ES2289866B1 - Equipo compuesto de dos convertidores con salida bifrecuencial simultanea para calentamiento por induccion. - Google Patents
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Abstract
Equipo compuesto de dos convertidores con salida brifrecuencial simultánea para calentamiento por inducción. Contiene dos convertidores cuyas entradas se conectan a la red de suministro eléctrico y que contienen, cada uno de ellos, inversores alimentados por corriente cuyas salidas están conectadas a un circuito resonante de cinco componentes reactivos capaz de generar una corriente resultado de superponer simultáneamente otras dos de frecuencias distintas. Alimentando con esta corriente a una única bobina se genera un campo magnético que permite realizar calentamientos por inducción especiales. Cada convertidor dispone de circuitos rectificadores (2, 6) de la tensión de la red eléctrica (1), circuitos inversores (3, 7), un único circuito resonante de salida (4), un inductor de calentamiento (5) y un bloque de alimentación auxiliar, regulación, supervisión, visualización, refrigeración y comunicación (8). Permite regular de modo independiente la potencia de cada una de las dos componentes de diferente frecuencia presentes en su salida.
Description
Equipo compuesto de dos convertidores con salida
bifrecuencial simultánea para calentamiento por inducción.
La presente invención, tal y como se expresa en
el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un equipo
compuesto por dos convertidores con salida bifrecuencial simultánea
para calentamiento por inducción cuya finalidad esencial es
proporcionar un sistema capaz de generar una corriente resultado de
la superposición de dos corrientes de distintas frecuencias, de
manera que con dicha corriente se pueda alimentar a una única
bobina generando un campo magnético que permita realizar
calentamientos por inducción especiales, y de manera que se pueda
regular independientemente la potencia de cada una de las
componentes de diferente frecuencia de la referida corriente,
siendo de utilidad el convertidor así constituido para el
calentamiento por inducción de piezas de superficie complejas como
los engranajes o las ruedas dentadas. Para ello, la invención
proporciona un equipo compuesto por dos convertidores conectados a
la red de suministro eléctrico que contienen inversores alimentados
por corriente cuyas salidas están conectadas a un circuito
resonante de cinco componentes reactivos capaz de generar una
corriente resultado de superponer simultáneamente otras dos de
frecuencias distintas. Mediante la solución que propone la
invención se obtiene una notable reducción de los costes del equipo
y de los tiempos de producción, al no ser necesarios
desplazamientos o transportes adicionales durante el proceso del
tratamiento térmico. El sector de la técnica en el que se encuentra
la invención es el de calentamiento por inducción y sus
aplicaciones son entre otras, el templado industrial por inducción
de piezas de superficie complejas tales como engranajes, ruedas
dentadas y otras piezas de superficie compleja utilizadas en la
industria del automóvil.
El tratamiento térmico de templado de piezas
metálicas de contorno cilíndrico no uniforme requiere de procesos
de calentamiento por inducción multifrecuencial para así conseguir
una profundidad de templado uniforme en la superficie de la
correspondiente pieza. El templado por inducción clásico de piezas
de superficie cilíndrica no uniforme se lleva a cabo mediante dos
procesos de calentamiento secuenciados. Se utilizan corrientes de
alta frecuencia para calentar las superficies de la pieza más
cercanas al inductor de calentamiento. En otro calentamiento
diferente se utiliza corriente de media frecuencia para calentar la
superficie casi cilíndrica de la pieza. En el caso en que la pieza
a templar sea un engranaje o rueda dentada, mediante la corriente
de alta frecuencia se consigue tratar adecuadamente el extremo y
los flancos de los dientes y con la de media frecuencia la
superficie del espacio existente entre dientes. De este modo se
consigue un tratamiento superficial uniforme siempre y cuando el
tiempo de ciclo total sea suficientemente reducido para evitar la
difusión excesiva del calor generado durante los calentamientos.
