ES2932561T3 - Sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia con salida muy regulada para calentar una pieza de trabajo - Google Patents

Sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia con salida muy regulada para calentar una pieza de trabajo Download PDF

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Thomas G Ignatowski
Michael A Nallen
Lesley D Frame
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Abstract

Se proporciona un sistema de calefacción eléctrica de alta frecuencia para calentar piezas conductoras de electricidad a medida que avanzan, ya sea para procesos de recocido o soldadura, y en el que la corriente de calefacción eléctrica es suministrada por un inversor de estado sólido a través de un aparato de control de frecuencia y ajuste de carga que mantiene la corriente de carga deseada y frecuencia con cambios en la impedancia de carga causados por las partes conductoras de electricidad a medida que avanzan.La adaptación de carga altamente regulada se logra con reactores variables de alta frecuencia que pueden tener una sección de núcleo de inserción móvil de forma geométrica y una sección de barra dividida estacionaria con una sección de barra dividida de forma geométrica complementaria y una sección de barra terminal eléctrica dividida donde el núcleo de inserción La sección se puede mover en relación con la sección de barra dividida estacionaria para variar la inductancia del par de reactores. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia con salida muy regulada para calentar una pieza de trabajo
Referencia cruzada a aplicaciones relacionadas
Esta solicitud reclama la prioridad de la solicitud provisional estadounidense N.° 62/270,952 presentada el 22 de diciembre de 2015.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a sistemas de alimentación de potencia de alta frecuencia con salidas muy reguladas para el calentamiento de una parte o partes de una pieza o piezas metálicas a medida que se hacen avanzar la parte o partes de la pieza o piezas metálicas.
Antecedentes de la invención
La soldadura por inducción es una forma de soldadura que utiliza la inducción electromagnética para calentar una parte o partes de una parte o partes metálicas a medida que se hacen avanzar la parte o partes de la parte o partes metálicas. La parte o partes calentadas, por ejemplo, los bordes opuestos de una chapa metálica, se sueldan entre ellas aplicando una fuerza entre la parte o partes calentadas por inducción, por ejemplo, para formar un producto tubular en una atmósfera ambiente o un entorno controlado, tal como gas inerte o vacío.
La soldadura por resistencia eléctrica (ERW) es una forma de soldadura que utiliza calentamiento por resistencia para calentar una parte o partes de una pieza o piezas metálicas a medida que se hacen avanzar la parte o las partes de la pieza o piezas metálicas. Las superficies calentadas se sueldan juntas aplicando una fuerza entre la parte o partes calentadas resistivamente, por ejemplo, los bordes opuestos de una chapa metálica en una atmósfera ambiente o un entorno controlado, tal como un gas inerte o vacío, para formar un producto tubular.
Las fuentes de alimentación de estado sólido de alta frecuencia utilizadas en procesos de soldadura por inducción o resistencia también se pueden utilizar en otros procesos de calentamiento, por ejemplo, procesos de recocido por inducción (tratamiento térmico) en los que una pieza de trabajo de metal o una zona de la pieza de trabajo, tal como una costura de soldadura previamente formada, requiere tratamiento térmico. La bobina de inducción y la zona de tratamiento térmico de la pieza acoplada magnéticamente forman un circuito de carga eléctrica con características de carga que cambian dinámicamente durante el proceso de recocido.
La patente estadounidense N.° 5,902,506 (la patente '506), describe un sistema de alimentación de potencia de recocido o soldadura de forja de alta frecuencia que utiliza reactores variables en un aparato de modulación de carga.
Es un objetivo de la presente invención proporcionar un sistema de alimentación de potencia de recocido o soldadura de forja de alta frecuencia con reactores variables mejorados sobre los descritos en la patente estadounidense N.° 5,902,506 que proporcionen un sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia con una salida muy regulada.
El documento EP 1683600 A2 (THERMATOOL CORP [US]) de 26 de julio de 2006 (26-07-2006) describe un sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia para el calentamiento de una parte o múltiples partes de una pieza metálica.
