânea, i_a, (circuitos de carga tanto ativo quanto passivo) e corrente de carga passiva, i_p, respectivamente. Similarmente, rotinas 202b e 204b recebem periodicamente entradas a partir de sensores de voltagem adequados que detectam a voltagem de carga instantânea através da bobina de indução ativa, v_a, e a voltagem de carga instantânea através da bobina de indução passiva, v_p, respectivamente. [00046] A rotina 206 calcula potência de carga total, P_totai, a partir da equação 1:

! τ “γ ' X onde T é o inverso da freqüência de saída do inversor.

[00047] A rotina 208 calcula a potência de carga passiva, P_p, a partir da equação 2:

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14/21 ι^τ

Ρ =- ίί ·ν dt. ρ γ j ρ ρ [00048] A rotina 210 calcula a potência do circuito de carga ativo, P_a, subtraindo a potência de carga passiva, P_p, da potência de carga total, P_totai· [00049] A rotina 212 calcula a corrente do circuito de carga ativo RMS, IaRMs, a partir da equação 3:

[00050] Semelhantemente a rotina 214 calcula a corrente do circuito de carga passivo RMS, I_prms, a partir da equação 4:

ipRMS = dt, [00051] A resistência do circuito de carga ativo, Ra, é calculada dividindo a potência do circuito de carga ativo, Pa, pelo quadrado da corrente do circuito de carga ativo, (Urms)², na rotina 216.

[00052] Semelhantemente na rotina 218 a resistência do circuito de carga passivo, R_p, é calculada dividindo a potência do circuito de carga passivo, P_p, pelo quadrado da corrente do circuito de carga passivo RMS, (I_prms)²· [00053] A rotina 220 determina se a resistência do circuito de carga ativo, R_a, é aproximadamente igual à resistência do circuito de carga passivo, R_p. Uma faixa de tolerância pré-ajustada dos valores de resistência pode ser incluída na rotina 220 para estabelecer a faixa de aproximação. Se R_a é aproximadamente igual a R_p, a rotina 222 verifica para ver se esses dois valores são aproximadamente iguais à resistência total do circuito de carga no estado frio, R_coid, quando substancialmente todo o material no cadinho está no estado sólido. Para uma dada configuração de circuito de carga e do cadinho, Rcoid, pode ser determinada por um versado na técnica através da condução de testes preliminares e usando o valor do teste na rotina 222. Valores múltiplos adicionais de R_coid podem ser determinados baseado no volume e tipo de material no cadinho, o que significa para um operador selecionar o valor

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 26/39 / 21 apropriado para um processo de fusão em batelada particular. Se os valores aproximadamente iguais de Ra, e Rp não são aproximadamente iguais ao valor Rcold, a rotina 224 verifica para ver se esses dois valores são aproximadamente iguais à resistência total do circuito de carga no estado quente, Rhot, quando substancialmente todo o material no cadinho está no estado em fusão. Para uma dada configuração do circuito de carga e do cadinho, Rhot, pode ser determinada por um versado na técnica através da condução de testes preliminares e usando o valor do teste na rotina 224. Valores múltiplos adicionais de Rhot podem ser determinados com base no volume e tipo do material no cadinho, o que significa para um operador selecionar o valor apropriado para um processo de fusão em batelada particular. Se os valores aproximadamente iguais de Ra e Rp não são aproximadamente iguais ao valor de Rhot, uma rotina de erro 226 é executada para avaliar porque Ra e Rp são aproximadamente iguais um ao outro, porém não aproximadamente iguais a Rcold ou Rhot.

[00054] Se a rotina 222 ou rotina 224 determina que os valores aproximadamente iguais de Ra e Rp são aproximadamente iguais a Rcold ou Rhot, como ilustrado na figura 10(b), a rotina 228 usa potência versus freqüência (POWER VS. FRQ.) e tabelas de consulta para quente ou frio 230, respectivamente, para selecionar uma freqüência de saída, FREQout, para o inversor que irá tornar a potência do circuito de carga ativo, Pa, substancialmente igual à potência do circuito de carga passivo, Pp. A rotina 232 emite sinais apropriados para a circuitos de controle de porta para os dispositivos de comutação no inversor de maneira que a freqüência de saída do inversor seja substancialmente igual a FREQout.