Este proceso clásico implica la utilización de dos equipos
completos generadores de las corrientes de alta y media frecuencia,
dos circuitos resonantes de salida, dos inductores de
calentamiento y un sistema adicional de transporte.
Una mejora de esta estrategia se puede conseguir
al instalar un sistema de conmutación que permita conectar
sucesiva y repetidamente los componentes necesarios con los que se
obtenga el funcionamiento del equipo a la frecuencia deseada en
cada caso. Esta solución aparece descrita en la Patente titulada
"Power source device" de Y. Horiuchi (EP0295099). Otra Patente
titulada "Cyclical, multiple frequency
high-frequency induction heating apparatus" de
Sawa Kunihico (US4755668) describe otro invento similar en el que
se suprimen los conmutaciones de los componentes del circuito.
El tratamiento obtenido mediante los procesos
cíclicos anteriormente descritos se puede optimizar si se realiza
un único proceso en el que fuera posible generar simultáneamente
las corrientes de alta y media frecuencia que alimentan a un único
inductor. Esta solución aporta una importante reducción del tiempo
total de ciclo de templado de la pieza. En esta dirección diversas
soluciones han sido descritas en Patentes anteriores como son:
"Inductor type furnace" de E. Northrup (US1852215), "Method
and device for surface hardening of rotation symmetrical parts
trough inductive heating by means of at least two different
frequencies" de L. Markegrad y W. Schwenk (EP0525207) y
"Inductive heating device of workpieces" de W. Schwenk, A.
Háussler y A. Helliger (EP1363474) en las cuales se obtiene la
corriente de salida mediante dos convertidores completos y
separados, uno de ellos funcionando a alta frecuencia y el otro a
media frecuencia conectados a un único inductor de calentamiento a
través de circuitos resonantes convenientemente diseñados para
permitir la conexión en paralelo de la salida de ambos
convertidores.
Estas soluciones existentes en el estado de la
técnica presentan no obstante inconvenientes relativos a un alto
coste y complejidad del equipo y a un tiempo de producción
excesivo.
Para lograr los objetivos y evitar los
inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención
consiste en un equipo con salida bifrecuencial simultánea para
calentamiento por inducción, mediante el cual se pueden realizar
tratamientos térmicos de templado de piezas de contorno cilíndrico
complejo.
Novedosamente, según la invención, el equipo de
la misma dispone de dos convertidores con circuitos inversores
alimentados por corriente y de un único circuito resonante de cinco
componentes reactivos que contiene un único inductor de
calentamiento cuya corriente es el resultado de la combinación o
superposición de otras dos corrientes de diferente frecuencia; de
manera que con esta corriente se alimenta a una única bobina
generando un campo magnético que permite realizar calentamientos
por inducción especiales.
Según la realización preferente de la invención,
el equipo de la misma contiene dos circuitos de entrada puente
rectificador trifásico totalmente controlado con inductancias de
alto valor conectadas a sus salidas y dos circuitos inversores con
estructura de puente completo que está constituida por cuatro
interruptores unidireccionales en corriente y bidireccionales en
tensión.
Además en dicha realización preferente la
combinación de las dos frecuencias presentes en el inductor de
calentamiento se consigue mediante la conexión de las salidas de los
inversores a un único circuito con dos frecuencias de resonancia
cuya salida se conecta al inductor de calentamiento, en tanto que
el circuito resonante de salida dispone de un inductor de desacoplo
de alta frecuencia que se utiliza para atenuar la componente de
alta frecuencia presente en la salida del inversor de media
frecuencia y un condensador de desacoplo de media frecuencia que
atenúa la componente de media frecuencia presente en la salida del
inversor de alta frecuencia.
La aludida realización preferente de la
invención presenta medios de regulación independiente de la
potencia de cada una de las componentes de media y alta frecuencia
de su salida, consistentes en el control automático de la amplitud
de la corriente de salida de los rectificadores.
