ES2622446T3

ES2622446T3 - Horno de inducción con sistema de bobina de eficiencia mejorada

Info

Publication number: ES2622446T3
Application number: ES02704060.9T
Authority: ES
Inventors: Oleg S. Fishman; Vladimir V. Nadot; Vitaly A. Peysakhovich; John H. Mortimer
Original assignee: Inductotherm Corp
Current assignee: Inductotherm Corp
Priority date: 2001-01-08
Filing date: 2002-01-07
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2022-01-07
Also published as: AU2002237760B2; EP1350415B1; MXPA03006084A; CN1456024A; WO2002054831A2; EP1350415A4; BR0203467A; CA2424051A1; BRPI0203467B1; CN1279792C; EP1350415A2; AU2002237760B8; US20020122456A1; WO2002054831A3; US6542535B2

Abstract

Un sistema de horno de inducción que comprende un crisol (13), una bobina (L1) de inducción activa y una bobina (L2) de inducción pasiva que rodea el crisol, estando la bobina (L2) de inducción pasiva conectada en paralelo con un condensador (C2) para formar un circuito tanque L-C paralelo, y una fuente (20) de alimentación que tiene una salida ca conectada a los terminales de la bobina (L1) de inducción activa para suministrar una primera corriente ca a la bobina (L1) de inducción activa, caracterizado por que la bobina (L1) de inducción activa y la bobina (L2) de inducción pasiva rodean secciones parciales del crisol (13) según una disposición no-superpuesta para crear un acoplamiento magnético entre las bobinas (L1, L2) de inducción activa y pasiva cuando la primera corriente ca fluye a través de la bobina (L1) de inducción activa para inducir una segunda corriente ca en la bobina (L2) de inducción pasiva para calentar y fundir de manera inductiva material (12) eléctricamente conductor dispuesto en el crisol (13).

Description

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DESCRIPCION

Horno de induccion con sistema de bobina de eficiencia mejorada

Esta solicitud reivindica prioridad de la solicitud provisional estadounidense US 60/260,241 presentada el 8 de enero de 2001.

La presente invencion se refiere en general a hornos de induccion electrica y mas particularmente a hornos de induccion que tienen sistemas de bobina de eficiencia mejorada.

Los hornos de induccion electrica se utilizan para calentar y fundir metales y otros materiales electricamente conductores. Un horno de induccion utiliza una bobina de induccion que es alimentada desde una fuente de alimentacion CA. La corriente alterna que fluye a traves de la bobina crea un campo magnetico que es aplicado a la carga electricamente conductora dispuesta dentro del crisol del horno. Se pueden usar las corrientes Eddy inducidas por el campo en la carga para calentar, fundir y sobrecalentar la carga. El acoplamiento magnetico entre la bobina de induccion y la carga es analogo al acoplamiento de un transformador magnetico. Sin embargo, una bobina de induccion tiene una inductancia de perdidas mucho mayor que la inductancia de perdidas de un transformador magnetico. En consecuencia, el factor de potencia de un horno de induccion es extremadamente bajo, oscilando tfpicamente desde 0,08 hasta 0,15, resultando, por tanto, en una carga extremadamente ineficiente.

El horno de induccion sin nucleo convencional consiste en una bobina helicoidal de cobre refrigerada por agua con un crisol ceramico que contiene la carga. Una corriente alternativa en la bobina genera un campo magnetico que induce una corriente en la carca conductora. Como se ilustra en la Fig. 1(a), el horno 100 de induccion puede verse como un transformador de acoplamiento donde las espiras de la bobina primaria estan acopladas magneticamente a una unica espira formada por el material fundido 102 conductor. En la figura, Ic representa la corriente de bobina e Im representa la corriente en el bano fundido. Por tanto, se puede asumir que la relacion de la corriente nducida en el material fundido con la corriente en la bobina se acerca al numero de espiras de la bobina. Se induce la maxima densidad de corriente en la circunferencia del material fundido, decayendo exponencialmente la corriente hacia la profundidad del material fundido en direccion al centro del crisol.

