ES2273353T3 - Aparato de adaptacion de impedancia para conectar un generador electrico de alta frecuencia en estado solido a una carga. - Google Patents
Aparato de adaptacion de impedancia para conectar un generador electrico de alta frecuencia en estado solido a una carga. Download PDFInfo
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN APARATO CALENTADOR ELECTRICO DE ALTA FRECUENCIA EN EL QUE LAS PIEZAS METALICAS (10) SE CALIENTAN A MEDIDA QUE AVANZAN, YA SEA CON FINES DE RECOCIDO O DE SOLDADURA DE FORJA, Y EN EL QUE LA CORRIENTE ELECTRICA DE CALENTAMIENTO ES SUMINISTRADA POR UN INVERSOR C.C.-C.A. DE ESTADO SOLIDO (2-5,8) A TRAVES DE UN CIRCUITO DE CONTROL DE FRECUENCIAS Y EQUILIBRADO DE CAGA (13) QUE MANTIENE LA CORRIENTE DE CARGA Y LA FRECUENCIA DE LA CORRIENTE CON CAMBIOS EN LA IMPEDANCIA DE LA CARGA PROVOCADOS POR LAS PIEZAS METALICAS (10) A MEDIDA QUE AVANZAN.
Description
Aparato de adaptación de impedancia para
conectar un generador eléctrico de alta frecuencia en estado sólido
a una carga.
Esta invención se refiere al calentamiento de
porciones de partes metálicas que se hacen avanzar a medida que se
calientan utilizando una corriente de alta frecuencia, es decir, 3
kHz o superior, para el recocido de una porción soldada previamente
y 100 kHz o superior para la soldadura de fragua en la que las
porciones de las partes metálicas a soldar entre sí se calientan a
la temperatura de soldadura de fragua y en la que la corriente de
alta frecuencia se suministra mediante un convertidor de CC a CA que
utiliza componentes de estado sólido para el suministro de
corrientes de alta frecuencia.
La soldadura de fragua de partes metálicas entre
sí tales como chapas, aletas de tubos, etc., o porciones de borde
de una misma parte doblada de manera que las porciones se enfrentan
en un mismo punto de soldadura a medida que esta parte se avanza
longitudinalmente, por ejemplo, cuando una chapa o banda metálica se
dobla en forma de tubo y la banda se avanza en la dirección del eje
del tubo, usando corrientes eléctricas de alta frecuencia, es un
tipo de soldadura bien conocido en la técnica. Véase, por ejemplo,
las patentes de EE. UU. números 2.774.857; 3.037.105 y
4.197.441.
En general, las partes metálicas, o las
porciones de una parte metálica, a soldar entre sí se calientan en
las porciones a unir mediante corriente eléctrica de alta frecuencia
a la temperatura de soldadura de fragua que, normalmente es de al
menos 1300ºF (704ºC) y puede ser de 2500ºF - 2700ºF (1371ºC -
1482ºC) para acero, pero que es inferior a la temperatura de fusión
del metal y cuando las porciones a unir alcanzan la temperatura de
soldadura de fragua, son presionadas entre sí para producir una
soldadura entre dichas porciones.
La corriente de calentamiento se hace que fluya
en sentidos opuestos en las caras opuestas de las porciones
metálicas a unir o soldar entre sí para aprovechar el "efecto de
proximidad" que hace que las corrientes que fluyen inversamente
se incrementen en las caras en comparación con la corriente que
fluye más alejadamente de las caras. Las corrientes de alta
frecuencia se utilizan para aprovechar el muy conocido "efecto
piel".
En la soldadura de fragua, se hace que la
corriente de calentamiento fluya en las porciones a calentar a la
temperatura de la soldadura bien mediante contactos que enganchan
las partes o mediante una bobina de inducción que induce la
corriente en las partes. En el recocido, la corriente de recocido
normalmente se induce en las partes mediante una bobina de
inducción y la temperatura de recocido normalmente es de al menos
1300ºF (704ºC) y puede estar entre los límites 1400ºF - 1500ºF
(760ºC - 815ºC) para acero, pero es inferior a la temperatura de
fusión y a la temperatura de soldadura de fragua del metal. En el
pasado, las fuentes de corriente de alta frecuencia usadas han
incluido osciladores de tubos de vacío. Debido a la magnitud de las
corrientes de calentamiento asociadas, es decir, miles de amperios,
los tubos de vacío son grandes y costosos.
Relativamente recientemente, se han desarrollado
dispositivos electrónicos de estado sólido de gran potencia que se
pueden usar en fuentes de energía eléctrica de alta frecuencia para
generar las corrientes de calentamiento necesarias sin el uso de
tubos de vacío. Dichos generadores de alta frecuencia de estado
sólido tienen ciertas ventajas sobre los osciladores de tubos de
vacío, tales como el tamaño, el bajo voltaje de funcionamiento y la
mejor eficiencia eléctrica teórica. Por ejemplo, los dispositivos de
estado sólido son menores que los tubos de vacío requeridos de
manera que el tamaño total de la fuente puede ser menor. Para
producir las grandes corrientes necesarias, los tubos de vacío
tienen que ser suministrados con una energía eléctrica de alto
voltaje, por ejemplo, miles de voltios, mientras que los
dispositivos de estado sólido necesitan energía eléctrica a solo
centenares de voltios.
Además, la máxima eficiencia eléctrica teórica,
es decir, el porcentaje de energía eléctrica de alta frecuencia de
salida respecto de la energía eléctrica de corriente a baja
frecuencia o continua requerida para producir energía eléctrica de
alta frecuencia, necesaria para producir energía eléctrica a alta
frecuencia, es de aproximadamente el 65% en un oscilador de tubos
de vacío y aproximadamente del 80% en un generador de energía
eléctrica a alta frecuencia. La eficiencia eléctrica es importante
en muchos casos, por ejemplo, cuando la energía eléctrica
suministrada a la planta por una empresa proveedora es costosa o
cuando se desea incrementar la magnitud de la corriente de
soldadura usada en un aparato de soldadura existente por diferentes
razones pero las líneas, transformadores, etc. de suministro tienen
que ser modificados o sustituidos para suministrar la corriente
adicional necesaria. En consecuencia, la sustitución de un oscilador
de tubos de vacío, que solo es parte de la inversión en el aparato
de soldadura, por un generador de alta frecuencia de estado sólido
es posible no solo para mejorar la eficiencia eléctrica y, con
ello, el coste de la soldadura, sino también para incrementar las
corrientes de soldadura sin incrementar la demanda sobre el
equipamiento de la empresa proveedora de energía eléctrica.
En consecuencia, es evidente que si se puede
usar un generador de alta frecuencia de estado sólido en lugar de
un generador de alta frecuencia con tubos de vacío, se obtienen
varias ventajas.
Un tipo de generador de alta frecuencia de
estado sólido es un convertidor de corriente continua a corriente
alterna. Véase, por ejemplo. El artículo titulado "A Comparison of
Load Commutated Inverter System for Induction Heating and Melting
Applications" que aparece en Transactions del IEEE sobre
Electrónica de Potencia, Vol. 6, Nº. 3, Julio de 1991 que revela
una fuente de corriente, un convertidor sintonizado en paralelo y
una fuente de voltaje, un sistema de convertidor sintonizado en
serie, usando ambos convertidores tiristores, para un horno de
fundición de metales. Igual que todos los generadores, la máxima
transferencia de potencia desde el generador a una carga se obtiene
cuando la impedancia de la carga coincide con la impedancia del
generador.