[00055] Se a rotina 220 na figura 10(a) determina que Ra não é aproximadamente igual a Rp, a rotina 234 na FIG. 10(b) determina se Ra é maior que Rp; caso não seja, uma rotina de erro 236 é executada para avaliar o estado anormal em que R_a é menor que R_p.

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 27/39 / 21 [00056] Se a rotina 234 na FIG. 10(b) determina que Ra é maior que Rp, então a rotina 238 usa a tabela de consulta de potência versus freqüência 240, para selecionar a freqüência de saída, FREQout, para o inversor que irá fazer a potência do circuito da carga ativo, Pa, maior do que a potência do circuito de carga passivo, Pp, enquanto a soma da potência do circuito da carga ativo e passivo permanece igual a Ptotal. A rotina 242 emite sinais apropriados para a circuitos de controle de porta dos dispositivos de comutação no inversor de maneira que a freqüência de saída do inversor seja substancialmente igual a FREQout.

[00057] Geralmente, porém não como forma de limitação, Ptotal permanecerá constante até o fim do processo de fusão em batelada. Valores nas tabelas 230 e 240 de consulta de potência versus freqüência podem ser pré-determinados por um versado na técnica conduzindo testes preliminares e usando os valores do teste nas tabelas de consulta 230 e 240. Meios de controle adaptáveis podem ser usados em vários exemplos da invenção de maneira que os valores das tabelas de consulta 230 e 240 de freqüência de potência vs. sejam refinados durante os processos de fusão em batelada seguintes, com base nas rotinas de maximização da execução da fusão, para uso no processo de fusão em batelada subseqüente.

[00058] Opcionalmente a agitação da fusão pode ser obtida selecionando a freqüência de saída do inversor no qual a defasagem entre correntes da bobina ativa e passiva seja de aproximadamente 90 graus elétricos. Esse modo de operação força a circulação da fusão do fundo para o topo do cadinho, como ilustrado na FIG. 11(a), e é geralmente preferida a circulação típica na qual o banho na metade superior do cadinho tem um padrão diferente de circulação do que na metade inferior do cadinho como ilustrado na FIG 11(b). Como pode ser visto na FIG. 6(c), FIG. 7(c) e FIG. 8(c), as freqüências de operação para uma defasagem de 90 graus resulta em uma potência de aquecimento relativamente baixa (FIG. 6(a), FIG. 7(a) e FIG. 8(a)).

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Entretanto o modo de agitação é geralmente usado depois que uma batelada total do material é fundida, e pode ser usado intermitentemente caso o a potência de aquecimento adicional seja necessária para manter o banho de batelada na temperatura desejada.

[00059] FIG. 12 ilustra outro exemplo do sistema de controle por indução elétrica da presente invenção. Nesse exemplo a fonte de alimentação de potência de corrente alternada 12 fornece potência para a bobina de indução ativa 22a (seção de bobina ativa) para formar um circuito ativo. As bobinas de indução passiva 24a e 24b (seções de bobina passiva) são conectadas paralelamente com elementos capacitivos CTUNE1 e CTUNE2, respectivamente, para formar dois circuitos passivos separados. As bobinas de indução passivas 24a e 24b são acopladas magneticamente (ilustrado diagramaticamente por setas associada a M1 e M2 na figura) com o campo magnético primário criado pelo fluxo da corrente no circuito ativo, que por sua vez gera correntes nos circuitos passivos que geram campos magnéticos secundários em torno de cada uma das bobinas de indução passivas. Uma peça de trabalho eletricamente condutiva 12a pode estar localizada dentro das bobinas ativas e passivas. O campo magnético primário irá se acoplar eletromagneticamente substancialmente com a zona do meio da peça de trabalho nessa disposição não limitativa particular das bobinas ativas e passivas para aquecer por indução a peça de trabalho naquela região. O campo magnético secundário para a bobina de indução passiva inferior 24a irá se acoplar substancialmente com a zona inferior da peça de trabalho para aquecer essa região; e o campo magnético secundário para a bobina de indução passiva superior 24b irá se acoplar substancialmente com a zona superior da peça de trabalho para aquecer aquela região. Através da seleção adequada da impedância para circuitos ativo e passivo, por exemplo, através da seleção de valores de capacitância para os elementos capacitivos e/ou valores de indutância para as bobinas de indução, dois ou mais dos circuitos da bobina podem ser

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 29/39 / 21 sintonizados a uma freqüência ressonante diferente de maneira que quando a freqüência de saída da fonte de alimentação de potência é alterada, aqueles circuitos da bobina irão operar em freqüências ressonantes diferentes para uma aplicação máxima da potência induzida para a região do material circundado pela bobina operando na freqüência ressonante.