La tasa de cafda esta definida por una constante, concretamente la profundidad de penetracion de la corriente en el metal, Am, como se define (en metros) mediante la siguiente ecuacion.

imagen1

donde pm = Me Mm =

f =

resistividad del metal fundido (en ohmios/m);

el producto de la permeabilidad absoluta y relativa (con M0 = 4n x 10-7 y Mm, la permeabilidad relativa del metal, en H/m);

la frecuencia de la corriente de bobina (en Hercios).

Los hornos de induccion normalmente estan disenados para satisfacer la condicion de que la profundidad de penetracion de la corriente en el metal es mucho menor que el radio del material fundido (Am << rm).

La forma convencional del material fundido es cilmdrica. La mayona de la corriente inducida esta fluyendo en la capa exterior del material fundido con un grosor igual a la profundidad de la penetracion, Am. La resistencia, Rm, (en ohmios) de esta capa puede estimarse mediante la siguiente ecuacion:

imagen2

donde

pm

Rm = resistencia del material fundido (en ohmios); rm = radio del material fundido; hm = altura del material fundido;

Am y f son tal como se definio anteriormente.

Los hornos de induccion son principalmente dispositivos de una unica fase. La energfa electrica suministrada se distribuye tfpicamente en tres lmeas trifasicas equilibradas. Para un funcionamiento optimo, los hornos de induccion operan a frecuencias tfpicamente en el rango de 100 a 10000 hercios. Estas frecuencias son necesarias para

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mantener una relacion Am/rm optima para el agitado electromagnetico de metal fundido en el horno.

Unos convertidores de potencia de estado solido generan la potencia a la frecuencia, tension y corriente necesarios para los hornos de induccion. Estos convertidores utilizan semiconductores de potencia (tales como topologfas basadas en SCR, IGBT o IGCT). El convertidor de potencia estatico en estado solido resuelve el problema del equilibrado de fase. Se rectifican tensiones de lmea de 3, 6 o 12 fases antes de ser invertidas para obtener una corriente electrica de una fase y frecuencia media. La rectificacion de onda completa de la tension de lmea multifase produce una distorsion armonica baja en las lmeas electricas e alimentacion, eliminando asf la necesidad de filtros de lmea. Como se ilustra en la Fig. 1(b), el convertidor de potencia consiste en tres secciones principales:

un rectificador ca a cd y filtro cd

un inversor de media frecuencia cd a ca; y

un banco de condensadores de sintonizacion.

La potencia suministrada al horno es controlada de manera automatica modificando el tiempo de conmutacion de los componentes de conmutacion de estado solido del inversor. Esta temporizacion determina la frecuencia de operacion, la fase y la amplitud de la corriente del horno.

Existen dos implementaciones convencionales de los convertidores de potencia de estado solido estaticos, concretamente un inversor alimentado en corriente con un banco de condensadores paralelo y un inversor alimentado en tension con un banco de condensadores en serie. La Fig. 2(a) ilustra un sistema de horno que utiliza un convertidor alimentado en corriente. La Fig. 2(b) ilustra un sistema de horno que utiliza un convertidor alimentado en corriente con condensadores de tanque en serie/paralelo. La Fig. 2(c) y la Fig. 2(d) ilustran sistemas de horno que utilizan un convertidor alimentado en tension en configuraciones de puente completo y de medio puente, respectivamente. Cada una de estas topologfas de suministro de potencia comprende una seccion 110 de filtro y rectificador, una seccion 120 de inversor de estado solido; y una seccion 130 de condensador de sintonizacion. Aunque se utiliza el sfmbolo generalmente reconocido para un SCR en este conjunto de figuras, en estas aplicaciones se pueden utilizar otros dispositivos de conmutacion de estado solido.

En el inversor alimentado en corriente, como se ilustra en la Fig. 2(a), el banco de condensadores de correccion de factor de potencia normalmente esta conectado en paralelo a la bobina del horno. El termino “banco de condensadores” se utiliza aqu para designar uno o mas condensadores conectados en serie o en paralelo de modo que constituyen el circuito equivalente mostrado en las figuras. Tanto el banco de condensadores como la bobina estan conectados en la diagonal de un inversor de puente completo. Esta conexion permite que la componente reactiva de la corriente de la bobina puentee los componentes de conmutacion de estado solido del inversor. Sin embargo, el inversor es expuesto a la tension del horno completa. Los valores de la tension del inversor pueden ser mas altos o mas bajos que la tension cd en el rectificador. Por tanto, el rectificador cd y las secciones de inversor deben ser desacopladas por reactores. Los reactores proporcionan al inversor una corriente cd constante. Actuan como un filtro y deposito de energfa. El inversor convierte la corriente cd en una corriente de onda cuadrada que se suministra a un circuito resonante paralelo.

