ES2565452T3 - Fuente de suministro de energía para calentamiento o fusión por inducción - Google Patents

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Abstract

Una fuente (10) de suministro de energía para calentar o fundir de manera inductiva un material eléctricamente conductor, donde la fuente de suministro de energía comprende: - un rectificador (14) que convierte potencia de entrada en corriente alterna en potencia de salida en corriente continua a la salida del rectificador; - un inversor (20) que posee una entrada conectada a la salida del rectificador, donde el inversor convierte la potencia de salida de corriente continua del rectificador en una corriente alterna de salida suministrada a una salida de la fuente de suministro de energía, donde la corriente alterna de salida tiene una frecuencia igual a la frecuencia de funcionamiento del inversor; y - al menos una bobina (L9; L1, L2) de inducción de carga conectada a la salida de la fuente de suministro de energía, caracterizada por que - al menos un condensador (C1) de sintonización está conectado en paralelo entre la salida del rectificador y la entrada del inversor, donde la al menos una bobina de inducción de carga posee una inductancia que la hace entrar al menos aproximadamente en resonancia con el al menos un condensador de sintonización a la frecuencia de funcionamiento del inversor, por lo cual, durante el uso de la fuente de suministro de energía, un campo magnético generado por la circulación de la corriente alterna de salida a través de la al menos una bobina de inducción de carga se utiliza para calentar o fundir un material eléctricamente conductor mencionado.

Description

Fuente de suministro de energía para calentamiento o fusión por inducción
Referencias cruzadas a solicitudes relacionadas
Esta solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional de EE. UU. Nº 60/312.159, presentada el 14 de agosto de 2001.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a una fuente de suministro de energía de corriente alterna para ser utilizada en aplicaciones de calentamiento por inducción o fusión por inducción en las que el circuito de potencia de inducción es un circuito resonante sintonizado.
Antecedentes de la invención
El documento US 6.141.227 describe una fuente de suministro de energía de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
La FIG. 1 ilustra una fuente 110 de suministro de energía convencional que se utiliza en aplicaciones de calentamiento por inducción o fusión por inducción. La fuente de suministro de energía consiste en una sección 112 compuesta por un rectificador de corriente alterna a corriente continua y un filtro, una sección 120 compuesta por un inversor de corriente continua a corriente alterna y una sección 130 compuesta por un condensador de sintonización. En la fuente de suministro de energía mostrada en la FIG. 1, un rectificador 114 trifásico en puente de diodos convierte la potencia de alimentación de línea de corriente alterna trifásica (A, B, C) en potencia de corriente continua. La reactancia L108 de limitación de corriente suaviza el rizado en la salida de corriente continua del rectificador, y el condensador C108 filtra la componente alterna de la tensión de salida continua del rectificador. La salida de corriente continua filtrada del rectificador es invertida a corriente alterna mediante un inversor en puente completo que está formado por interruptores S101, S102, S103 y S104 de estado sólido y diodos D101, D102, D103 y D104, respectivamente, asociados en anti paralelo. Los ciclos alternativos de conducción y corte de las parejas S101/S103,y S102/S104 de interruptores produce una salida de tensión alterna invertida sintetizada en los terminales 3 y 4.
La bobina L101 de inducción de carga representa la bobina de potencia utilizada en la aplicación de calentamiento por inducción o fusión por inducción. Por ejemplo, en un horno de inducción, la bobina L101 de carga está arrollada alrededor de la parte exterior de un crisol en el que se ha situado una carga de metal. En una aplicación de calentamiento por inducción, una pieza de trabajo de metal, tal como una cinta o un alambre, puede moverse a través del arrollamiento helicoidal de la bobina L101 de carga o bien puede llevarse a las cercanías de la bobina para qué la pieza de trabajo sea calentada por inducción. La corriente suministrada por la fuente de suministro de energía que circula a través de la bobina L101 de carga crea un campo magnético que bien calienta directamente por inducción magnética la carga de metal o la pieza de trabajo, o bien calienta la pieza de trabajo mediante conducción de calor desde un susceptor que es calentado mediante inducción magnética. La bobina L101 de carga, sea un arrollamiento único o sea un montaje de secciones de bobina interconectadas, tiene un factor de potencia de funcionamiento muy bajo. Debido a ello, debe proporcionarse un condensador de sintonización (o un banco de condensadores), tal como el condensador C101, en el circuito de la bobina de carga para mejorar el factor de potencia global del circuito de bobina de carga. Estos condensadores de sintonización suponen un coste económico significativo y un componente volumétrico significativo de la fuente de suministro de energía. Por lo tanto, existe la necesidad de una fuente de suministro de energía para aplicaciones de calentamiento por inducción o fusión por inducción que utilice condensadores de sintonización más pequeños o más baratos.