[00060] FIG. 13 ilustra graficamente a alteração de magnitude da potência induzida aplicada para cada uma das três zonas do material eletricamente condutivo quando a freqüência de saída da fonte de alimentação de potência é alterada como um exemplo da invenção. Com referência a FIG. 12 e FIG. 13, nesse exemplo não limitativo da invenção, a potência (Pc1) no circuito ativo (indicada POTÊNCIA DA SEÇÃO DE BOBINA PRIMÁRIA na FIG. 13) diminui quando a freqüência é aumentada; a potência (Pc2) na parte inferior do circuito passivo (indicada POTÊNCIA DA PRIMEIRA SEÇÃO DE BOBINA SECUNDÁRIA na FIG. 13) picos a uma freqüência de ressonante de aproximadamente 950 Hertz; e potência (Pc3) no circuito passivo superior (indicada POTÊNCIA DA SEGUNDA SEÇÃO DE BOBINA SECUNDÁRIA na FIG. 13) picos a uma freqüência ressonante de aproximadamente 1,160 Hertz. Nesse exemplo particular, o circuito da bobina ativa não tem uma freqüência ressonante acima da variação operacional; em outros exemplos da invenção, o circuito da bobina ativa pode ter também uma freqüência ressonante. Não é necessário operar em uma freqüência ressonante; o estabelecimento de freqüências ressonantes distintas permite que se opere acima da variação da freqüência enquanto se controla a quantidade de potência distribuída em cada zona. A invenção também compreende exemplos em que dois ou mais circuitos ativos podem ser fornecidos e cada um desses circuitos ativos pode ser acoplado com um ou mais circuitos passivos.

[00061] FIG. 14 ilustra graficamente outro exemplo da presente invenção como aplicado no circuito mostrado na FIG. 12. A potência induzida pode ser

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 30/39 / 21 aplicada em cada uma das três zonas do material eletricamente condutivo com diferentes freqüências selecionadas para períodos de tempo diferentes fazendo um ciclo de controle, em que nesse exemplo, são 60 segundos para alcançar um padrão de aquecimento particular do material. A potência é fornecida seqüencialmente da fonte de alimentação de potência durante o ciclo de controle como o seguinte; potência com freqüência f1 por aproximadamente 10 segundos (só; potência com freqüência f2 por aproximadamente 27 segundos (s2); e potência a freqüência f3 por aproximadamente 23 segundos (s3).Com esse esquema de controle, embora a potência instantânea possa ser muito diferente de zona para zona como mostrado na FIG. 14, o tempo médio dos valores de potência durante o ciclo de controle para cada zona pode ser substancialmente o mesmo através da seleção adequada de freqüências ressonantes para os circuitos passivos.

[00062] O termo “peças a trabalhar eletricamente condutivas” inclui um susceptor, que pode ser um susceptor condutivo formado, por exemplo, por uma composição de grafita, que é aquecida por indução. O aquecimento induzido é então transferido através de condução ou radiação para as peças se movendo nas adjacências do susceptor, ou um processo sendo formado nas adjacências do susceptor. Por exemplo, a peça pode ser movida através do interior de um susceptor de maneira que absorva o calor irradiado ou conduzido pelo susceptor aquecido por indução. Nesse caso a peça pode ser um material eletricamente não-condutivo, tal como plástico. Alternativamente o processo pode ser executado dentro do susceptor, por exemplo, um fluxo do gás através do susceptor pode absorver o calor irradiado ou conduzido do susceptor aquecido por indução. A absorção de calor pela peça ou processo ao longo da extensão do susceptor pode não ser uniforme e o sistema de controle por indução da presente invenção pode ser usado para dirigir a potência induzida para regiões selecionadas do susceptor como exigido para calcular a falta de uniformidade. Geralmente se o processo é de aquecimento de uma

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 31/39 / 21 peça se movendo perto do susceptor, ou outro processo de absorção de calor é executado perto do susceptor, todos esses processos são referidos como “processos de absorção de calor”.