La potencia del horno en los sistemas de inversor alimentado en corriente es controlada modificando tanto la temporizacion como la tension cd del inversor. Cuando la tension del inversor cae por debajo del potencial de rectificador cd, la potencia de salida no puede ser controlada solamente mediante la variacion en la frecuencia de conmutacion del inversor. Se lleva a cabo un control adicional de la corriente cd inyectada mediante la regulacion del angulo de fase de conduccion de los SCRs del rectificador. Dicha regulacion introducira distorsion en la lmea electrica de alimentacion a no ser que se dispongan filtros.

La ventaja principal del inversor resonante paralelo es que solo parte de la corriente de bobina pasa a traves de los dispositivos de conmutacion de estado solido, ahorrando asf un numero de dispositivos semiconductores. El inversor controla solo parte de la corriente de bobina. Esto, sin embargo, limita la controlabilidad del inversor. Utilizando los reactores de suavizado cd como acumuladores temporales de energfa provoca dificultades en el arranque de los inversores. La energfa en los reactores es cinetica (analoga a la energfa de un volante de inercia) - existe solo cuando la corriente cd fluye desde el rectificador al inversor. Para acumular la energfa necesaria en el reactor cd de suavizado, se utiliza una red de arranque especial. Cuando se detiene el inversor paralelo, la energfa de este reactor se gasta utilizando los interruptores de estado solido del inversor como un circuito crowbar.

La ventaja de una corriente mas baja en los dispositivos de conmutacion de estado solido del inversor se ve afectada por la elevada tension a la que estan expuestos estos dispositivos. Esto frecuentemente requiere apilar los dispositivos en serie, lo que a su vez requiere divisores de tension dinamicos especiales. Para inversores alimentados en corriente pequenos conectados a lmeas de baja tension estandar, se utiliza una conexion de condensadores en serie/paralelo, como se ilustra en la Fig. 2(b), en lugar de un circuito resonante paralelo.

Desde el punto de vista de la teona de circuitos electricos, los inversores resonantes en serie alimentados en tension, como se ilustra en la Fig. 2(c), representan un circuito de dualidad para el convertidor paralelo alimentado en corriente. Los reactores de suavizado de corriente en la lmea cd son sustituidos por condensadores de filtro de

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tension cd. El circuito resonante paralelo de salida es sustituido por un circuito resonante en serie. La tension en el inversor es constante e igual a la tension de salida del rectificador ca a cd. La corriente de bobina completa fluye a traves de los SCRs del inversor y el banco de condensador de sintonizacion. Dicha configuracion proporciona una excelente controlabilidad del sistema. Mediante el control de la temporizacion de conmutacion de los dispositivos de conmutacion de estado solido del inversor, es posible modificar rapidamente (dentro de un penodo de oscilacion) la cantidad de energfa que circula en el circuito resonante.

La energfa electrica potencial en el banco de condensadores de filtro cd puede mantenerse indefinidamente independientemente del estado del inversor. Durante cada ciclo, la potencia reactiva esta fluyendo bien desde el filtro al horno a traves de los dispositivos de conmutacion de estado solido o desde el horno al filtro a traves de diodos anti-paralelos.

Debido a la buena controlabilidad de la seccion de inversor, no hay necesidad de controlar la tension cd. Como no se aplica control de fase al rectificador, el factor de potencia de entrada en la lmea de alimentacion es relativamente constante. No se requieren condensadores de correccion o filtros de lmea. La implementacion practica de los convertidores resonantes en serie se simplifica aun mas utilizando un esquema de inversor de medio puente tal como se ilustra en la Fig. 2(d).

Un inversor alimentado por corriente opera con una mayor tension, mientras que un inversor alimentado por tension opera con una menor tension pero con corriente de bobina completa. El inversor alimentado por tension tiene una mejor controlabilidad y almacena energfa reactiva completamente en los condensadores, que tienen menores perdidas que los reactores cd del inversor alimentado por corriente. En todas estas configuraciones de la tecnica anterior para sistemas de hornos de induccion, la bobina del horno es, como se ha mencionado anteriormente, una carga electrica extremadamente ineficiente. Por tanto, existe la necesidad de un sistema de bobina mas eficiente para un horno de induccion.