Además, debido a que la carga conmuta el
convertidor o hace que el convertidor sea conmutado, la carga debe
ser un circuito resonante sintonizado a la frecuencia de la
corriente alterna de salida. Un generador de alta frecuencia de
estado sólido tiene una impedancia baja comparada con la impedancia
de un generador de tubos de vacío. Con un generador de tubos de
vacío, debido a las impedancias de la carga y del generador de tubos
de vacío y a los voltajes usados, normalmente es necesario un
transformador reductor especial para acoplar el generador a la
carga. Véase, por ejemplo, la patente nº. 2.825.033. La "carga"
de un generador es, por supuesto, todo el equipamiento eléctrico
conectado a los terminales de salida del generador. En aparatos de
soldadura y recocido del tipo descrito, la impedancia de la carga se
ve afectada por muchos factores que incluyen la naturaleza, tamaño
y forma de las partes a soldar o recocer, ya se use una bobina de
inducción o contactos, los tramos de conductor de conexión y la
impedancia, el movimiento de las partes, etc. Como consecuencia, la
impedancia de la carga es difícil, sino imposible, de predecir e,
históricamente, cuando el generador es de tubos de vacío, se tienen
que usar transformadores de alta frecuencia de inductancia mutua
variable o transformadores de alta frecuencia con múltiples tomas
primarias entre la carga y el oscilador a la escala de la impedancia
de la carga con el valor adecuado. Otros procedimientos empleados
han sido la adición o retirada de condensadores de transformador o
el uso de inductores graduales con barras cortocircuitantes
ajustables manualmente. Todos los procedimientos, excepto el del
transformador de inductancia mutua variable, sufren del hecho de que
el equilibrado de la carga solo se puede ajustar con una baja
potencia de salida o sin potencia alguna, de manera que, con estos
procedimientos, no fue posible un sistema de optimización del
equilibrado de la carga "en línea" o continuamente.
Un generador de alta frecuencia de estado sólido
del tipo CC a CA es relativamente sensible, en cuanto a la
frecuencia generada, a los cambios de impedancia de la carga en
comparación con la sensibilidad a la frecuencia de los generadores
de alta frecuencia de tubos de vacío de la técnica anterior. En
dicho artículo, los componentes de producción de energía de alta
frecuencia están aislados de la carga por un transformador reductor
de relación fija y el metal a calentar está sustancialmente
inmóvil. Con un generador de alta frecuencia de estado sólido, si
la frecuencia resonante de la carga varía, la frecuencia de la
corriente de salida del generador, varía también. La impedancia de
la carga que es dependiente de la frecuencia, varía también y puede
cambiar la impedancia de la carga y la relación con la impedancia
del generador. Por lo tanto, un cambio en la impedancia de la carga
puede producir desajustes indeseables en la frecuencia y en la
impedancia. Mientras que el mismo tipo de transformadores de
inductancia mutua variable o de tomas usado en soldadoras de tubos
de vacío se pueden usar con algunos conversores, especialmente con
los alimentados con voltaje, otro tipos de conversor, especialmente
los convertidores alimentados con corriente, no funcionan bien
cuando se conectan a un transformador con tomas. Los
transformadores de tomas sufren de su incapacidad para ajustar la
impedancia de la carga a niveles de potencia significativos durante
el funcionamiento del generador.
Aunque dicho artículo describe algunos de los
problemas que surgen en un horno de fundición, no trata el
reconocimiento de los problemas del calentamiento de una parte o
partes en movimiento tal como en un aparato de soldadura de fragua
o en un aparato de recocido conectado a un convertidor y que opera a
frecuencias de 3 kHz y superiores necesarias para el recocido y la
soldadura de fragua. El artículo propone el uso de un transformador
con porcentaje de coincidencia fijo que es insatisfactorio para
aparatos soldadura de fragua y de recocido con partes móviles y no
revela un aparato de compensación automática de las variaciones de
la carga simultáneamente con el movimiento continuo de las
partes.
Por consiguiente, no es cuestión de sustituir
meramente un generador de alta frecuencia de estado sólido por un
generador de alta frecuencia de tubos de vacío. Por el contrario se
deben hacer preparativos especiales para el control de la
impedancia de la carga y de la frecuencia.
La patente de EE.UU. nº. 1.948.704 revela una
invención que está dirigida a mejoras de procedimientos de operación
de hornos de alta frecuencia y similares, en los que durante su
operación la constante dieléctrica así como la resistencia óhmica
de la carga están sometidas a cambios, como es el caso, por ejemplo,
en un grado pronunciado de fusión del hierro, donde la
permeabilidad magnética y la conductividad eléctrica muestran
valores diferentes antes y después de la fusión. La invención se
caracteriza por la declaración de que la resistencia a la corriente
alterna del circuito de la carga en el que está dispuesto el horno
se controla para mantenerla continuamente sin cambios, con lo que,
como consecuencia del mantenimiento de la impedancia estrictamente
constante, es posible la estabilidad de la carga del generador. El
circuito de la carga se controla sin tener en cuenta la resistencia
del horno de alta frecuencia.
Las patentes de EE. UU. números 2.856.499 y
3.145.285 revelan reactores variables para variar la corriente de
una carga de soldadura. En el momento de la solicitud de las
patentes anteriores (27 de febrero de 1934, 28 de febrero de 1957 y
19 de junio de1963), no estaban disponibles los generadores de alta
frecuencia con suficiente potencia de salida a fines de soldadura
de fragua y que usaran dispositivos de estado sólido, sino que los
generadores de alta frecuencia usados como fuente de alta frecuencia
eran los de alta frecuencia con tubos de vacío, y los inventores
citaban en aquel momento generadores que no eran de estado sólido.
Dichos otros generadores no se ven afectados por los cambios en la
impedancia de la carga de la misma manera que los generadores de
alta frecuencia de estado sólido, y los reactores variables se
usaban meramente para permitir cambios en la corriente de
calentamiento y no favorecían la coincidencia de impedancias ni la
superación de los problemas de cambio de frecuencia que se
presentan en los reactores de alta frecuencia de estado sólido.
Como se indicó anteriormente, las corrientes de
calentamiento son de gran magnitud, es decir, miles de amperios, y
cualquier reactor de serie debe ser capaz de conducir dichas
corrientes sin sobrecalentamiento. Por estas razones, cuando las
corrientes de calentamiento son grandes es necesario que el reactor
de serie tenga características exclusivas.
Un objetivo de la presente invención es proveer
un sistema eléctrico de alta frecuencia de calentamiento o de
soldadura en el que los inconvenientes mencionados anteriormente
están sustancialmente eliminados.
De acuerdo con un aspecto de la presente
invención se provee un sistema de calentamiento de alta frecuencia
para el calentamiento de una porción o de porciones de una parte o
de partes metálicas a una temperatura de, por ejemplo, al menos
1300ºF (aproximadamente 700ºC) pero inferior a la temperatura de
fusión del metal, a medida que las porciones se hacen avanzar,
comprendiendo dicho sistema, un convertidor eléctrico de estado
sólido con una salida para suministrar energía eléctrica de alta
frecuencia, cuya magnitud y frecuencia son dependientes de la
impedancia de una carga conectada al mismo, comprendiendo dicha
carga medios para hacer que la corriente de calentamiento eléctrico
fluya en dicha porción o porciones mientras avanza dicha parte o
partes; y medios de equilibrado de la carga y de control de la
frecuencia conectados a dicha salida de dicho convertidor y a
dichos medios para hacer que la corriente de calentamiento fluya en
dichas porciones, comprendiendo dichos medios de equilibrado de la
carga y de control de la frecuencia: un primer reactor conectado
eléctricamente en serie entre dicha salida y dicha carga y un
segundo reactor conectado eléctricamente en paralelo con dicha
salida, produciendo cada uno de dichos primer reactor y segundo
reactor campos de energía cuando se energizan eléctricamente,
siendo dicho campo variable en reactancia debido a la variación del
campo de energía de los medios contiguos a los mismos y variable
respecto del mismo; y un condensador con conexión eléctrica a dicha
salida que es igual que el de dicho primer reactor y de dicho
segundo reactor.