Con la configuración que se ha descrito, la
presente invención ofrece todas las ventajas que puedan aportar los
equipos cuyo funcionamiento se basa en lo citado en el apartado de
antecedentes de la invención, como son la controlabilidad y
repetitividad del proceso, la economía de tiempo de ciclo del
proceso y la uniformidad del tratamiento térmico conseguido,
obteniendo también una corriente que contiene de modo simultáneo
las dos frecuencias alta y media necesarias para alimentar a un
único inductor de calentamiento. Además, la invención aporta
ventajas adicionales como son la reducción de complejidad, la
reducción del coste y del volumen de instalación, y la reducción de
tiempos de producción.
A continuación, para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter
ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la
invención.
Figura 1.- Representa un diagrama de bloques
funcionales de un equipo con salida bifrecuencial simultánea para
calentamiento por inducción realizado según la presente
invención.
Figura 2.- Representa un esquema electrónico
básico del convertidor referido en la anterior figura 1 para una
realización que contiene dos inversores alimentados por
corriente.
Figura 3.- Representa la forma de onda principal
en la salida del convertidor referido en las anteriores
figuras.
Seguidamente se realiza una descripción de un
ejemplo de la invención, haciendo referencia a la numeración
adoptada en las figuras.
Se trata de un sistema electrónico constituido
por dos convertidores que disponen, según se representa en la
figura 1, de circuitos rectificadores 2 y 6 de la tensión de la red
eléctrica 1, circuitos inversores 3 y 7, un único circuito resonante
de salida 4 que contiene un inductor de calentamiento 5 y un bloque
de alimentación auxiliar, regulación, supervisión, visualización,
refrigeración y comunicación 8 necesario para el correcto
funcionamiento del sistema, constituyendo estos bloques un equipo
electrónico 9 realizable en un único armario o mueble. Es un
sistema electrónico que permite regular de modo independiente la
potencia de cada una de las dos componentes de diferente frecuencia
presentes en su salida.
En la realización preferente de la invención se
dispondrá de un armario en el que se distribuyen todos los
circuitos correspondientes a los bloques funcionales anteriormente
citados, además de los elementos de refrigeración necesarios para
los circuitos de potencia. Sus dimensiones dependen
fundamentalmente de la potencia nominal de salida del convertidor.
En los paneles exteriores del armario se disponen las conexiones
con la red de suministro eléctrico 1 y con el inductor de
calentamiento 5, los conectores que corresponden a los circuitos de
alimentación auxiliar, regulación, supervisión y comunicación, y
los elementos de entrada y salida del fluido de refrigeración que
será aire o agua en función de la potencia nominal del sistema.
El esquema electrónico de la realización se
representa en la figura 2. El circuito de entrada de cada uno de
los dos convertidores que compone el circuito es de tipo puente
rectificador trifásico totalmente controlado 21 y 27 con
inductancias 22 y 28 de alto valor conectadas a su salida. De este
modo los conjuntos de elementos anteriormente mencionados pueden
actuar como fuentes de corriente continua regulable con la que se
alimentan a los circuitos inversores 23 y 29 con estructura de
puente completo que está constituida por cuatro interruptores
unidireccionales en corriente y bidireccionales en tensión. A la
salida de los inversores se conecta un único circuito resonante de
cinco elementos reactivos, incluido el inductor de calentamiento,
con dos puertos de entrada y con dos frecuencias de resonancia
convenientemente elegidas y que determinan las frecuencias media y
alta que se combinan simultáneamente en el inductor de
calentamiento 25. Se pueden utilizar transformadores 26 como
dispositivos de adaptación de impedancias y de aislamiento
galvánico.