La presente invencion proporciona un sistema de horno de induccion de acuerdo con la reivindicacion 1 y un metodo de acuerdo con la reivindicacion 6, a las que se hace referencia ahora. Por tanto, la presente invencion puede proporcionar un aparato y un metodo para calentar y fundir un material electricamente conductor en el crisol de un sistema de horno de induccion que incluye una bobina de induccion pasiva que rodea una seccion parcial del crisol. La bobina de induccion pasiva esta conectada a un condensador para formar un circuito tanque L-C. Se proporciona una corriente ca desde una fuente de alimentacion ca a una bobina de induccion activa que rodea una seccion parcial del crisol. La corriente ca genera un primer campo magnetico que caliente y funde el material electricamente conductor y, mediante el acoplamiento magnetico con la bobina pasiva, induce una corriente inducida con la bobina pasiva. Esta corriente inducida genera un segundo campo magnetico que caliente y funde el material electricamente conductor. La resistencia del circuito tanque L-C se refleja en el circuito de la bobina de induccion activa para aumentar la eficiencia del sistema de horno de induccion.

Con el proposito de ilustrar la invencion, se muestra en los dibujos una forma actualmente preferida; se debe entender, sin embargo, que esta invencion no esta limitada a las disposiciones y funciones precisas que se muestran. En los dibujos:

La Fig. 1(a) es una vista de una seccion transversal de un crisol convencional que ilustra la distribucion de corriente inducida.

La Fig. 1(b) es el crisol de la Fig. 1(a) conectado a una fuente de alimentacion convencional para formar un sistema de horno de induccion.

La Fig. 2(a) es un diagrama de planta de un sistema de horno de induccion convencional que utiliza un convertidor alimentado en corriente.

La Fig. 2(b) es un diagrama de planta de un sistema de horno de induccion convencional que utiliza un convertidor alimentado en corriente con condensadores de tanque en serie/paralelo.

La Fig. 2(c) es un diagrama de planta de un sistema de horno de induccion convencional que utiliza un inversor alimentado por tension.

La Fig. 2(d) es un diagrama de planta de un sistema de horno de induccion convencional que utiliza condensadores de tanque en serie.

La Fig. 3(a) es un diagrama de planta que ilustra un ejemplo de un sistema de horno de induccion con el sistema de bobina de eficiencia mejorada de la presente invencion.

La Fig. 3(b) es un esquema simplificado que ilustra un ejemplo de un sistema de horno de induccion con el sistema de bobina de eficiencia mejorada de la presente invencion.

La Fig. 3(c) es un esquema simplificado que ilustra otro ejemplo de un sistema de horno de induccion con el sistema

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de bobina de eficiencia mejorada de la presente invencion.

La Fig. 4 es un grafico que ilustra la magnitud de potencia disponible para el calentamiento y fundicion por induccion como una funcion de la frecuencia del sistema para un ejemplo de un sistema de horno de induccion de la presente invencion.

La Fig. 5 es un grafico que ilustra la magnitud de la impedancia de entrada para el sistema de bobina de induccion como una funcion de la frecuencia del sistema para un ejemplo del sistema de horno de induccion de la presente invencion.

La Fig. 6 es un grafico que ilustra la magnitud del factor de potencia de carga de bobina para el sistema de bobina de induccion como una funcion de la frecuencia del sistema para un ejemplo del sistema de horno de induccion de la presente invencion.

La Fig. 7 es un grafico que ilustra la magnitud de la reactancia de entrada para el sistema de bobina de induccion como una funcion de la frecuencia del sistema para un ejemplo del sistema de horno de induccion de la presente invencion.

La Fig. 8(a) es un diagrama de planta que ilustra otro ejemplo de un sistema de horno de induccion con el sistema de bobina de eficiencia mejorada de la presente invencion.

La Fig. 8(b) es un esquema simplificado que ilustra otro ejemplo de un sistema de horno de induccion con el sistema de bobina de eficiencia mejorada de la presente invencion.