Un objetivo de la presente invención es proporcionar una fuente de suministro de energía para aplicaciones de calentamiento por inducción o fusión por inducción que utilice un condensador conectado entre la salida del rectificador y la entrada del inversor para formar un circuito resonante sintonizado con una bobina de inducción de carga utilizada en la aplicación.
Breve resumen de la invención
La invención se refiere a un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 y a un método de acuerdo con la reivindicación 6.
En un aspecto, la presente invención es un aparato para, y un método de, proporcionar una fuente de suministro de energía que posee secciones de rectificación y de inversión para ser utilizada con una bobina de inducción de carga donde se proporciona un condensador de sintonización entre la salida del rectificador y la entrada del inversor para formar un circuito resonante con la bobina de inducción de carga. La bobina de inducción de carga puede comprender una bobina de carga activa conectada a la salida del inversor, y una bobina de carga pasiva conectada en paralelo con un condensador para formar un circuito tanque. En este documento y en las reivindicaciones anexas se establecen otros aspectos de la invención.
Breve descripción de los dibujos
Para el propósito de ilustrar la invención, en los dibujos se muestra una forma de la misma que se prefiere actualmente; se debe entender, sin embargo, que esta invención no está limitada a las disposiciones e instrumentaciones precisas mostradas.
La FIG. 1 es un diagrama esquemático de una fuente de suministro de energía de la técnica anterior con un inversor en puente completo que se utiliza en aplicaciones de calentamiento por inducción y fusión por inducción.
La FIG. 2 es un diagrama esquemático de un ejemplo de la fuente de suministro de energía de la presente invención para ser utilizada en aplicaciones de calentamiento por inducción o fusión por inducción.
La FIG. 3 es un diagrama de formas de onda que ilustra la tensión de salida del inversor y la corriente de salida del inversor para un ejemplo de la fuente de suministro de energía de la presente invención.
La FIG. 4 es un diagrama de formas de onda que ilustra la tensión entre los bornes de un condensador de sintonización y la corriente a través de una reactancia de filtrado de línea utilizada en un ejemplo de la fuente de suministro de energía de la presente invención.
La FIG. 5 es un diagrama de formas de onda que ilustra la tensión entre los bornes de, y la corriente a través de, un dispositivo interruptor utilizado en el inversor en un ejemplo de la fuente de suministro de energía de la presente invención.
La FIG. 6 es un diagrama esquemático de otro ejemplo de la fuente de suministro de energía de la presente invención para ser utilizada en aplicaciones de calentamiento por inducción o fusión por inducción.
La FIG. 7 es un diagrama vectorial que ilustra las ventajas de un sistema de calentamiento por inducción o fusión por inducción con la fuente de suministro de energía de la presente invención utilizada con el sistema de bobina de carga ilustrado en la FIG. 6.
Descripción detallada de la invención
Haciendo referencia a los dibujos, en los que números semejantes indican elementos semejantes, se muestra en la FIG. 2 una ilustración de un ejemplo de fuente 10 de suministro de energía de la presente invención para ser utilizada en aplicaciones de calentamiento por inducción o fusión por inducción. La sección 12 de rectificación de corriente alterna a corriente continua y filtrado incluye un rectificador de corriente alterna a corriente continua. En un rectificador multifásico, en este ejemplo no limitante de la invención, se utiliza un puente 14 rectificador de diodos trifásico para convertir la potencia de alimentación de línea de corriente alterna de un sistema trifásico (A, B, C) en potencia de corriente continua. La reactancia L8 de limitación de corriente opcional suaviza el rizado de la corriente continua de salida del rectificador. La sección 16 de la fuente de suministro de energía ilustra de manera diagramática el condensador C1 de sintonización con la bobina, que puede ser un único condensador o un banco de condensadores interconectados que forman un elemento capacitivo.