Breve compendio de la invención
En un aspecto, la presente invención es un sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia para calentar una parte o partes de una parte o partes metálicas a medida que se hacen avanzar la parte o partes de la parte o partes metálicas, donde el sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia comprende un inversor de estado sólido y un aparato de control de frecuencia y modulación de carga en el que se utilizan pares de reactores variables para lograr una salida muy regulada desde el sistema de calentamiento eléctrica de alta frecuencia hacia una carga.
En otro aspecto, la presente invención es un reactor variable de alta frecuencia que tiene una sección de núcleo de inserción móvil de forma geométrica y una sección de bus dividido estacionaria con una sección de bus dividido complementaria de forma geométrica y terminales eléctricos de bus dividido para conectar el reactor variable a un circuito en el que la sección del núcleo de inserción se puede mover hacia dentro o hacia fuera de la sección de bus dividido de forma geométrica complementaria para variar la inductancia del par de reactores.
Los aspectos anteriores y otros de la invención se exponen en esta memoria y en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos, tal como se resumen brevemente a continuación, se proporcionan a modo de ejemplo para la comprensión de la invención, y no limitan la invención tal como se establece más adelante en esta memoria y las reivindicaciones adjuntas.
La figura 1 es un ejemplo de un diagrama simplificado de un sistema de alimentación de potencia de calentamiento de alta frecuencia de la presente invención que utiliza un inversor de fuente de corriente.
La figura 2 es un ejemplo de un diagrama simplificado de un sistema de alimentación de potencia de calentamiento de alta frecuencia de la presente invención que utiliza un inversor de fuente de tensión.
La figura 3 es un ejemplo de un diagrama simplificado de un sistema de control para un sistema de alimentación de potencia de calentamiento de alta frecuencia de la presente invención.
La figura 4(a) y la figura 4 (b) ilustran un ejemplo de un par de reactores variables de forma geométrica de forma cónica con un solo inserción de núcleo conductor sólido o hueco de la presente invención que se puede usar en un aparato de modulación de carga del sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia de la presente invención.
La figura 4(c) es un detalle del aparato de modulación de carga y control de frecuencia mostrado en la figura 1 o la figura 2 que muestra dónde se utilizan el par de reactores variables en la figura 4(a) y la figura 4(b) para el par de reactores 32-33 en la figura 1 de la figura 2.
La figura 5(a) ilustra un ejemplo de un único núcleo de inserción de forma geométrica formado a partir de una ferrita sólida o hueca que se puede utilizar en el par de reactores variables que se muestran en la figura 4(a) y la figura 4(b).
La figura 5(b) ilustra un ejemplo de un único núcleo de inserción de forma geométrica formado a partir de un conjunto de varillas de ferrita que se puede utilizar en el par de reactores que se muestran en la figura 4(a) y la figura 4(b).
La figura 6 ilustra un ejemplo de un reactor variable de alta frecuencia de la presente invención en forma de cuña que puede usarse en un aparato de modulación de carga del sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia de la presente invención.
La figura 7 ilustra un ejemplo de un reactor variable de alta frecuencia de la presente invención en forma de paraboloide elíptico que puede usarse en un aparato de modulación de carga del sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia de la presente invención.
La figura 8(a) a la figura 8(d) ilustran un ejemplo de un reactor variable de alta frecuencia de la presente invención que comprende un par de reactores variables de dos vueltas de forma cónica que pueden usarse en un aparato de modulación de carga del sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia de la presente invención.
La figura 9(a) y la figura 9 (b) ilustran un ejemplo de un reactor variable de alta frecuencia de la presente invención que comprende un par de reactores variables de forma geométrica de forma cónica con un solo inserción de núcleo conductor sólido o hueco de la presente invención que se puede usar en un modulación de carga y el aparato de control de frecuencia de la presente invención en el que la sección de bus eléctrica dividida para cada uno de los reactores variables en el par de reactores se unen para formar un solo reactor variable.
La figura 9(c) es un detalle de un aparato modificado de modulación de carga y control de frecuencia mostrado en la figura 1 o la figura 2 que muestra dónde se puede utilizar el reactor de alta frecuencia en la figura 9(a) y la figura 9(b) en un sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia.