La Fig. 9(a) es un diagrama de planta que ilustra otro ejemplo del sistema de horno de induccion con el sistema de bobina de eficiencia mejorada de la presente invencion.

La Fig. 9(b) es un esquema simplificado que ilustra otro ejemplo de un sistema de horno de induccion con el sistema de bobina de eficiencia mejorada de la presente invencion.

La Fig. 10 es un diagrama vectorial que ilustra las ventajas de un sistema de horno de induccion con el sistema de bobina de eficiencia mejorada de la presente invencion.

La Fig. 11 es un esquema simplificado que ilustra otro ejemplo de un ejemplo de sistema de horno de induccion con el sistema de bobina de eficiencia mejorada de la presente invencion.

Haciendo referencia ahora a los dibujos, donde numeros similares indican elementos similares, se muestra en la Fig. 3(a) y 3(b), de acuerdo con la presente invencion, un ejemplo de un sistema 10 de horno de induccion que utiliza un sistema de bobina de alta eficiencia.

La bobina L1 (bobina activa) esta conectada en sus terminales de extremo a la fuente 20 de alimentacion ca que funciona con una tension y frecuencia controlables para producir una corriente I1 en la bobina L1. La bobina L2 (bobina pasiva) esta conectada al condensador C2 para formar un circuito tanque L-C paralelo. El campo magnetico creado por el flujo de la corriente en la bobina L1 crea un campo de flujo que esta magneticamente acoplado a la bobina L2 (como se indica mediante la inductancia M mutua en las figuras), que induce la corriente I2 en la bobina L2. La corriente I2 inducida tiene la misma frecuencia que la corriente I1. Los campos magneticos creados por la corriente que fluye en las bobinas L1 y L2 calentaran y fundiran inductivamente el material 12 electricamente conductor dispuesto en el crisol 13.

La magnitud y fase de I2 tambien depende de los valores de impedancia seleccionados de la bobina L2 y el condensador C2 en el circuito tanque formado por estos componentes.

La tension en la bobina L2 genera una tension en la bobina L1, que se opone a la tension de alimentacion que controla el flujo de corriente I1 en L1. Como resultado, la bobina L1 absorbe menos corriente del inversor mientras que el sistema 10 de horno de induccion genera la misma magnitud de potencia, permitiendo asf un dimensionamiento mas pequeno de los componentes electricos para la alimentacion de potencia al mismo tiempo que se mantiene el mismo nivel de potencia de calentamiento y fundicion.

Ademas, la reactancia del condensador C2 en el circuito tanque mejora sustancialmente el factor de potencia de bajo retraso de la bobina de induccion para proporcionar un sistema de bobina mas eficiente.

Aunque se utiliza un convertidor de medio puente alimentado por tension con un condensador de tanque en serie en la Fig. 3(a), la Fig. 3(b) ilustra un ejemplo mas general del sistema de horno de induccion de la presente invencion donde el convertidor (alimentacion de potencia) se identifica genericamente como elemento 21. En la Fig. 3(a), que para este ejemplo de la invencion esta configurado como un convertidor de medio puente, se muestra el condensador C1 como una capacitancia distributiva en el medio puente, mientras que en la Fig. 3(b) el condensador C1 se muestra generalmente como un elemento de circuito simple.

El sistema de bobina de alta eficiencia de la presente invencion puede utilizarse con varios tipos de topologfas de

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alimentacion de potencia, tales como (sin limitacion) convertidores alimentados por tension resonantes en serie y convertidores que utilizan modulacion por anchura de pulso, para aprovechar las ventajas del sistema de bobina de eficiencia mejorada.

La presente invencion puede apreciarse mejor mediante el diagrama vectorial mostrado en la Fig. 10. En la figura, con respecto del circuito de bobina activa, el vector OV representa la corriente I1 en la bobina activa Li, como se ilustra en la Fig. 3(a) a la Fig. 3(c). El vector OA representa la componente resistiva de la tension de la bobina activa, I1R1 (R1 no se muestra en las figuras). El vector Ab representa la componente inductiva de la tension de la bobina activa, wL|Ii (donde w es igual a 2n veces f, la frecuencia de operacion de la fuente de alimentacion). El vector BC representa la tension, WMI2, inducida por la bobina L2 pasiva en la bobina L1 activa. El vector CD representa la tension, I1/WC1, en los condensadores C1 en serie conectados entre la seccion de inversor de la fuente de alimentacion y la bobina activa Li. El vector OD representa la tension de salida, Vinv, del inversor (terminales 3 y 4 en la Fig. 3(a)).