En la FIG. 2, la salida de corriente continua del rectificador se suministra a los terminales 1 y 2 de entrada de un inversor en puente completo en la sección 20 de inversor. El inversor consiste en interruptores S1, S2, S3 y S4 de estado sólido y diodos D1, D2, D3 y D4, respectivamente, asociados en anti paralelo. Los ciclos alternativos de conducción y corte de las parejas S1/S3 y S2/S4 de interruptores produce una salida de tensión alterna invertida sintetizada en los terminales 3 y 4. Una elección preferida, pero no limitante, de componentes para los interruptores de estado sólido es un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, Isolated Gate Bipolar Transistor), que posee las características deseables de los transistores bipolares de potencia y de los MOS-FET de potencia a tensiones y corrientes de funcionamiento elevadas. En un ejemplo de la invención, el inversor utiliza un esquema de desplazamiento de fase (control por ancho de pulso) relativo a los ciclos de conducción y corte de las dos parejas de interruptores, por lo cual se utilizan tiempos de conducción variables solapados para las dos parejas de interruptores para variar la tensión de salida RMS efectiva del inversor.
La bobina L9 de inducción de carga representa la bobina de potencia utilizada en el aparato de calentamiento por inducción o fusión por inducción. La capacidad del condensador C1 se selecciona para formar un circuito resonante con la impedancia de la bobina L9 de carga a la frecuencia de funcionamiento del inversor, que es la frecuencia de conmutación de las parejas de interruptores utilizadas en el inversor. Consecuentemente, no se necesita un condensador de sintonización a la salida del inversor. La elección de los componentes de circuitos disponibles puede no permitir un funcionamiento exactamente en resonancia, pero sí tan cerca de la resonancia como sea posible con componentes disponibles. La corriente alterna que circula a través de la bobina L9 de inducción de carga desde la salida del inversor se acopla magnéticamente con un material eléctricamente conductor, que puede ser, por ejemplo, un conductor metálico o un susceptor.
De la FIG. 3 a la FIG. 5 se ilustran las características de funcionamiento de la fuente 10 de suministro de energía de la presente invención tal como la mostrada en la FIG. 2 con una entrada de potencia de alimentación de línea (A, B, C) de 480 voltios entre fases, 60 Hz de frecuencia, y con el inversor 20 funcionando a una frecuencia de salida de 60
Hz. Para este ejemplo no limitante particular: L8 se selecciona con un valor de 5.000 H (que corresponde a una impedancia de 3,77 ohmios a la frecuencia de 120 Hz de rizado de salida del rectificador); C1 se selecciona con un valor de 5.000 F (que corresponde a una impedancia de 0,27 ohmios a la frecuencia de 120 Hz de rizado de salida del rectificador); y L9 se selecciona con un valor de 1.000 H (que corresponde a una impedancia de 0,38 ohmios a la frecuencia de 60 Hz de salida del inversor). Aunque no se muestra en la FIG. 2, pero sí se utiliza en este análisis de muestra, existe una resistencia de 0,16 ohmios asociada a la bobina L9 de inducción de carga. El funcionamiento del circuito C1/L9 en resonancia para la frecuencia de salida del inversor 20 da como resultado una tensión Vsal de salida invertida sustancialmente senoidal, y una corriente Isal de salida (en los terminales 3 y 4) también sustancialmente senoidal, tal como se ilustra de manera gráfica en la FIG. 3. La FIG. 4 ilustra de manera gráfica que la tensión entre los bornes del condensador C1, en concreto VC1, se lleva hasta su valor limitante inferior de cero voltios como resultado de la resonancia del condensador C1 con la bobina L9 a la frecuencia de rizado de 120 Hz. La tensión VC1 es la tensión aplicada en la entrada del inversor 20 (en los terminales 1 y 2). La FIG. 4 también ilustra la corriente IL8 de rizado a través de la reactancia L8. La impedancia de la reactancia L8 se selecciona generalmente con un valor mucho mayor que la impedancia del condensador C1 para bloquear la realimentación de armónicos desde el circuito inversor hasta la fuente de alimentación del rectificador. La FIG. 5 ilustra de manera gráfica la tensión VS entre los bornes de uno de los interruptores de estado sólido en el inversor 20, y la corriente IS que circula a través de uno de los interruptores a la máxima potencia de salida cuando existe un ángulo de solapamiento cero entre la tensión VS y la corriente IS. El corte del dispositivo interruptor a cero voltios para VS, cuando el rizado de corriente continua ha alcanzado el valor cero (por ejemplo, en el instante 240,0 milisegundos (ms) en la FIG. 4 y en la FIG. 5), minimizará las pérdidas de conmutación. De manera adicional, puesto que la conmutación de los interruptores ocurre a cero voltios en este ejemplo, cualquier pico debido a fugas en el circuito inductivo será significativamente menor que en un inversor convencional que tiene una corriente de rizado alterna baja en la tensión de enlace continua. Este ejemplo específico se proporciona para ilustrar la puesta en práctica de la invención, que no está limitada a los elementos específicos y a los valores específicos utilizados en este ejemplo.