Por consiguiente, el aparato de la invención
puede comprender un reactor variable en serie entre la salida del
generador de alta frecuencia de estado sólido y la carga, y un
reactor variable en paralelo con la salida del generador,
careciendo dichos reactores de contactos para el ajuste de la
reactancia, para ajustar continuamente la coincidencia de la
impedancias de la carga y del generador y la frecuencia de la
corriente de calentamiento a cualquier nivel de potencia,
eliminando de esta manera la necesidad de un transformador de alta
frecuencia ajustable.
Preferiblemente, los reactores forman parte de
una red resonante sintonizada que incluye condensadores fijos
incorporados en los conductores a la carga, es decir, los contactos
o la bobina de inducción y las partes en calentamiento, para el
equilibrado de la carga y el control de la frecuencia.
La invención se entenderá mejor haciendo
referencia a la siguiente descripción de realizaciones preferidas
que se deben considerar en relación con los dibujos adjuntos, en los
que:
La figura 1 es un diagrama esquemático de una
primera realización de la invención en la que el generador de
estado sólido es un sistema de convertidor de una fuente de
corriente;
La figura 2 es un diagrama esquemático de una
realización de la invención en la que el generador de estado sólido
es un sistema de convertidor sintonizado en serie con una fuente de
voltaje;
La figura 3 es un diagrama de bloques y un
esquema combinados de un aparato de control automático del aparato
de equilibrado de la carga usado en la invención;
Las figuras 4 y 5 son vistas en perspectiva
esquemáticas que ilustran, respectivamente, una carga de soldadura
de fragua que usa contactos de alimentación y una bobina de
inducción para inducir corriente de calentamiento en las porciones
del borde de una banda metálica doblada para formar un tubo; La
figura 6 es una vista en perspectiva esquemática que ilustra una
carga constituida por un aparato de recocido para recocer el metal
de la costura de un tubo soldado que usa una bobina de
inducción;
Las figuras 7 y 8 son vistas esquemáticas en
planta y lateral que ilustran el uso de un reactor variable,
variable por un elemento conductor y un elemento magnético de están
omitidos en la figura 7 para facilitar la ilustración y los
conductores que están omitidos en la figura 8;
Las figuras 9 y 10 son vistas esquemáticas en
planta y lateral de una realización alternativa del reactor
mostrado en las figuras 7 y 8;
La figura 11 es una vista en planta esquemática
de una modificación del aparato mostrado en las figuras 9 y 10;
La figura 12 es una vista en perspectiva de una
forma alternativa de un reactor variable en el cual un elemento
conductor es contiguo y móvil respecto de un conductor de gran
reactancia que interconecta el reactor con el convertidor y con la
carga;
La figura 13 es una vista en perspectiva de una
realización de un reactor variable en el que un elemento conductor
está aislado de un conductor o conductores de gran impedancia;
La figura 14 es una vista esquemática en alzado
que ilustra un aparato para mover los elementos conductores que
varían la reactancia de un reactor mostrados en la figura 13;
La figura 15 es una vista en perspectiva
esquemática de un par de bobinas conductoras conectadas en paralelo
con la salida del convertidor que son variables en reactancia por
sus núcleos que están hechos de un material magnético;
La figura 16 es una vista lateral esquemática de
reactores en serie y en paralelo con la salida del convertidor y
variables en reactancia por sus núcleos de material magnético; y
Las figuras 17 y 18 son vistas en planta y en
perspectiva de un reactor que comprende conductores que pueden
tener un espaciado variable para variar la reactancia del mismo.
La invención va a ser descrita en conexión con
los convertidores eléctricos del tipo descrito en dicho artículo de
dicho "Transactions of Power Electronics" del IEEE excepto que
los tiristores revelados en el presente son sustituidos por
transistores de efecto de campo semiconductores de un óxido metálico
(MOSFETs) pata evitar que se inicien los problemas descritos en
dicho artículo y en conexión con el calentamiento de una porción o
porciones de partes metálicas móviles con una corriente de
frecuencia de al menos 3 KHz. Sin embargo, en la invención se puede
usar cualquier convertidor eléctrico de estado sólido.
La figura 1 es un diagrama esquemático del
convertidor de fuente de corriente, mostrado en la figura 2 de
dicho artículo, modificado para sustituir los tiristores por MOSFETs
y para incluir el aparado de equilibrado de la carga de la
invención. En la figura 1, un rectificador 1 convencional que
convierte corriente alterna trifásica en corriente continua está
conectado a los circuitos del convertidor que comprenden los MOSFETs
2, 3, 4 y 5 a través de los conductores 6 y 7 y de un inductor 8
fijo. Un sensor 9 de corriente convencional está asociado con el
conductor 6. Dicho sensor provee una salida proporcional a la
corriente suministrada al convertidor y, por lo tanto, a la carga
10 o al aparato de suministro de corriente de calentamiento, tal
como los contactos que enganchan la parte o partes móviles o una
bobina de inducción que induce corriente de calentamiento en dichas
partes.
La operación del convertidor es convencional y
conocida para los expertos en la técnica y tiene conductores 11 y
12 de salida conectados a la carga 10 por un aparato 13 de
equilibrado de la carga que comprende un primer reactor 14 variable
conectado eléctricamente en serie entre la salida del convertidor y
la carga 10, un segundo reactor 15 variable conectado
eléctricamente en paralelo con la salida del convertidor, un primer
condensador 16 de alta frecuencia de pérdida baja conectado
eléctricamente en serie entre la salida del convertidor y la carga
10 y un segundo condensador 17 de pérdida baja y alta frecuencia
conectado eléctricamente en paralelo con la salida del convertidor.
Opcionalmente, se puede omitir el condensador 16 pero se prefiere su
presencia.
A las frecuencias utilizadas, la carga incluye
conductores y una bobina de inducción o contactos que hacen
contacto con un tubo que tiene inductancia y resistencia, y la
carga tiene una resistencia y una inductancia significativas. Dicha
carga, los reactores 14 y 15 y los condensadores 16 y 17 forman un
circuito resonante conectado a la salida del convertidor. Como se
sabe, la impedancia de un circuito resonante es igual a la
resistencia del circuito resonante. La selección de los valores de
los condensadores 16 y 17 y los límites de los dos reactores 14 y
15 variables provienen de la determinación del valor de la
inductancia de la carga nominal, que es la suma de la inductancia
de la carga nominal con un tubo en calentamiento y, si se usa, con
cualquier núcleo magnético dentro del tubo y de la inductancia de
trabajo del colector auxiliar, los límites de las resistencias de
la carga a equilibrar con la soldadora y la frecuencia de soldadura.
También se requiere para completar el diseño el conocimiento del
valor de la impedancia resistiva a la que el convertidor puede
aportar toda su potencia. Con este conocimiento, se calcula el valor
Cp del condensador 17 que es el valor necesario para soportar la
corriente circulante más alta producida por el circuito resonante a
toda potencia de salida. Se puede demostrar que este es:
C_{p} =
\left(\frac{1}{2 \times Pi \times f}\right) \times \left(\frac{1}{Ro
\times
R_{min}}\right)^{^{1}/_{2}}
donde:
pi es 3,1415926,
f es la frecuencia de soldadura deseada,
Ro es la impedancia resistiva requerida por el
convertidor para suministrar toda su potencia de salida,
y
Rmin es la impedancia resistiva mínima prevista
en los terminales de la bobina de trabajo.
Conociendo Cp, se calcula el valor Cs del
condensador 16 para hacer que el circuito resonante resuene a la
frecuencia de soldadura:
C_{s} =
\frac{C_{p}}{C_{p} \times L_{nom} \times (2 \times Pi \times f)^{2}
-1}
donde: Lnom es la inductancia de la
carga
nominal.