Con respecto del circuito de bobina pasiva, el vector OW representa la corriente I2 en la bobina L2 pasiva inducida por el campo magnetico producido por la corriente Ii. El vector OF representa la componente resistiva de la tension de la bobina pasiva, I2R2 (R2 no se muestra en las figuras). El vector FE representa la componente inductiva de la tension de la bobina pasiva, 00L2I2. El vector EG representa la tension, wMIi, inducida por la bobina Li activa en la bobina L2 pasiva. El vector GO representa la tension, I2/WC2, en el condensador C2, que esta conectado en la bobina L2 pasiva.

El circuito de bobina activa es accionado por la fuente de tension, Vinv, mientras que el bucle de bobina pasiva no esta conectado a una fuente de energfa activa. Como las bobinas activa y pasiva estan acopladas mutuamente, se anade el vector BC al vector OB, que representa la tension (V'fum) a traves de una bobina de horno activa en ausencia de un circuito de bobina de horno capacitiva pasiva, para dar como resultado el vector OC, que es la tension (Vfum) a traves de una bobina de horno activa con un circuito de bobina de horno capacitiva pasiva de la presente invencion. La tension de horno resultante, Vfum, con un menor angulo de factor de potencia de retraso, 9 (angulo en el sentido opuesto a las agujas del reloj entre el eje x y el vector OC), que el horno convencional representado por el vector OB (mostrado en lmea discontinua). Como se ilustra en la Fig. 10, existe una mejora del angulo del factor de potencia de A9.

En la presente invencion, la impedancia inductiva en la bobina pasiva es compensada sustancialmente por la impedancia capacitiva (es decir, WL21/WC2). La componente resistiva no compensada, R2, en el circuito de bobina pasiva se refleja en el circuito de bobina activa mediante la inductancia mutua entre los dos circuitos, y aumenta la resistencia del circuito de bobina activa efectiva, mejorando asf el factor de potencia, o la eficiencia del sistema de bobina.

Ademas, el angulo del factor de potencia, 9, para la salida del inversor mejora en A9, segun se ilustra mediante el angulo entre el vector OJ (el vector resultante (V'inv)del vector OA de la componente resistiva y el vector AJ de la componente capacitiva en ausencia de un circuito de bobina de horno pasiva) y el vector OD (el vector resultante (Vinv) del vector OH de la componente resistiva y el vector HD de la componente capacitiva con el circuito de bobina de horno pasiva de la presente invencion).

En otro ejemplo del sistema de bobina de alta frecuencia de la presente invencion, como se muestra en la Fig. 3(c), las bobinas L1 y L2 se pueden superponer total o parcialmente para aumentar la inductancia mutua M entre las dos bobinas.

Como se muestra en la Fig. 4 para un ejemplo de la presente invencion, las bobinas L1 y L2 tienen dos frecuencias resonantes diferentes en aproximadamente 144 hercios y 166 hercios respectivamente. Las mismas aproximaciones de frecuencia para las bobinas L1 y L2 de resonancia ignoran las desviaciones de frecuencia menores para la resonancia de las dos bobinas que se muestra en la Fig. 4.

En la Fig. 4, la curva P1n (mostrada en lmea punteada) ilustra la magnitud de la potencia en el circuito de bobina L1 y la curva P2n (mostrada en lmea discontinua) ilustra la magnitud de la potencia en el circuito de bobina L2. La curva Pin (mostrada en lmea continua) representa la suma de potencia en los circuitos de la bobina L1 y la bobina L2. Se puede conseguir el control de potencia variando la frecuencia de salida (fn) de la fuente de alimentacion entre cd y la frecuencia a la que se produce la resonancia para la bobina L1 (en este ejemplo, aproximadamente 144 hercios).

La Fig. 5 muestra para un ejemplo de la presente invencion el efecto de la frecuencia (fn) de la fuente de alimentacion, sobre la magnitud de la impedancia (Zn) de carga, en ohmios, en los terminales 1 y 2, como se muestra en la Fig. 3(a) y la Fig. 3(b).