[00063] Dados da temperatura da zona para materiais fundidos podem ser introduzidos no sistema de controle 26 assim que o processo de aquecimento é executado. Por exemplo, para o susceptor, os sensores de temperatura, tal como termopares, podem ser colocados em cada zona do susceptor para fornecer sinais da temperatura da zona para o sistema de controle. O sistema de controle pode processar os dados da temperatura recebida e regular a freqüência de saída da fonte de alimentação de potência como exigido para o processo particular. Em vários exemplos da invenção o nível de potência de saída da fonte de alimentação de potência pode ser mantido constante; em outros exemplos da invenção, o nível de potência de saída da fonte de alimentação de potência (ou voltagem) pode ser alterado através de meios adequados, tal como modulação da largura de pulso, juntamente com a freqüência. Por exemplo, se a temperatura em toda parte do material eletricamente condutivo é muito baixa, o nível de saída de potência da fonte de alimentação de potência pode ser aumentado através do aumento do pulso da voltagem.

[00064] É observado que os exemplos antecedentes têm sido fornecidos apenas com o propósito de explicação e não são de nenhuma maneira para serem interpretados como limitadores da presente invenção. Enquanto a invenção tem sido descrita com referência a várias realizações, é entendido que as palavras que têm sido usadas aqui são palavras de descrição e ilustração em vez de palavras de limitação. Além disso, embora a invenção tenha sido descrita aqui com relação a meios, materiais e realizações particular, a invenção não pretende ser limitada a descobertas particulares aqui. Preferivelmente, a invenção se estende a todas as estruturas equivalentes funcionalmente, métodos e usos, tais como os que estão dentro da extensão das reivindicações anexas. Os exemplos da invenção incluem referências a

Petição 870170086598, de 09/11/2017, pág. 32/39 / 21 componentes elétricos específicos. Um versado na técnica pode realizar a invenção através da substituição de componentes que não são necessariamente do mesmo tipo mas criarão as condições desejadas ou executar os resultados desejados da invenção. Por exemplo, componentes simples podem ser substituídos por componentes múltiplos ou vice-versa. Elementos do circuito sem valores indicados nos desenhos podem ser selecionados de acordo com os procedimentos do projeto do circuito conhecido. Aqueles versados na arte, tendo o benefício dos ensinamentos dessa especificação, podem efetuar modificações numerosas também e alterações podem ser feitas sem se desviar do âmbito e espírito da invenção em seus aspectos.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Aparelho para aquecimento ou fusão por indução elétrica de um material eletricamente condutivo, o aparelho compreendendo:

um material eletricamente condutivo (90, 12a);

pelo menos uma bobina de indução ativa (22a) circundando uma primeira seção do material eletricamente condutivo, a pelo menos uma bobina de indução ativa conectada a uma fonte de alimentação de potência de corrente alternada (12) para formar um circuito ativo e para gerar um primeiro campo magnético, o primeiro campo magnético magneticamente acoplado com o material eletricamente condutivo (90, 12a) substancialmente na primeira seção do material eletricamente condutivo;

pelo menos uma bobina de indução passiva (24a, 24b) circundando uma segunda seção do material eletricamente condutivo, cada uma de pelo menos uma bobina de indução passiva conectada em paralelo com pelo menos um elemento de capacitância (CTUNE1, CTUNE2) para formar um circuito passivo, o primeiro campo magnético acoplando-se magneticamente com cada da pelo menos uma bobina de indução passiva (24a, 24b) para gerar uma corrente no circuito passivo, a corrente gerando um segundo campo magnético, o segundo campo magnético acoplando-se magneticamente com o material eletricamente condutivo (90, 12a) substancialmente na segunda seção do material eletricamente condutivo, a impedância de cada um dos circuitos passivos selecionada de maneira que cada um dos circuitos passivos tenha uma freqüência ressonante diferente, diferente de qualquer freqüência ressonante do circuito ativo;

um sistema de controle (26) para alterar seletivamente a freqüência de saída da fonte de alimentação de potência de corrente alternada para alterar a quantidade de potência induzida no circuito ativo e cada um dos circuitos passivos, o aparelho caracterizado pelo fato de que:

a pelo menos uma bobina de indução ativa (22a) compreende

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2 / 5 uma única bobina de indução ativa (22a) e a pelo menos uma bobina de indução passiva compreende um par de bobinas de indução passivas (24a, 24b), cada uma dentre o par de bobinas de indução passivas (24a, 24b) exclusivamente localizada adjacente a cada uma das extremidades opostas da única seção de bobina de indução ativa (22a), cada uma do par de bobinas de indução passiva (24a, 24b) formando um primeiro e um segundo circuitos passivos, respectivamente, a impedância de cada um do primeiro e segundo circuitos passivos selecionada de modo que cada um do primeiro e segundo circuitos passivos tenham uma frequência ressonante diferente da frequência ressonante do circuito ativo.