Descripción detallada de la invención
En la figura 1 el rectificador 12 convierte la corriente alterna trifásica en corriente continua y está conectado a un circuito inversor que comprende los transistores 20a, 20b, 20c y 20d a través de los cablees 82 y 84 y el inductor fijo 18. Los transistores pueden ser transistores de efecto de campo semiconductor de óxido de metal u otros dispositivos de conmutación de estado sólido adecuados. El sensor de corriente 16 proporciona una salida proporcional a la corriente suministrada al inversor y, por lo tanto, a la carga 80. Cuando se utiliza un sistema de calentamiento de fuente de alimentación de alta frecuencia de la presente invención, por ejemplo, en una aplicación de soldadura por inducción o recocido o soldadura por aplicación de resistencia eléctrica, la carga 80 incluye cables eléctricos y una bobina de inducción o contactos eléctricos (que contactan la parte o partes) para soldar, recocer o calentar de otro modo.
Los cables de salida de inversor 86 y 88 están conectados a la carga 80 mediante un aparato de modulación de carga 14 que comprende: un primer par de reactores variables 32 y 33, con cada uno del par de reactores variables conectados eléctricamente en serie entre cada uno de los cables de salida de inversor y carga 80; un segundo par de reactores variables 34 y 35 con cada uno del par de reactores variables conectados eléctricamente en paralelo con los cables de salida del inversor; un primer condensador 36 de baja pérdida y alta frecuencia (opcional) conectado eléctricamente en serie entre un cable de salida del inversor y la carga 80; y un segundo condensador 37 de baja pérdida y alta frecuencia conectado eléctricamente en paralelo con los cables de salida del inversor con todos los componentes dispuestos en una realización de la invención como se muestra en la figura 1.
La carga 80, los pares de reactores 32-33 y 34-35 y los condensadores 36 (si se usan) y 37 forman un circuito de tanque conectado a los cables de salida del inversor. La transferencia de alimentación máxima se logra cuando la reactancia inductiva y la reactancia de capacitancia son iguales. La selección de los valores para los condensadores 36 (si se usan) y 37 y los intervalos para los dos pares de reactores variables 32-33 y 34-35 procede de determinar el intervalo de inductancia de carga nominal, que es la suma de la inductancia de carga nominal y, si se usa, cualquier núcleo magnético (impedidor) dentro del artículo tubular que se está formando si el proceso de calentamiento es de soldadura por inducción, y la inductancia de trabajo del bus auxiliar, el intervalo de resistencias de carga que debe coincidir con el soldador en una aplicación de soldadura y la frecuencia de soldadura para una aplicación de soldadura. También se requiere conocer el valor de la impedancia resistiva en la que el inversor puede entregar toda su potencia. Con este conocimiento, el valor Cp del condensador 37 se calcula que es el valor necesario para soportar la corriente de circulación más alta producida por el circuito del tanque a plena potencia de salida. Se puede demostrar que esto es:
Figure imgf000004_0001
dónde:
n es igual a 3,1415926;
f es igual a la frecuencia de aplicación deseada;
Ro es igual a la impedancia resistiva requerida por el inversor para entregar su salida de potencia completa, y Rmin es la impedancia resistiva mínima esperada en los terminales de la bobina de trabajo en un proceso de recocido o soldadura por inducción.
Conociendo cp , el valor Cs del condensador 36 (si se usa) se calcula para hacer que el circuito del tanque resuene a la frecuencia de soldadura en una aplicación de soldadura:
Figure imgf000004_0002
Lnom • (2 • 7t« f) - l j
dónde:
Lnom es igual a la inductancia de carga nominal.
Con los valores elegidos anteriormente, el circuito mostrado en la figura 1 proporcionará la impedancia resistiva correcta al inversor para que pueda proporcionar su salida de potencia completa cuando la bobina de trabajo muestre su inductancia nominal y resistencia mínima, y cuando la inductancia de los dos pares de reactores variables 32-33 y 34-35, pueda ser despreciada, es decir, la Lp del par de reactores 34-35 es esencialmente infinita y la Ls del par de reactores 32-33 tiene esencialmente una inductancia cero.