La Fig. 6 muestra para un ejemplo de la presente invencion el efecto de la frecuencia (fn) de la fuente de alimentacion sobre el factor de potencia (Pfn) del circuito de carga en los terminales 1 y 2 tal como se muestra en la Fig. 3(a) y la Fig. 3(b). La Fig. 6 ilustra el factor de potencia de carga de bobina mejorado que puede conseguirse en un ejemplo de la presente invencion operando la fuente de alimentacion en un rango por debajo de la primera frecuencia de resonancia de aproximadamente 144 hercios.

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La Fig. 7 muestra para un ejemplo de la presente invencion el efecto de la frecuencia (f„) de la fuente de alimentacion sobre la magnitud de la reactancia de la carga (Xn), en ohmios, en los terminales 1 y 2 tal como se muestra en la Fig. 3(a) y la Fig. 3(b).

El agitado electromagnetico del material fundido en el crisol puede ajustarse sustituyendo el condensador C2 de la reactancia pasiva por un condensador con un valor diferente de la reactancia para modificar el punto de resonancia en el circuito tanque L-C paralelo formado por la bobina L2 y el condensador C2. En algunas aplicaciones, donde el circuito tanque L-C esta situado cerca de la parte inferior del crisol, se selecciona el condensador C2 para minimizar la turbulencia provocada por un agitado electromagnetico excesivo cerca de la parte inferior del crisol para evitar la extraccion de material refractario del crisol que se asienta en la parte inferior del material fundido y lo contamina. Alternativamente, el condensador C2 puede ser un banco de condensadores ajustable donde la capacitancia del condensador C2 puede ser ajustada facilmente.

La Fig. 8(a) y la Fig. 8(b) muestran un ejemplo alternativo del sistema de horno de induccion de la presente invencion donde el condensador C2 de sintonizacion esta conectado en una seccion parcial, Lb, de la bobina L, que esta conectada en sus terminales de extremo (1 y 2) a la salida de la fuente 20 de alimentacion en la Fig. 8(a) o la fuente 21 de alimentacion en la Fig. 8(b). En este ejemplo, la bobina L funciona como un autotransformador con potencia aplicada en toda la bobina. El circuito tanque L-C formado por la seccion de bobina parcial Lb y el condensador C2 mejora la eficiencia global del circuito de bobina de induccion.

La Fig. 9(a) y la Fig. 9(b) muestran otro ejemplo alternativo del sistema de horno de induccion de la presente invencion donde el condensador C2 de sintonizacion esta conectado en los terminales de extremo de la bobina L, que tiene una seccion parcial, Lb, conectada a la salida de la fuente 20 de alimentacion en la Fig. 9(a) o la fuente 21 de alimentacion en la Fig. 9(b). En este ejemplo, la bobina L funciona como un autotransformador con potencia aplicada a traves de una seccion parcial de toda la bobina. El circuito tanque L-C formado por la bobina L de induccion y el condensador C2 mejora la eficiencia global del circuito de bobina de induccion.

La Fig. 11 ilustra otro ejemplo de la presente invencion donde el crisol 90 comprende un material aislado termicamente con el extremo abierto rodeado por bobinas de induccion. Aunque el crisol 90 se muestra con una forma generalmente cilmdrica, puede configurarse alternativamente el crisol de extremo abierto de otro modo siempre que permita el paso a traves del crisol del material 92 electricamente conductor. El material electricamente conductor puede ser, sin limitacion, un lingote que pasa a traves del crisol de modo que el lingote es calentado o fundido de manera inductiva. El crisol y el material electricamente conductor pueden estar orientados en direcciones diferentes de las mostradas en la Fig. 11, por ejemplo horizontalmente en lugar de verticalmente. En este ejemplo, las bobinas, condensador tanque L-C paralelo y fuente de alimentacion son similares a las de la Fig. 3(a). Este crisol de extremo abierto puede utilizarse con cualquier otro ejemplo de la presente invencion.