2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material eletricamente condutivo (90) é contido em um cadinho.
3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material eletricamente condutivo (12a) é um susceptor.
4. Aparelho de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle é configurado para alterar a frequência de saída da fonte de alimentação de potência de corrente alternada (12) para dirigir potência induzida para seções selecionadas do susceptor.
5. Aparelho de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle é configurado para alterar a frequência de saída da fonte de alimentação de potência de corrente alternada (12) por múltiplos períodos de tempo durante um ciclo de controle.
6. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um sistema de controle de nível de potência para alterar seletivamente o nível de saída de potência da fonte de alimentação de potência de corrente alternada (12).
7. Método de controle de aquecimento ou fusão por indução elétrica de um material eletricamente condutivo (90, 12a) circundado em pelo

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3 / 5 menos uma primeira região por pelo menos uma bobina de indução ativa (22a) formando um circuito ativo e em pelo menos uma segunda região por pelo menos uma bobina de indução passiva (24a, 24b) formando um circuito passivo com um elemento capacitivo (Ctunei, Ctune2), o circuito passivo tendo uma frequência ressonante diferente de qualquer frequência ressonante do circuito ativo, o método compreendendo:

fornecer uma primeira corrente alternada para o circuito ativo a partir da fonte de alimentação de potência (12) para gerar um primeiro campo magnético em torno de pelo menos uma bobina de indução ativa (22a), o primeiro campo magnético acoplando-se magneticamente com o material eletricamente condutivo (90, 12a) substancialmente na pelo menos uma primeira região, o primeiro campo magnético acoplando-se magneticamente com a pelo menos uma bobina de indução passiva (24a, 24b) para induzir uma segunda corrente alternada ao circuito passivo para gerar um segundo campo magnético em torno da pelo menos uma bobina de indução passiva (24a, 24b), o segundo campo magnético acoplando-se magneticamente com o material eletricamente condutivo (90, 12a) substancialmente na pelo menos uma segunda região; e o método caracterizado pelo fato de que compreende ainda as etapas de:

formar a pelo menos uma bobina de indução ativa (22a) a partir de uma única bobina de indução ativa (22a);

formar a pelo menos uma bobina de indução passiva (24a, 24b) a partir de um par de bobinas de indução passivas (24a, 24b);

localizar uma dentre o par de bobinas de indução passivas (24a, 24b) adjacente a cada uma das extremidades opostas da única bobina de indução ativa (22a) para formar um primeiro e um segundo circuitos passivos, respectivamente, selecionar a impedância de cada um do primeiro e segundo

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4 / 5 circuitos passivos, de modo que cada um do primeiro e segundo circuitos passivos tenham uma frequência ressonante diferente da frequência ressonante do circuito ativo; e ajustar a frequência da primeira corrente alternada para alterar a distribuição de potência induzida aplicada à única bobina de indução ativa (22a) e ao par de bobinas de indução passiva (24a, 24b).
8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma etapa de sobrepor, interespaçar ou contra-enrolar as extremidades do par de bobinas de indução passiva (24a, 24b) adjacentes às extremidades opostas da única bobina de indução ativa (22a).
9. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente etapas de colocar o material eletricamente condutivo (90) em um cadinho (10) e ajustar a freqüência da primeira corrente alternada para fundir seções do material eletricamente condutivo (90) não substancialmente no estado em fusão.
10. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o material eletricamente condutivo (12b) é um susceptor e compreende adicionalmente a etapa de executar um processo de absorção de calor na vizinhança do susceptor de maneira que o processo absorve calor induzido no susceptor por radiação ou condução.
11. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de ajustar a freqüência da primeira corrente alternada de maneira que a defasagem entre as correntes do circuito ativo e dos circuitos passivos seja igual a 90° graus elétricos.
12. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de alterar a frequência de saída da fonte de alimentação de potência por múltiplos períodos de tempo durante um ciclo de controle.

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13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de ajustar o nível de saída de potência da fonte de alimentação de potência.

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102

Correntes

106 Inversor

102

Correntes alternadas principais

Retificado 104

106

Inversor <

Correntes r=alternadas 4 — principais

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