Para igualar los valores más altos de resistencia de la bobina de trabajo en una aplicación de recocido o soldadura por inducción, se debe ajustar el par de reactores variables 32-33 para lograr la corriente necesaria con el fin de disipar la misma potencia que se logró en el caso de resistencia de carga mínima. Esto se puede lograr aumentando el valor de la reactancia del par de reactores 32-33, reconociendo que la tensión a través del par de reactores 34-35 es constante a plena potencia de salida si se iguala la carga. Debido a que la reactancia de carga es mucho más alta que la resistencia (carga Q alta), una buena aproximación es que:
Figure imgf000004_0003
dónde:
Ls(máx) es el valor de diseño máximo requerido para el par de reactores variables 32-33, y
Rmáx es la resistencia de carga máxima esperada en los terminales del dispositivo de alimentación de corriente de carga. Sin embargo como Ls se aumenta para adaptarse a mayores resistencias de carga: aumenta la inductancia del circuito del tanque; su frecuencia resonante cae; y así, se reduce la frecuencia de aplicación. Para mantener la frecuencia de aplicación en su valor deseado, la reactancia Lp del par de reactores variables 34-35 se reduce para que la inductancia efectiva del circuito sea siempre igual a Lnom :
Figure imgf000004_0004
Por lo tanto, se necesitan dos pares de reactores variables, uno ajustable en reactancia desde Lp(mín) hasta un valor grande, y uno ajustable desde un valor pequeño de inductancia hasta Ls (máx). Estos pares de reactores están diseñados de manera que los valores de su reactancia se pueden ajustar cuando el inversor está entregando la máxima potencia.
La figura 2 ilustra esquemáticamente un inversor sintonizado de fuente de tensión conectado a una carga mediante un aparato 14 de modulación de carga. Los elementos correspondientes en la figura 2 están designados por los números de referencia utilizados en la figura 1. También se utiliza un condensador de filtrado 38 y la posición del condensador 36 con respecto a los otros elementos se ha cambiado en la figura 2. El condensador 37 en la figura 2 es opcional para la realización del inversor de fuente de tensión.
La selección de los valores para reactores y condensadores 32 a 37 en la figura 2 se realiza esencialmente como se describe en relación con la figura 1. También los pares de reactores variables 32-33 y 34-35 se ajustan como se describe en relación con la figura 1, siendo el objetivo hacer que el aparato de modulación de carga 14 conectado a la carga 80 resuene a la frecuencia operativa deseada.
Los cablees que conectan los medios de alimentación de corriente de carga, por ejemplo contactos eléctricos en un proceso de soldadura por resistencia eléctrica de un artículo tubular o bobinas de inducción en un proceso de soldadura por inducción o recocido de un artículo tubular, tienen resistencia y reactancia inductivas; los contactos eléctricos tienen reactancia y resistencia inductivas y las bobinas de inducción tienen reactancia y resistencia inductivas. En un proceso de soldadura por resistencia eléctrica, un artículo tubular que se está formando presenta una resistencia y una resistencia inductivas en los contactos eléctricos, y en un proceso de soldadura por inducción o recocido, la reactancia de la bobina de inducción se ve afectada por el material del artículo tubular que se está formando o calentando, que puede variar a lo largo de su longitud, y por la separación entre la bobina de inducción y el artículo tubular. Así, a medida que avanza el artículo tubular, normalmente varía la impedancia presentada a la salida del aparato de modulación de carga, y es necesario compensar las variaciones para mantener una corriente de calentamiento de magnitud y frecuencia sustancialmente constantes.
La figura 3 es un diagrama esquemático de un aparato de control automático que puede usarse con el aparato mostrado en la figura 1 para controlar la impedancia presentada al inversor 41 en sus cables de salida 86 y 88 y, por lo tanto, la frecuencia y magnitud de la corriente suministrada por el inversor 41.
Aunque no se muestra en la figura 1 o la figura 2, el rectificador 12 puede tener un control de CC 43 para controlar la salida de tensión de CC del rectificador 12 como se muestra en la figura 3. El nivel nominal de salida del rectificador puede, como se indica en la figura 3, configurarse manualmente. La corriente de salida del sensor de corriente 16 se suministra a un comparador de corriente 45, y la salida del comparador 45 se suministra al control de CC 43 para asegurar que no se exceda el nivel máximo de corriente.