Otras disposiciones de bobina activa y pasiva estan dentro del alcance de la invencion descrita. Por ejemplo, pueden utilizarse circuitos de bobina bien activa multiple y/o pasiva multiple en varias configuraciones que tienen una o mas bobinas superpuestas y/o una o mas bobinas no superpuestas. Ademas, las bobinas activas y pasivas pueden disponerse de manera alternativa alrededor de la altura del crisol. Por ejemplo, puede disponerse la bobina pasiva encima de la bobina activa.

Aunque en las figuras se muestra un tipo de fuente de alimentacion para su uso con el sistema de bobina de alta eficiencia de la invencion, pueden utilizarse otras topologfas de fuentes de alimentacion, tales como fuentes de alimentacion que utilizan tecnicas de modulacion por ancho de pulso, para aprovechar las ventajas del sistema de bobina del sistema de horno de induccion de la presente invencion.

Los ejemplos de la invencion incluyen referencias a componentes electricos espedficos. Un experto en la materia podna llevar a cabo la invencion sustituyendo componentes que no son necesariamente del mismo tipo pero que crean las condiciones deseadas o consiguen los resultados deseados de la invencion. Por ejemplo, pueden sustituirse componentes simples por componentes multiples o viceversa.

Los ejemplos anteriores no limitan el alcance de la invencion descrita. El alcance de la invencion descrita se establece en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un sistema de horno de induccion que comprende un crisol (13), una bobina (Li) de induccion activa y una bobina (L2) de induccion pasiva que rodea el crisol, estando la bobina (L2) de induccion pasiva conectada en paralelo con un condensador (C2) para formar un circuito tanque L-C paralelo, y una fuente (20) de alimentacion que tiene una salida ca conectada a los terminales de la bobina (L1) de induccion activa para suministrar una primera corriente ca a la bobina (L1) de induccion activa,

caracterizado por que

la bobina (L1) de induccion activa y la bobina (L2) de induccion pasiva rodean secciones parciales del crisol (13) segun una disposicion no-superpuesta para crear un acoplamiento magnetico entre las bobinas (L1, L2) de induccion activa y pasiva cuando la primera corriente ca fluye a traves de la bobina (L1) de induccion activa para inducir una segunda corriente ca en la bobina (L2) de induccion pasiva para calentar y fundir de manera inductiva material (12) electricamente conductor dispuesto en el crisol (13).
2. Un sistema de horno de induccion de acuerdo con la reivindicacion 1, donde la capacitancia del condensador (C2) esta ajustada para alterar las caractensticas de agitado magnetico del segundo campo magnetico.
3. Un sistema de horno de induccion de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, donde el crisol (13) es un material aislado termicamente de extremo abierto.
4. Un sistema de horno de induccion de acuerdo con la reivindicacion 3, donde el material (12) electricamente conductor comprende un lingote.
5. Un sistema de horno de induccion de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, donde extremos adyacentes de las bobinas (L1, L2) activa y pasiva estan electricamente conectados entre sl
6. Un metodo para calentar y fundir de manera inductiva un material (12) electricamente conductor en un crisol (13), que comprende los pasos de:

rodear el crisol con una bobina (L1) de induccion activa y una bobina (L2) de induccion pasiva,

conectar un condensador (C2) a los terminales de la bobina (L2) de induccion pasiva para formar un circuito tanque L-C paralelo, y

suministrar una primera corriente ca a la bobina (L1) de induccion activa para generar un primer campo magnetico para calentar y fundir de manera inductiva el material (12) electricamente conductor,

caracterizado por

disponer la bobina (L1) de induccion activa y la bobina (L2) de induccion pasiva segun una disposicion no- superpuesta para crear un acoplamiento magnetico entre las bobinas (L1 y L2) de induccion activa y pasiva cuando la primera corriente ca fluye a traves de la bobina de induccion activa para inducir una segunda corriente ca en la bobina (L2) de induccion pasiva para generar un segundo campo magnetico en la bobina (L2) de induccion pasiva para calentar y fundir de manera inductiva el material (12) electricamente conductor.
7. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 6, que incluye el paso de ajustar la capacitancia del condensador (C2) de modo que se alteran las caractensticas de agitado magnetico del segundo campo magnetico.
8. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7, que incluye el paso de hacer pasar el material (12) electricamente conductor a traves del crisol.
9. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, que incluye el paso de conectar electricamente entre si extremos adyacentes de la bobina (L2) de induccion pasiva y la bobina (L1) de induccion activa.