La FIG. 6 ilustra un segundo ejemplo de la presente invención. En este ejemplo, la bobina de carga consiste en una bobina L1 activa y al menos una bobina L2 pasiva. Las bobinas L1 y L2 pueden estar arrolladas en una de entre varias configuraciones, tales como en secuencia o solapadas, para conseguir un acoplamiento magnético mutuo de las bobinas tal como se describe adicionalmente más abajo. La bobina L1 está conectada a la salida del inversor 20. La bobina L2 está conectada en paralelo con el condensador C2 de resonancia sintonizado para formar un circuito tanque resonante paralelo. La bobina L2 no está conectada físicamente a la bobina L1. El circuito tanque resonante paralelo es excitado mediante el acoplamiento magnético de la bobina L2 con el campo magnético generado en la bobina L1 cuando la corriente suministrada por la salida del inversor 20 circula a través de la bobina L1.
El beneficio de disponer de bobinas activa y pasiva separadas puede apreciarse adicionalmente observando el diagrama vectorial mostrado en la FIG. 7. En la Figura, con respecto al circuito de la bobina activa, el vector OV representa la corriente I1 en la bobina L1 activa tal como se ilustra en la FIG. 6. El vector OA representa la componente resistiva de la tensión I1R1 en la bobina activa (R1 no se muestra en las Figuras). El vector AB representa la componente de inducción de la tensión L1I1 en la bobina activa (donde  es igual al producto de 2 por f, la frecuencia de funcionamiento de la fuente de suministro de energía). El vector BC representa el voltaje MI2 inducido por la bobina L2 pasiva en la bobina L1 activa. La tensión VC1 de media onda de rizado entre los bornes del condensador C1 y la función de conmutación de las dos parejas S1/S3 y S2/S4 de interruptores producen el efecto de un pseudo-condensador C1’ conectado en serie con la bobina L1 que daría como resultado una tensión senoidal entre los terminales 5 y 6 de la FIG. 6. El vector CD representa el voltaje I1/(C1’) que aparecería entre los bornes de este pseudo-condensador C1’ conectado en serie. El vector OD representa la tensión Vinv de salida del inversor (terminales 3 y 4 de la FIG. 6).
Con respecto al circuito de la bobina pasiva, el vector OW representa la corriente I2 en la bobina L2 pasiva que es inducida por el campo magnético producido por la corriente I1. El vector OF representa la componente resistiva de la tensión I2R2 de la bobina pasiva (R2 no se muestra en las Figuras). El vector FE representa la componente de inducción de la tensión L2I2 de la bobina activa. El vector EG representa la tensión I1 inducida por la bobina L1 activa en la bobina L2 pasiva. El vector GO representa la tensión I2/(C2) en el condensador C2 que está conectado en paralelo con la bobina L2 pasiva.