Con los valores elegidos anteriormente, el
circuito mostrado en la figura 1 proveerá la impedancia resistiva
correcta al convertidor para que pueda suministrar toda su potencia
de salida cuando la bobina de trabajo presente su inductancia
nominal y su resistencia mínima, y cuando la inductancia de los dos
reactores 14 y 15 variables, pueda ser despreciable, es decir, la
Lp del reactor 15 sea esencialmente infinita y la Ls del reactor 14
tenga una inductancia esencialmente cero.
Para equilibrar los valores mayores de la
resistencia de la bobina de trabajo, se debe ajustar el reactor 14
variable para lograr la corriente necesaria para disipar la misma
potencia que fue lograda en el caso de la resistencia de la carga
mínima. Esto se puede realizar incrementando el valor de la
reactancia del reactor 14, aceptando que el voltaje a través del
reactor 15 es constante a toda potencia de salida si la carga está
equilibrada. Debido a que la reactancia de la carga es mucho mayor
que la resistencia (carga Q alta), una buena aproximación es
que:
L_{s} max =
\left(\frac{R \ max}{R \ min^{^{1}/_{2}}} -1\right) \times
Lnom
donde:
L_{s}max es el valor de diseño máximo
requerido por el reactor 14 variable, y:
Rmax es la Resistencia de la carga máxima
prevista en los terminales del dispositivo de suministro de
corriente a la carga.
Sin embargo, a medida que Ls se incrementa para
coincidir con las resistencias de la carga mayores, la inductancia
del circuito resonante se incrementa, su frecuencia resonante cae y,
por lo tanto, la frecuencia de soldadura se reduce. Para mantener
la frecuencia de soldadura en su valor deseado, la reactancia Lp del
reactor 15 variable se reduce para que la inductancia efectiva del
circuito sea siempre igual a Lnom:
L_{p} min =
Lnom \times (Lnom + L_{s} max) L_{s}
max
Por lo tanto, son necesarios dos reactores
variables, uno ajustable en reactancia desde Lp min hasta un valor
grande, y otro ajustable desde un valor de la inductancia pequeño
hasta Ls max. Estos reactores están diseñados de manera que los
valores de su reactancia se puedan ajustar cuando el convertidos
está suministrando toda su potencia.
Como ejemplo, asumamos que los reactores 14 y 15
son del tipo mostrada en la patente de EE. UU, nº. 2.856.499 que
son ajustables en reactancia por el núcleo mostrado en el mismo que
es parcialmente magnético y parcialmente conductor y no
magnético.
El reactor 15 está diseñado para que tenga una
inductancia sin núcleo igual al valor mínimo, Lp min, requerido. El
núcleo de la bobina del reactor 15 contiene suficiente material
magnético, por ejemplo, ferrita, para hacer que la inductancia de
la bobina sea al menos 5 veces Lnom cuando el núcleo está totalmente
insertado en la bobina. La parte conductora del núcleo se puede
omitir. El núcleo del reactor 14 contiene ferrita en un extremo y
cobre en el otro. Cuando la porción de cobre del núcleo está
insertada en la bobina, esta tendrá su valor mínimo de reactancia
determinado por la separación entre el núcleo de cobre y el interior
de la bobina. Es posible diseñar esta separación para obtener un
valor mínimo de la reactancia en el reactor 14 inferior al 10% de
Lnom. Al colocar el núcleo en su otro extremo la ferrita se sitúa
dentro de la bobina. La bobina está diseñada para que tenga una
inductancia Ls max en esta situación. Los reactores están integrados
físicamente con el conjunto de conductores que conectan el
convertidor a la bobina de trabajo como se describe más
adelante.
El ajuste de las posiciones de los núcleos en
los reactores para que se correspondan con la resistencia de la
carga funcionando el convertidor a la frecuencia de soldadura de
diseño, es una cuestión sencilla. Se puede hacer colocando los
núcleos manualmente, o pueden estar motorizados y ajustarse bien
manualmente o automáticamente. Cuando el convertidor se arranca por
primera vez con una nueva bobina y/o carga, los núcleos se colocan
inicialmente de manera que ambos inductores presenten su valor
máximo (el núcleo del reactor 15 totalmente dentro y el núcleo del
reactor 14 totalmente en el lado de la ferrita). Esto crea la mayor
carga Q para el convertidor y lo sintoniza a la menor frecuencia
obtenible por la red de equilibrado de la carga. Se observan los
valores relativos del voltaje y de la corriente del convertidor y
el núcleo del reactor 14 se recoloca lentamente de manera que el
convertidor vaya suministrando la misma proporción de sus valores
máximos de voltaje y de corriente al nivel deseado de potencia
operativa. Se retira el núcleo del reactor 15 para obtener la
frecuencia operativa deseada. Esto se puede hacer equilibrando con
el ajuste del núcleo del reactor 14 o posteriormente al mismo. Si
los núcleos se ajustan sucesivamente, puede ser necesario reajustar
el núcleo del reactor 14 después del ajuste del núcleo del reactor
15 y, seguidamente el reajuste el núcleo del reactor 14.
Generalmente, una iteración es suficiente para lograr un
equilibrado de la resistencia de la carga aceptable a la frecuencia
de soldadura de diseño.
La figura 2 ilustra esquemáticamente un
convertidor sintonizado en serie con una fuente de voltaje conectado
a una carga mediante el aparato 15 de equilibrado de cargas. Los
elementos correspondientes de la figura 2 están designados por los
numerales de referencia usados en la figura 1. Se ha añadido un
condensador 18 de filtrado y se ha cambiado la posición relativa
del condensador 16 respecto de los demás elementos. Opcionalmente,
se puede omitir el condensador 17.
La selección de los valores de los componentes
14 -17 se realiza esencialmente como se describe en relación con la
figura 1 y será fácilmente evidente para los expertos en la técnica.
Asimismo, los reactores 14 y 15 se ajustan como se describe en
relación con la figura 1, siendo el objetivo hacer que la carga que
equilibra el aparato 13 conectado a la carga 10 sea resonante a la
frecuencia de operación deseada.
La figura 4 ilustra esquemáticamente y en
perspectiva un tipo de carga 10 conocido en forma de tubo 19
metálico formado doblando una chapa metálica a medida que esta
avanza en la dirección de la flecha hacia el punto 21 de soldadura
de fragua, siendo suministrada la corriente de alta frecuencia a las
porciones 22 y 23 del borde por los contactos 24 y 25 que enganchan
las porciones 22 y 23 del borde antes del punto de soldadura.
La figura 5 ilustra esquemáticamente y en
perspectiva una carga 10a en la que las corrientes son inducidas en
las porciones 22 y 23 del borde de un tubo 11 metálico, a medida que
este avanza en la dirección de la flecha 26, por una bobina 27 de
inducción espaciada del tubo 11. Dentro del tubo 11 se puede
disponer otros tipos de bobinas de inducción, tal como una bobina
que rodea el tubo 11, antes del punto 21 de soldadura y en ambos
las cargas 10 y 10a, son un miembro magnético conocido como
"impedidor".
La figura 6 ilustra esquemáticamente y en
perspectiva una carga 10b en la que un tubo 12 soldado previamente
tiene una costura 28 soldada, calentándose dicho tubo formado por el
aparato de la figura 4 o 5 en la costura 28 por una corriente de
alta frecuencia inducida en la costura 28 por una bobina 29 de
inducción espaciada del tubo 12, a medida que el tubo 12 avanza en
la dirección de la flecha 30, a fines de recocido.