La tensión en bornes del inductor de
calentamiento de frecuencia media se obtiene sintonizando la
frecuencia de conmutación del inversor de media frecuencia 29 con
la frecuencia de resonancia determinada por el condensador de
media frecuencia 30 y la combinación en serie de la inductancia de
desacoplo de alta frecuencia 31 y de la del inductor de
calentamiento 25 reflejada en el primario del transformador 26. La
componente de alta frecuencia se obtiene sintonizando la frecuencia
de conmutación del inversor de alta frecuencia 23 con la frecuencia
de resonancia determinada por el condensador de alta frecuencia 24
y la combinación en serie del condensador de desacoplo de media
frecuencia 32 y de la del inductor de calentamiento 25 reflejada en
el primario del transformador 26. El condensador de desacoplo de
media frecuencia 32 atenúa la componente de media frecuencia
presente en la salida del inversor de alta frecuencia 23 y el
inductor de desacoplo de alta frecuencia 31 se utiliza para atenuar
la componente de alta frecuencia presente en la salida del
inversor de media frecuencia 29.
La forma de onda de la tensión o la corriente
resultante aplicada al inductor de calentamiento se muestra en la
figura 3. La regulación de la amplitud de la componente de media
frecuencia de la corriente en el inductor de calentamiento se
consigue ajustando la amplitud de la corriente de salida del
rectificador 27 del convertidor de media frecuencia. La regulación
de la amplitud de la componente de alta frecuencia de la corriente
en el inductor de calentamiento se consigue ajustando la amplitud
de la corriente de salida del rectificador 21 del convertidor de
alta frecuencia. Ambas regulaciones de potencias son
independientes.
Claims (5)
1. Equipo compuesto de dos convertidores con
salida bifrecuencial simultanea para calentamiento por inducción,
mediante el cual se pueden realizar tratamientos térmicos de
templado de piezas de contorno cilíndrico complejo;
caracterizado porque dispone de dos convertidores con
circuitos inversores alimentados por corriente (3 y 7) y de un
único circuito resonante (4) de cinco componentes reactivos que
contiene un único inductor de calentamiento (5) cuya corriente es
el resultado de la combinación o superposición de otras dos
corrientes de diferente frecuencia; de manera que con esa corriente
se alimenta a una única bobina generando un campo magnético que
permite realizar calentamientos por inducción especiales.
2. Equipo compuesto de dos convertidores con
salida bifrecuencial simultanea para calentamiento por inducción,
según reivindicación 1, caracterizado porque contiene dos
circuitos de entrada puente rectificador trifásico totalmente
controlado (21 y 27) con inductancias (22 y 28) de alto valor
conectadas a sus salidas y dos circuitos inversores (23 y 29) con
estructura de puente completo que está constituida por cuatro
interruptores unidireccionales en corriente y bidireccionales en
tensión.
3. Equipo compuesto de dos convertidores con
salida bifrecuencial simultanea para calentamiento por inducción,
según reivindicación 1, caracterizado porque la combinación
de las dos frecuencias presentes en el inductor de calentamiento
(5) se consigue mediante la conexión de las salidas de los
inversores (3 y 7) a un único circuito con dos frecuencias de
resonancia cuya salida se conecta al inductor de calentamiento
(5).
4. Equipo compuesto de dos convertidores con
salida bifrecuencial simultanea para calentamiento por inducción,
según reivindicación 2, caracterizado porque el circuito
resonante de salida (4) dispone de un inductor de desacoplo de alta
frecuencia (31) que se utiliza para atenuar la componente de alta
frecuencia presente en la salida del inversor de media frecuencia
(29) y un condensador de desacoplo de media frecuencia (32) que
atenúa la componente de media frecuencia presente en la salida del
inversor de alta frecuencia (23).
5. Equipo compuesto de dos convertidores con
salida bifrecuencial simultanea para calentamiento por inducción,
según reivindicación 2, caracterizado porque presenta medios
de regulación independiente de la potencia de cada una de las
componentes de media y alta frecuencia de su salida, consistentes
en el control automático de la amplitud de la corriente de salida
de los rectificadores (21 y 27).
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