El circuito de la bobina activa está excitado por la tensión Vinv de fuente, que es la salida del inversor 20, mientras que el lazo de la bobina pasiva no está conectado a una fuente de energía activa. Puesto que las bobinas activa y pasiva están acopladas mutuamente, el vector BC se suma al vector OB, V’CARGA, que representa la tensión entre los bornes de una bobina de inducción de carga activa en ausencia del circuito capacitivo de bobina de carga pasiva, para dar como resultado el vector OC, VCARGA, que es la tensión entre los bornes de una bobina de carga activa con un circuito capacitivo de bobina de carga pasiva de la presente invención. La tensión de carga resultante, VCARGA, tiene un ángulo  de factor de potencia de retardo más pequeño que en el caso de la bobina de carga convencional tal como se representa por el vector OB ( es el ángulo medido en sentido contrario a las agujas del reloj entre el eje x y el vector OC). Tal como se ilustra en la FIG. 7, hay una mejora  en el ángulo del factor de potencia.
En la presente invención, la impedancia de inducción en la bobina pasiva está compensada de manera sustancial
por la impedancia capacitiva (es decir, L2 ≈ 1/(C2)). La componente R2 resistiva no compensada en el circuito de la bobina pasiva se refleja en el circuito de la bobina activa a través de la inductancia mutua entre los dos circuitos, y la resistencia efectiva del circuito de la bobina activa aumenta, mejorando de esta manera el ángulo de factor de potencia, o el rendimiento del sistema de bobinas.
5 Adicionalmente, el ángulo de factor de potencia, , para la salida del inversor mejora en una cantidad  tal como se ilustra por medio del ángulo entre el vector OJ, V’inv (vector resultante del vector OA de componente resistiva y el vector AJ de componente capacitiva en ausencia del circuito de bobina de carga pasiva) y el vector OD, Vinv (vector resultante del vector OH de componente resistiva y el vector HD de componente capacitiva con el circuito de bobina de carga pasiva de la presente invención).
10 En otros ejemplos de la invención, pueden utilizarse múltiples circuitos de bobina activa y/o pasiva para conseguir una disposición de bobinas múltiples deseada para una aplicación particular.
Los ejemplos de la invención incluyen referencias a componentes eléctricos específicos. Una persona experta en la técnica puede llevar a la práctica la invención sustituyendo componentes que no son necesariamente del mismo tipo pero que crearán las condiciones deseadas o conseguirán los resultados deseados de la invención. Por ejemplo, los 15 componentes individuales pueden sustituirse por componentes múltiples o viceversa. Adicionalmente, una persona experta en la técnica puede llevar a la práctica la invención reorganizando los componentes para crear las condiciones deseadas o para conseguir los resultados deseados de la invención. Mientras que los ejemplos ilustran el funcionamiento de la invención en fuentes de suministro de energía alimentadas por tensión y en puente completo, la invención es aplicable a otras tipologías de fuente de suministro de energía con modificaciones
20 apropiadas tal como entenderá una persona que sea experta en la técnica.
Los ejemplos anteriores no limitan el alcance de la invención descrita. El alcance de la invención descrita se establece más a fondo en las reivindicaciones anexas.

Claims (6)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Una fuente (10) de suministro de energía para calentar o fundir de manera inductiva un material eléctricamente conductor, donde la fuente de suministro de energía comprende:
     un rectificador (14) que convierte potencia de entrada en corriente alterna en potencia de salida en corriente 5 continua a la salida del rectificador;
     un inversor (20) que posee una entrada conectada a la salida del rectificador, donde el inversor convierte la potencia de salida de corriente continua del rectificador en una corriente alterna de salida suministrada a una salida de la fuente de suministro de energía, donde la corriente alterna de salida tiene una frecuencia igual a la frecuencia de funcionamiento del inversor; y
    10  al menos una bobina (L9; L1, L2) de inducción de carga conectada a la salida de la fuente de suministro de energía,
    caracterizada por que
     al menos un condensador (C1) de sintonización está conectado en paralelo entre la salida del rectificador y la entrada del inversor, donde la al menos una bobina de inducción de carga posee una inductancia que la hace 15 entrar al menos aproximadamente en resonancia con el al menos un condensador de sintonización a la frecuencia de funcionamiento del inversor, por lo cual, durante el uso de la fuente de suministro de energía, un campo magnético generado por la circulación de la corriente alterna de salida a través de la al menos una bobina de inducción de carga se utiliza para calentar o fundir un material eléctricamente conductor mencionado.