Como se indicó anteriormente, los conductores
que conectan los medios de suministro de corriente a la carga,
tales como los contactos 24 y 25 o las bobinas 27 o 29 de inducción,
tienen reactancia inductiva y resistencia, los contactos 24 y 25
tienen resistencia y las bobinas 27 y 29 tienen reactancia inductiva
y resistencia. En el sistema de la figura 4, el tubo 11 presenta
reactancia inductiva y resistencia en los contactos 24 y 25, y en
el sistema de las figuras 5 y 6, la reactancia de las bobinas 27 y
29 se ve afectada por el material de los tubos 11 o 12, que puede
variar a lo largo de su longitud, y por el espaciado entre las
bobinas y los tubos. Por lo tanto, a medida que los tubos 11 o 12
avanzan, la impedancia presentada en la salida del aparato que
equilibra la carga varía normalmente, y es necesario compensar las
variaciones para mantener una corriente de calentamiento con una
magnitud y una frecuencia sustancialmente constantes.
La figura 3 es un diagrama esquemático de un
aparato de control automático que se puede usar con el aparato
mostrado en la figura 1 para controlar la impedancia presentada en
el convertidor 31 en sus conductores 11 y 12 de salida y, por lo
tanto, la frecuencia y la magnitud de la corriente suministrada por
el convertidor 31.
Aunque no se muestra en las figuras 1 y 2, el
rectificador 1 normalmente tiene un control 32 para controlar el
voltaje de la C.C. del rectificador 1. El nivel nominal de la salida
del rectificador se puede fijar, como se indicó, manualmente. La
corriente de salida del sensor 9 se suministra a un comparador 33 de
corriente de un tipo conocido, y la salida del comparador 33 se
suministra al control 32 para asegurar que no se excede el nivel de
corriente máximo.
La salida del sensor 9 y la salida de otro
sensor 34, que facilita información relativa al voltaje y a la
frecuencia en los conductores 11 y 12 de potencia, es suministrada a
un comparador 35 de un tipo conocido que compara el voltaje, la
corriente y la frecuencia medidos con valores predeterminados del
voltaje de la corriente y de la frecuencia y actúa como control del
equilibrado de la carga para mantener en los niveles deseados la
impedancia de la carga y la frecuencia del convertidor en la salida
del convertidor 31. El comparador 35 suministra una salida
eléctrica que actúa como motor 36 para variar el elemento de control
de la reactancia del reactor 14 y una salida eléctrica que actúa
como motor 37 para variar el control de la reactancia del reactor
15.
La salida del sensor 34 también se suministra a
un control 38 de alta frecuencia de un tipo convencional que
controla y sincroniza la activación de los MOSFETs
2-5 de manera convencional.
En una realización preferida de la invención,
cada 90 segundos el comparador 35 Im6:
- (1)
- Mide el voltaje y la corriente y si la relación resultante de voltaje medido a voltaje máximo a la relación de corriente medida a corriente máxima es superior a 1,05, la salida del comparador hace que el motor 36 opere para reducir la reactancia del reactor 14. Si la relación resultante es inferior a 0,95, la salida del comparador hace que el motor 36 opere para incrementar la reactancia del reactor 14; y
- (2)
- Compara la frecuencia medida con la frecuencia deseada, y si la relación de la frecuencia medida a la frecuencia deseada es superior a 1,05, la salida del comparador 35 hace que el motor 37 opere para incrementar la reactancia del reactor 15. Si la relación es inferior a 0,95, la salida del comparador 35 hace que el motor 37 opere para reducir la reactancia del reactor 15.
Por supuesto que los intervalos de medición
pueden ser superiores o inferiores a 90 segundos y que los niveles
a los que se hacen los ajustes de los reactores 14 y 15 pueden ser
diferentes dependiendo de las variaciones permisibles del
equilibrado de la carga deseado.
De lo anterior, es evidente que el control o
comparador 35 del equilibrado de la carga en conjunción con los
reactores 14 y 15 controlan la impedancia presentada al convertidor
31 en los conductores 11 y 12. Por lo tanto, el reactor 15 controla
la frecuencia a la que opera el convertidor 31, y el reactor 14
controla la reactancia en serie con la carga 10 de manera que, en
conjunción con el reactor, la impedancia presentada al convertidor
31 en los conductores 11 y 12 de salida es igual o sustancialmente
igual a la impedancia del convertidor 31 haciendo de esta manera
que el suministro de energía eléctrica a los conductores 11 y 12 sea
máxima. Usando condensadores 16 y 17 de pérdida relativamente baja,
reactores 14 y 15 de pérdida relativamente baja y conductores de
pérdida relativamente baja entre los conductores 11 y 12 y la carga
10, también se suministrará una potencia máxima a la carga 10.
Mientras que los condensadores de pérdida baja
están disponibles comercialmente, es difícil suministrar reactores
de pérdida baja sin contactos de ajuste y que no solo puedan llevar
las grandes corrientes utilizadas sino que también tener pérdidas
relativamente bajas y el necesario grado de ajustabilidad de la
reactancia.
Puesto que la frecuencia de la corriente es
relativamente alta, por ejemplo, al menos 3 kHz para el recocido y
al menos 100 kHz para la soldadura de fragua, los reactores pueden
ser bobinas de relativamente pocas espiras y el conductor que forma
las bobinas puede tener una sección transversal relativamente grande
para reducir la resistencia de las bobinas. Asimismo, como se
describe más adelante, se pueden usar reactores que no son bobinas
helicoidales. En todo caso, siempre que el reactor incurra en
calentamiento este se pude disipar mediante agua u otro fluido
refrigerante convencional en la técnica.
Los conductores usados en aplicaciones de alta
frecuencia y grandes corrientes pueden estar hechos de chapas o
laminas de cobre de una sección transversal relativamente grande en
relación estrechamente espaciada por material aislante. Las figuras
7 y 8 ilustran una vista en planta y una vista lateral,
respectivamente, con los conductores omitidos en la figura 8, un
reactor 39 de una sola espira conectado en serie con dichos
conductores 40 y 40a que están en relación estrechamente espaciada
con dicho conductor 41 y separada de los conductores 41 por
material aislante 42 de alta frecuencia. El reactor 39 puede tener
más de una espira y puede estar formado por tubería de cobre, por
ejemplo, de sección transversal cuadrada como se muestra en la
figura 8, un fluido refrigerante, tal como agua, que se hace fluir
a través de la superficie interior del mismo.
Por ejemplo, el reactor 39 puede ser el reactor
14 en serie con el conductor 41 que forma una continuación del
conductor 11 (Figuras 1 - 3), del conductor 40 que conecta
eléctricamente con el condensador 16 y del conductor 40a conectado
eléctricamente con un terminal de la carga 10. Alternativamente, si
el reactor 39 está conectado entre los conductores 40 y 41, el
reactor 39 puede ser el reactor 15 en paralelo.
Normalmente, usando grandes corrientes, los
conductores 40, 40a y 41 estarán refrigerados por un fluido de
manera convencional, tal como por tubería soldada a los conductores
a través de la cual fluye el fluido refrigerante.
El reactor 39 está conectado conductivamente en
sus extremos, tal como por un metal 44 de soldar, y eléctricamente
en serie con los conductores 40 y 40a. Cuando la corriente fluye de
un conductor a otro a través del reactor 39, se produce un campo de
energía magnética contiguo al reactor que es variable por un
conductor o cuerpo de material magnético contiguo al reactor 39. La
variación del campo de energía varía la reactancia del reactor
39.
Las figuras 7 y 8 ilustran un medio que varía el
campo de energía que comprende una chapa 46 conductora, tal como
una chapa de cobre, con un tubo 47 conectado conductivamente al
mismo, tal como por soldadura, para el flujo del fluido
refrigerante.
La chapa 46 está conectada a un cuerpo 48
cilíndrico, tal como una envoltura de plástico refrigerada por agua
que contiene material magnético, tal como un material de ferrita,
por una varilla 49 aislante de manera que la chapa 46 y el cuerpo
48 se mueven simultáneamente, tal como en las dos direcciones
indicadas por la flecha 50 de dos puntas. De esta manera, cuando
el conjunto de la chapa 46, cuerpo 48 y varilla 49 se mueven
descendentemente, la chapa 46 se aproxima al reactor 39 y reduce su
reactancia y el cuerpo 48 se aleja del reactor 39 y también reduce
su reactancia. Cuando el conjunto se mueve en la dirección opuesta,
se incrementa la reactancia del reactor 39. El uso de la chapa 46
así como del cuerpo permite un cambio de la reactancia
relativamente grande, pero si el cambio no es necesario, se puede
omitir la chapa o el cuerpo.