La salida del sensor de corriente 16 y la salida del sensor de tensión y frecuencia 47 (mostradas en forma de diagrama y seleccionadas para proporcionar información sobre la tensión y la frecuencia de potencia en los cables 86 y 88) se suministran al comparador 49 que compara la tensión medida, corriente y frecuencia con valores predeterminados de tensión, corriente y frecuencia y actúa como un control de modulación de carga para mantener la impedancia de carga deseada y la frecuencia del inversor en la salida del inversor 41. El comparador 49 proporciona una salida eléctrica que alimenta un actuador, por ejemplo, un motor M2 para variar el elemento de control de reactancia para el par de reactores en serie 32-33 y una salida eléctrica que alimenta un actuador, por ejemplo, un motor M1, para variar el control de reactancia para el par de reactores en paralelo 34-35.
La salida del sensor de tensión y frecuencia 47 también se suministra al controlador de alta frecuencia 57 que controla y sincroniza la activación de los transistores inversores 20a a 20d.
En una realización preferida de la presente invención, el comparador 49 realiza las siguientes funciones a intervalos regulares controlados:
(1) mide la tensión y la corriente y si la relación resultante de la tensión medida a la tensión máxima, a la relación de la corriente medida a la corriente máxima es mayor que un valor preestablecido, tal como 1,05, la salida del comparador 49 hace que el motor M2 funcione para disminuir la reactancia del par de reactores 32-33; si la relación resultante es inferior a un valor preestablecido, tal como 0,95, la salida del comparador 49 hace que el motor M2 funcione para aumentar la reactancia del par de reactores 32-33; y
(2) compara la frecuencia medida con la frecuencia deseada, y si la relación entre la frecuencia medida y la frecuencia deseada es mayor que un valor preestablecido, tal como 1,05, la salida del comparador 49 hace que el motor M1 funcione para aumentar la reactancia del reactor pareja 34-35; si la relación es inferior a un valor predeterminado, tal como 0,95, la salida del comparador 49 hace que el motor M1 funcione para reducir la reactancia del par de reactores 34-35.
Los niveles en los que se realizan los ajustes de los pares de reactores 32-33 y 34-35 pueden ser diferentes dependiendo de las variaciones permisibles de modulación de carga deseada.
El control de modulación de carga o comparador 49 junto con los pares de reactores variables 32-33 y 34-35 controlan la impedancia presentada al inversor 41 en los cablees 86 y 88. Por lo tanto, el par de reactores 34-35 controla la frecuencia a la que opera el inversor 41, y el par de reactores 32-33 controla la reactancia en serie con la carga 80 para que, junto con el par de reactores 34-35, la impedancia presentada al inversor 41 en los cables de salida 86 y 88 sea igual, o sustancialmente igual, a la impedancia del inversor 41 haciendo así que la alimentación de potencia eléctrica en los cablees 86 y 88 sea máximo. Mediante el uso de condensadores de pérdida relativamente baja 36 (si se usan) y 37, pares de reactores de pérdida relativamente baja 32-33 y 34-35 y cables de pérdida relativamente baja entre los cables 86 y 88 y la carga 80, también se suministrará la potencia máxima a la carga. 80.
En la presente invención, uno o ambos pares de reactores 32-33 y 34-35 se pueden formar a partir de un par de reactores de forma geométrica que tienen un solo núcleo de inserción de forma geométrica móvil y un bus dividido estacionario que se construyen en una realización de la invención a partir de materiales laminares eléctricamente conductores, tales como el cobre, como se muestra, por ejemplo, como secciones cónicas complementarias, secciones en cuña (un poliedro definido por dos triángulos y tres caras trapezoidales) o secciones cónicas parabólicas en la figura 4(a) y la figura 4(b), la figura 6 o la figura 7, respectivamente.