  2. 2.- Una fuente de suministro de energía según la reivindicación 1, en la que la al menos una bobina de inducción
    20 de carga comprende una primera bobina (L1) de inducción de carga conectada a la salida de la fuente de suministro de energía y al menos una segunda bobina (L2) de inducción de carga, donde la al menos una segunda bobina de inducción de carga no está conectada a la primera bobina de inducción de carga, donde la al menos una segunda bobina de inducción de carga está conectada en paralelo con al menos un condensador (C2) de sintonización resonante para formar un circuito tanque resonante paralelo, donde la segunda bobina de inducción de carga está
    25 acoplada magnéticamente con la primera bobina de inducción de carga, de manera que cuando se está utilizando la fuente de suministro de energía, la corriente alterna de salida circula a través de la primera bobina de inducción de carga para inducir una corriente alterna secundaria en el circuito tanque resonante paralelo, donde la impedancia de la combinación de la primera bobina de inducción de carga y el circuito tanque resonante paralelo está al menos aproximadamente en resonancia con la impedancia del al menos un condensador de sintonización a la frecuencia de
    30 funcionamiento del inversor, por lo cual, durante la utilización de la fuente de suministro de energía, un primer campo magnético generado por la circulación de la corriente alterna de salida a través de la primera bobina de inducción de carga y un segundo campo magnético generado por la circulación de la corriente alterna secundaria en el circuito tanque resonante paralelo se utiliza para calentar o fundir un material eléctricamente conductor mencionado.
  3. 3.-Una fuente de suministro de energía según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que incluye una reactancia 35 (L8) de limitación de corriente en serie con la salida del rectificador.
  4. 4.-Una fuente de suministro de energía según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que utiliza control por ancho de pulso para variar la tensión de salida del inversor.
  5. 5.-Una fuente de suministro de energía según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que el inversor comprende al menos una pareja (S1/S3, S2/S4) de transistores bipolares de puerta aislada, de manera que cada uno
    40 de los transistores bipolares de puerta aislada está conectado en modo anti paralelo con un diodo (D1/D3, D2/D4) anti paralelo, para generar la corriente alterna de salida.
  6. 6.-Un método para calentar o fundir por medio de inducción un material eléctricamente conductor, donde el método comprende los pasos de:
     rectificar una potencia de entrada de corriente alterna convirtiéndola en una potencia de salida de corriente 45 continua;
     invertir la potencia de salida en corriente continua para generar una corriente alterna de salida en un inversor
    (20) a una frecuencia de funcionamiento del inversor; y
     conectar la corriente alterna de salida a al menos una bobina (L9) de inducción de carga para generar un campo magnético que se acopla magnéticamente con el material eléctricamente conductor para calentar o fundir por 50 medio de inducción el material eléctricamente conductor;
    caracterizado por los pasos de
     formar un circuito al menos aproximadamente resonante a la frecuencia de funcionamiento del inversor con la al
    menos una bobina (L9) de inducción de carga y al menos un condensador (C1) de sintonización dispuesto entre los bornes de salida de potencia en corriente continua.
     7.-Un método según la reivindicación 6, que incluye el paso de acoplar de manera inductiva una segunda bobina (L2) de inducción de carga con el campo magnético, donde la segunda bobina de inducción de carga
    5 está conectada en paralelo con al menos un condensador (C2) de sintonización resonante para formar un circuito tanque resonante paralelo, para formar de este modo un circuito al menos aproximadamente resonante a la frecuencia de funcionamiento del inversor con la impedancia de la combinación de la al menos una bobina de inducción de carga y el circuito tanque resonante paralelo y el al menos un condensador de sintonización dispuesto entre los bornes de salida de potencia en corriente continua.
    10  8.-Un método según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, que incluye el paso de filtrar la corriente de la salida de potencia en corriente continua.
     9.-Un método según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, que incluye el paso de variar la tensión de salida del inversor mediante control por ancho de pulso.
ES02753445.2T 2001-08-14 2002-08-12 Fuente de suministro de energía para calentamiento o fusión por inducción Expired - Lifetime ES2565452T3 (es)

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