El conjunto de la chapa 36, del cuerpo 48 y de
la varilla 49 puede ser accionado por el motor 36 o por el motor 37
(Figura 3), teniendo el motor una conexión reversible lineal al
conjunto.
Las figuras 9 y 10 ilustran una forma modificada
de un reactor que se puede usar en los reactores 14 y 15 y en lugar
del reactor 39. El reactor 51 mostrado en las figuras 9 y 10
comprende una pluralidad de espiras 52, 53, 54 sustancialmente
simples de tubería de cobre, a través de las cuales puede fluir el
fluido refrigerante, conectadas eléctricamente en paralelo y
variables en reactancia por un par de chapas 55 y 56 de cobre que
pueden ser refrigeradas por el fluido. Los extremos de los tubos 52
- 54 están asegurados conductivamente a un par de colectores 57 y
58 conductores que están asegurados conductivamente a los
conductores 40 y 40a, respectivamente. La chapa 55 se puede mover
adentro y afuera del espacio entre los tubos 53 y 54, como indican
las flechas 59 de doble punta, tal como mediante el motor 36 o el
motor 37, para variar la reactancia de los tubos
52-54. De esta manera, como se Describe en relación
con la chapa 46 conductora, las chapas 55 y 56 pueden variar el
campo de energía que rodea los tubos 52-54 y variar
la reactancia de los tubos 52-54.
Preferiblemente, se usa al menos dos tubos 52,
53 o 54 y al menos una chapa 55 o 56, pero los tubos y las chapas
pueden ser más en número que el número mostrado en las figuras 9 y
10. Asimismo, los tubos 52-54 pueden estar
conectados eléctricamente en serie en lugar de eléctricamente en
paralelo.
Para evitar la necesidad de un motor de
accionamiento lineal para las chapas 55 y 56, las chapas 55 y 56 se
pueden sustituir por chapas arqueadas, tal como la chapa arqueada 60
mostrada en la figura 11, que están rotablemente alrededor de un
eje 61 para que puedan entrar en, o retirarse de, los espacios entre
los tubos 52 y 53, y 53 y 54.
Se puede usar otra realización de un reactor
variable como el reactor 14 en serie ilustrado en la figura 12. En
esta realización, ambos conductores 40 y 41 están interrumpidos para
proveer los conductores 41a y 41b, y 40 y 40a, que están
interconectados por barras 62 y 63 conductoras pivopables
refrigeradas por agua montadas de manera giratoria en sus extremos
en soportes 65, 66, 67 y 68 conductores asegurados conductivamente a
los conductores 40 y 41a, y 41 y 41a como se muestra en la figura
12. La barra 62 tiene una chapa 69 conductora asegurada
conductivamente a un extremo de la misma, y la barra 63 tiene una
chapa 70 conductora asegurada conductivamente a un extremo de la
misma. De esta manera, las barras 62 y 63 son giradas, tal como por
un motor o motores controlados por el comparador 35, las chapas 69
y 70 se mueven acercándose o alejándose entre sí. Preferiblemente,
las chapas 69 y 70 se mueven simultáneamente acercándose o
alejándose entre sí. Las chapas 69 y 70 y las barras actúan como un
par de reactores, uno entre los conductores 40 y 40a y otro entre
los conductores 41a y 41b, que son variables en reactancia por las
chapas 69 y 70.Cuando las chapas 69 y 70 están relativamente
alejadas, la reactancia es relativamente alta, y cuando las chapas
69 y 70 están más cerca entre sí, la reactancia se reduce.
El aislante 42 se puede extender entra las
chapas 69 y 70 para prevenir que toquen y cortocircuiten los
conductores. Asimismo, si una variación menor de la reactancia es
aceptable, se puede omitir una de las chapas 69 y 70 y, en este
caso, los conductores 40 y 40a o 41a y 41b correspondientes serían
ininterrumpidos y continuos.
La figura 13 ilustra una forma modificada de la
realización mostrada en la figura 12 en la que no son necesarios el
contacto entre los elementos móviles de variación de la reactancia y
los conductores. En la realización mostrada en la figura 13, los
segmentos 40 y 41a de conductor están interconectados por una
pluralidad de tubos conductores 71-75 refrigerador
por agua, por ejemplo, tubos de cobre, asegurados conductivamente en
sus extremos a los colectores 76 y 77 asegurados conductivamente,
respectivamente, al conductor 40 y al conductor 40a. Una aleta 78
conductora está asegurada conductivamente al colector 77 y al
conductor 40a, y Aunque no se muestra en la figura 13, para
facilitar la ilustración, hay otra aleta 79 concordante (véase la
figura 14) asegurada conductivamente al colector 76 y al conductor
40. Las aletas78 y 79 se usan para reducir las pérdidas y para
reducir la reactancia cuando los elementos 90 y 91 están totalmente
insertados.
Los tubos 80-84 conductores,
similares a los tubos 71-75, interconectados
análogamente con los conductores 41a y 41b están conectados
conductivamente a los colectores, mostrándose el colector 85 en la
figura13, conectados conductivamente a los conductores 41a y 41b.
Las aletas 86 y 87, similares a la saletas 78 y 79, están conectadas
conductivamente de manera análoga a los conductores 41a y 41b.
Preferiblemente, los tubos 71-75
y los tubos 80-84 son de sección transversal
rectangular para reducir la reactancia de los mismos. Asimismo, las
áreas de su superficie más próximas a los conductores 40 y 40a, y
41a y 41b paralelas a los planos de los conductores son menores que
la anchura de los conductores de manera que hay un espacio 110
entre los tubos 71-75 y los tubos
80-84.
Un par de elementos 90 y 91 conductores de
variación de la reactancia, de sección transversal en forma de
"U", son insertables en y extraíbles de, respectivamente en/del
espacio entre las aletas 78 y 79 y en/del espacio entre las aletas
86 y 87, sin contacto con las aletas, con los tubos
71-75 y 80-84 ni con los conductores
40-40a y 41a - 41b.
Aunque las aletas 78, 79, 86 y 87 se muestran
formando un ángulo de 90º, respecto de los respectivos conductores
40a, 40, 41b y 41a, el ángulo puede ser diferente, por ejemplo, 45º.
Con el espaciado entra las correspondientes porciones de las aletas
78 y 79 y de las aletas 86 y 87 que se incrementa con la distancia
de los respectivos conductores. En este caso, los ángulos de las
aletas de los elementos 90 y 91 conductores, por ejemplo, ángulos
90a, 91a y 91b, respecto de las porciones 90b y 91c interconectadas,
se incrementarían de manera que las aletas de los elementos 90 y 91
serían sustancialmente paralelas a las aletas contiguas. Con dicha
alternativa, las pérdidas en cualquier posición de los elementos 90
y 91 se pueden reducir, y los límites de variación de la reactancia
se incrementan sin incrementarse el movimiento necesario de los
elementos 90 y 91.
La figura14 ilustra esquemáticamente un impulsor
de los elementos 90 y 91. Los elementos 90 y 91 están asegurados a
las tuercas 92 y 93 que tienen roscas internas inversas y que pueden
ser no conductoras. Las tuercas 92 y 93 reciben una varilla 94
roscada rotable y no conductora que está soportada por un soporte 95
no conductor soportado por los conductores 40, 40a, 41a y 41b. En
lados opuestos del soporte 95, la varilla 94 tiene roscas inversas.
De esta manera, cuando la varilla 94 es girada en un sentido, como
por el motor 94a y los engranajes 94b y 94c, los elementos 90 y 91
se desplazan simultáneamente hacia dentro de los espacios entre las
aletas 78 y 79, y 86 y 87 y reducen la reactancia de los tubos
71-75 y 80-84. Cuando la varilla 94
gira en sentido contrario, los elementos 90 y 91 se desplazan en el
sentido opuesto y la reactancia de los tubos se incrementa.
La realización mostrada en las figuras 13 y 14
es útil principalmente cuando la frecuencia de la corriente de
calentamiento es de al menos 200 Khz. Si es suficiente un grado
menos de cambio de la reactancia, o si se puede omitir la otra
combinación de aletas 78 y 79 y elemento 90 o aletas 86 y 87 y
elemento 91. Por ejemplo, si se omite el elemento 91, se pueden
omitir también las aletas 86 y 87. Asimismo, si se desea, los tubos
71-75 y/o los tubos 80-84 se pueden
sustituir por otros, elementos conductores refrigerados por agua,
tales como las chapas de cobre refrigeradas por agua que tienen
áreas de su superficie que se corresponden con dichas áreas de la
superficie de los tubos 71-75 y/o de los tubos
80-84 sustituidos.
La figura 15 ilustra un par de bobinas 96 y 97
de aproximadamente dos espiras que se pueden usar como el reactor
15 en paralelo mostrado en las figuras 1 a 3. Cada bobina 96 y 97
está conectada conductivamente al conductor 40 en 98, y los
extremos opuestos de las bobinas 96 y 97 están conectados
conductivamente al conductor 41 a través de las aberturas 99 y 100
del conductor 40. La reactancia de las bobinas 96 y 97 es variable
debido a los núcleos 101 y 102 magnéticos. Por supuesto, si el
grado de variación de la reactancia es suficiente, se puede omitir
una de las bobinas 96 y 97 y su núcleo 101 o 102 asociado.
La figura 16 ilustra esquemáticamente un par de
bobinas 96 y 97 conectadas conductivamente a los conductores 40 y
40a, una en serie y la otra en paralelo con los conductores 40a y
41. De esta manera, el reactor 96 se corresponde con el reactor 14
de las figuras 1-3 y el reactor 97 se corresponde
con el reactor 15 de las figuras 1-3.
Como es sabido, la impedancia de los conductores
en paralelo a altas frecuencias depende del espaciado entre los
conductores. La impedancia crece cuando los conductores están
separados más ampliamente y decrece con un decrecimiento del
espaciado.
Las figuras 17 y 18 ilustran el uso de un
espaciamiento variable entre porciones de los conductores 40 y 41
para proveer un reactor variable. Aunque los conductores 40 y 41
pueden ser paralelos en las porciones en las que la reactancia es
variable, sería necesario que los conductores se desplazaran
longitudinalmente en al menos uno de sus extremos para permitir la
separación de los conductores. Este problema se podría evitar
curvando los conductores 40 y 41 en las porciones 40b y 41b de
reactancia variable. Como se ilustra en las figuras 17 y 18, el
conductor 40 tiene una abertura 103 a través de la cual se extiende
una cuña o miembro 104 separador de material aislante eléctrico y
el aislante 42 tiene una abertura 105 similar a través de la cual
se extiende la cuña 104 hacia el contacto con la porción 41b.
La cuña 104 está montada sobre una varilla 106
roscada que engancha una tuerca 107 roscada interiormente asegurada
a un soporte 108 asegurado al conductor 40. La varilla 40 puede ser
girada manualmente mediante un momo 109 o puede estar conectada a
un motor reversible, tal como el motor 36 (Figura 3), para separar
las porciones 40b y 41b. Normalmente, cuando la cuña 104 está
retraída, la porción 41b retrocederá hacia la porción 40b, pero si
se desea o si es necesario, se puede usar un muelle enganchable con
la porción 41b para hacer que la porción 41b se mueva hacia la
porción 40b cuando la cuña 104 está retraída.
Aunque se han descrito e ilustrado realizaciones
preferidas de la invención, será evidente para los expertos en la
técnica que se pueden hacer varias modificaciones sin salir de los
principios de la invención.
Claims (29)
1. Un sistema de calentamiento
eléctrico de alta frecuencia para el calentamiento de una porción o
porciones de una parte o partes metálicas a una temperatura de
soldadura de fragua a medida que se hace avanzar las porciones,
comprendiendo dicho sistema:
- un convertidor (2 a 5, 8) eléctrico de estado sólido que tiene una salida para suministrar energía eléctrica de alta frecuencia cuya magnitud y frecuencia son dependientes de la impedancia de una carga (10) conectada al mismo, comprendiendo dicha carga medios para hacer que la corriente de calentamiento eléctrico fluya en dicha porción o porciones mientras que dicha parte o partes avanzan; y
- un medio (13) de control de la concordancia entra la carga y la frecuencia conectado a dicha salida de dicho convertidor y a dichos medios que hacen que la corriente de calentamiento fluya en dichas porciones, comprendiendo dicho medio de control de la concordancia entre la carga y la frecuencia:
- un primer reactor (14) variable conectado eléctricamente en serie entre dicha salida y dicha carga, y un segundo reactor (15) variable conectado eléctricamente en paralelo con dicha salida, produciendo cada uno de dichos primero y segundo reactores campos de energía cuando están energizados eléctricamente, siendo dichos campos, y por consiguiente, el reactor, variables en reactancia por los medios de variación del campo de energía contiguos a los mismo y móviles respecto de los mismos; y
- un condensador (16,17) que tiene una conexión eléctrica a dicha salida que es la misma conexión eléctrica la de uno de dichos primero y segundo reactores a dicha salida.
2. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1, en el que dicho convertidor es un convertidor
sintonizado en serie con una fuente de voltaje y dicho condensador
(16) está eléctricamente en serie entre dicha salida (12) y dicho
primer reactor (14).
3. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 2 que comprende además otro condensador (17)
eléctricamente en paralelo con dicha salida (11,12), estando un
terminal del mismo conectado eléctricamente entre el condensador
(16) mencionado en primer lugar y dicho primer reactor (14).
4. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1, en el que dicho convertidor es un convertidor en
paralelo con una fuente de corriente y dicho condensador (17) está
conectado eléctricamente en paralelo con dicha salida (11,12).
5. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 4 que comprende además un condensador (16)
eléctricamente en serie entre dicha salida (12) y dicho primer
reactor (14).
6. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1, en el que al menos uno de dicho primero reactor
(14) variable y dicho segundo reactor (15) variable comprende una
bobina (29) conductora de al menos sustancialmente una espira y un
elemento (11) magnético contiguo y móvil respecto de dicha bobina
para variar la reactancia de la misma.
7. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 6, en el que dicho uno de dicho reactor (14)
variable y dicho segundo reactor (15) variable es dicho primer
reactor variable.
8. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 6, en el que dicho uno de dicho primer reactor (14)
variable y dicho segundo reactor (15) variable comprende además un
elemento (11) conductor contiguo y móvil respecto de dicha bobina
(29) para variar la reactancia de la misma.
9. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1, en el que dicho primer reactor variable y dicho
segundo reactor variable comprenden bobinas conductoras de al menos
sustancialmente una espira, teniendo cada bobina un elemento
magnético contiguo a la misma que es móvil respecto de la misma para
variar la resistencia de la
misma.
misma.
10. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1, en el que al menos uno de dicho primer reactor
variable y dicho segundo reactor variable comprende una bobina
conductora de al menos sustancialmente una espira y un elemento
conductor contiguo y móvil respecto de dicha bobina para variar la
reactancia de la misma.
11. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 10, en el que dicho uno de dicho primer reactor
variable y dicho segundo reactor variable es dicho primer reactor
variable.
12. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1, en el que dicho primer reactor (14) variable está
conectado a dicha salida (11,12) por primeros conductores
conductivos que tienen una primera impedancia y a dicha carga (10)
por segundos conductores conductivos que tienen una segunda
impedancia que puede ser igual que la primera impedancia y en el
que dicho primer rector (14) variable comprende un tercer conductor
conductivo que interconecta uno de dichos primeros conductores y uno
de dichos segundos conductores y que tiene una tercera impedancia
mayor que dichas primera y segunda impedancias y un elemento
conductor contiguo y móvil respecto de dicho tercer conductor
conductivo para variar la reactancia de dicho tercer conductor
conductivo.
13. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 12, en el que dicho elemento conductor está aislado
de dicho tercer conductor conductivo.
14. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 12, en el que dicho elemento conductor está conectado
conductivamente a dicho tercer conductor conductivo.
15. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1, en el que dicho primer reactor comprende una
primera y una segunda chapas conductoras espaciadas estrechamente,
paralelas y aisladas eléctricamente respecto de una tercera chapa
conductora, estando dichas primera y segunda chapas conductoras
alineadas longitudinalmente con una separación entre las mismas y
dichas primera y segunda chapas conductoras con dicha tercera chapa
conductora que tienen reactancias predeterminadas, un medio de
interconexión en dicha separación que tiene una reactancia e
interconecta conductivamente dichas primera y segunda chapas
conductoras y una cuarta chapa conductora en dicha separación y
móvil en los sentidos de separación y acercamiento de dicha tercera
chapa conductora para variar la reactancia de dicho medio de
interconexión, estando acoplada dicha primera chapa a dicha salida,
estando acoplada dicha segunda chapa a dicha carga estando acoplada
dicha tercera chapa a dicha salida y a dicha
carga.
carga.
16. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 15, en el que dicho medio de interconexión comprende
una pluralidad de miembros conductores dispuestos en relación
acolada y espaciados entre sí.
17. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 16, que comprende además una primera aleta conductora
conectada conductivamente a dicha primera chapa conductores en una
de dichas separaciones y que se extiende en una dirección que se
aleja de dicha tercera chapa conductora, una segunda aleta
conductora conectada conductivamente a dicha segunda chapa
conductora en el otro lado de dicha separación y que se extiende en
la dirección que se aleja de dicha tercera chapa conductora,
estando dicha primera aleta espaciada de dicha segunda aleta, y en
el que dicha cuarta chapa conductora tiene aletas que son
sustancialmente paralelas a dichas aletas y se extienden en dicha
dirección desde dicha cuarta chapa, estando dicha cuarta chapa
conductora sin contacto conductivo con dichas primera y segunda
chapas conductoras.
18. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 15, en el que dicho medio de interconexión comprende
una pluralidad de bobinas conductoras, estando cada una de la al
menos una espira dispuestas en relación acolada entre sí, siendo
dicha cuarta chapa conductora móvil a lo largo de una vía entre un
par de dichas bobinas.
19. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1, en el que dicho medio de control del equilibrado
de la carga y de la frecuencia comprende una primera y una segunda
chapas conductoras paralelas, espaciadas estrechamente y aisladas
eléctricamente entre sí, y dicho segundo reactor variable comprende
una bobina conductora de al menos una espira conectada
conductivamente en un extremo a dicha primera chapa conductora y en
su extremo opuesto a dicha segunda chapa conductora y un núcleo
magnético móvil dentro de dicha bobina para variar la reactancia de
dicha bobina.
20. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1, en el que el medio de control del equilibrado de
la carga y de la frecuencia comprende una primera y una segunda
chapas conductoras paralelas, espaciadas estrechamente y aisladas
eléctricamente entre sí y una de dichas primera y segunda chapas
conductoras tiene dos porciones aisladas eléctricamente entre sí y
dicho primer reactor comprende una bobina conductora de al menos
una espira que interconecta conductivamente dichas porciones y un
núcleo magnético móvil dentro de dicha otra bobina para variar la
reactancia de dicha otra bobina.
21. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1, en el que uno de dichos primero y segundo
reactores comprende una primera y una segunda chapas conductoras,
paralelas, espaciadas estrechamente y aisladas eléctricamente entre
sí y acopladas a dicha salida, teniendo al menos una de dichas
primera y segunda chapas una porción móvil en los sentidos de
acercamiento y alejamiento entre sí de dichas chapas para variar la
reactancia de dichas chapas, y medios de ajuste que enganchan al
menos dicha porción para mover dicha porción en los sentidos de
alejamiento y acercamiento de la otra de dichas placas.
22. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 21 en el que cada una de dichas chapas tiene una
longitud respecto de su anchura y en el que una de dichas chapas
tiene una porción que se extiende transversalmente a la longitud de
una de dichas chapas y que presenta una abertura intermedia hacia la
otra de dichas chapas y en el que la otra de dichas chapas tiene
una segunda porción que se extiende hacia dentro de dicha abertura
intermedia en relación espaciada con dicha primera porción de dicha
una de dichas chapas, enganchando dichos medios de ajuste al menos
una de dichas primera y segunda porciones para mover al menos una de
dichas primera y segunda porciones en los sentidos de acercamiento
y alejamiento de la otra de dichas primera y segunda porciones.
23. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 22 en el que dicho medio de ajuste comprende un
miembro de aislamiento montado a rosca sobre una de dichas chapas y
enganchable con la porción de la otra de dichas chapas.
24. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1, en el que la temperatura de soldadura de fragua
es de al menos aproximadamente 700ºC pero inferior a la temperatura
de fusión del metal.
25. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1 que comprende además medios de control acoplados a
dicho medio de control del equilibrado de la carga y de la
frecuencia y a dicho convertidor y, sensibles al voltaje, de la
corriente y de la frecuencia de la corriente de dicho medio de
adaptación y control de la dicha carga para controlar la magnitud
de dichos voltaje y corriente y de dicha frecuencia, estando también
acoplados dichos otros medios de control a dicho primer reactor y a
dicho segundo reactor por medios de medios de accionamiento
acoplados a dichos medios de variación del campo de energía para
variar la reactancia de dichos primero y segundo reactores y para
mantener la impedancia de la carga sustancialmente igual a la
impedancia de dicho convertidor y para mantener dicha frecuencia
dentro de límites predeterminados.
26. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 25 en el que dicho convertidor tiene un control de
la frecuencia de la corriente de salida y dicho otro medio de
control está acoplado a dicho control de la frecuencia de la
corriente de salida.
27. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 25 en el que dicho otro medio de control comprende
un comparador que está acoplado a dicho medio de accionamiento y que
mide dicho voltaje y dicha corriente y compara dicho voltaje y
dicha corriente con, respectivamente, los deseados voltaje y
corriente y, cuando la relación del porcentaje del voltaje medido
al voltaje deseado al porcentaje de la corriente medida a la
corriente deseada está fuera de unos primeros límites
predeterminados, hace que el medio de accionamiento acoplado a
dicho medio de variación del campo de energía de dicho primer
reactor varíe la reactancia de dicho primer reactor y que mide la
frecuencia de dicha corriente y compara la frecuencia medida con la
frecuencia deseada, haciendo que dicho comparador haga que el medio
de accionamiento acoplado al medio de variación del campo de
energía de dicho segundo reactor varíe el reactor cuando la relación
de la frecuencia medida a la frecuencia deseada esté fuera de unos
segundos límites predeterminados.
28. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 27 en el que dichos primeros límites predeterminados
son aproximadamente 1,05 a aproximadamente 0,95 y en el que dichos
segundos límites predeterminados son aproximadamente 1,05 a
aproximadamente 0,95.
29. Un sistema como el expuesto en la
reivindicación 1, en el que las porciones de la parte o partes
metálicas se hacen avanzar hasta un punto de soldadura y se
presionan entre sí en dicho punto de soldadura.
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