Por ejemplo, en una realización de la invención, se muestra en la figura 4(a) y la figura 4(b) un par de reactores variables 60 donde una sola sección de núcleo de inserción de forma geométrica cortocircuitada 62, que sirve como elemento de control de la reactancia, se mueve dentro o fuera de las secciones de bus cónicas divididas estacionarias y complementarias de forma geométrica 64a y 64b de la sección de bus dividido estacionario 64 como se muestra mediante las flechas de dos puntas en la figura 4(a) y la figura 4 (b), la magnitud de la corriente inducida en la sección de núcleo de inserción 62 establece un campo de flujo magnético variable (también denominado campo de energía variable) a partir del flujo de corriente alterna en las secciones del bus cónico dividido de forma geométrica complementaria 64a y 64b de sección de bus dividido estacionaria 64 para establecer una inductancia variable en las secciones de terminales A1-B1 y A2-B2 de la bus eléctrico dividido de los buses de corriente alterna para cada uno de los pares de reactores que pueden tener un intervalo de inductancia variable desde una válvula de inductancia mínima cuando la sección de núcleo de inserción 62 de forma geométrica se inserta completamente en las secciones 64a y 64b de bus cónico dividido de forma geométrica complementarias hasta un valor máximo de inductancia cuando la sección de núcleo de inserción 62 de forma geométrica se retira a una posición, por ejemplo, como se muestra en la figura 4(a), donde el campo de energía variable en el espacio intercalado conformado entre la sección de núcleo de inserción 62 y la sección de bus dividido estacionaria 64 tiene un valor máximo. La figura 4(c) ilustra un par de reactores variables 60 conectados en el sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia de la figura 1 o la figura 2 como par de reactores variables 32-33. La sección de bus dividido estacionaria 64 comprende secciones de bus cónicas divididas eléctricamente aisladas 64a y 64b y secciones de terminales eléctricas divididas A2 y B2 (asociadas con la sección de bus cónica 64a) y secciones de terminales eléctricas divididas A1 y B1 (asociadas con la sección de bus cónica 64b). Es decir, la sección de bus interconectada eléctricamente 64a y las secciones de terminales de bus eléctrico divididas A2 y B2 están separadas espacialmente de la sección de bus 64b conectada eléctricamente y las secciones de terminales A1 y B1.
La forma geométrica de la sección del núcleo del inserción móvil que interactúa magnéticamente y los elementos de bus estacionarios se seleccionan para una aplicación particular en función del grado de precisión en la variación de la inductancia que se puede lograr con el par de reactores de forma geométrica, cuyo grado de precisión se relaciona al grado de regulación de precisión en la frecuencia de salida de la fuente de alimentación de alta frecuencia de la presente invención mejor que el obtenido, por ejemplo, con una fuente de alimentación de la patente estadounidense N.25,902,506.
Cada par de reactores de forma geométrica comprende un par de reactores, por ejemplo, los reactores 32-33 y 34-35 en la figura 1 o la figura 2 que son ajustables en pares como se indica mediante la interconexión X de línea discontinua en la figura 1 o la figura 2. Por ejemplo, para el par de reactores 32-33, mediante el movimiento de la sección de núcleo de inserción 62 dentro o fuera de la sección de bus dividido de forma geométrica de la sección de bus estacionaria 64 como se muestra en la figura 4(a) y la figura 4(b) con un actuador, por ejemplo, el motor M2 como se muestra en el control de la figura 3 (o actuador M' en la figura 4a(a) y la figura 4(b)).
Las designaciones de los buses CA (A1-B1) y (A2-B2) para el par de reactores 32-33 en la figura 1 y la figura 2 son los mismos que para los reactores de forma cónica en la figura 4(a) y la figura 4(b).
La figura 5(a) y la figura 5(b) ilustran el uso de materiales magnéticos (por ejemplo, ferrita 62a) para la sección de inserción de núcleo cónico 62 con el par de reactores de forma cónica 60 en la figura 4(a) y la figura 4(b). En la figura 5(a) la sección de inserción de núcleo cónico 62a comprende un núcleo de material magnético sólido o hueco. En la figura 5(b) la sección de inserción de núcleo cónico 62b comprende un conjunto de varillas ferríticas que forman el perímetro exterior de la sección de inserción de núcleo.
La figura 6 ilustra otro ejemplo de un reactor variable de alta frecuencia 90 de la presente invención que se puede usar con un sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia de la presente invención. El reactor variable de alta frecuencia 90 comprende una sola sección de núcleo de inserción cortocircuitada 92 con la forma geométrica de un poliedro definido por dos triángulos y tres caras trapezoidales, que se identifica aquí por su nombre común como una sección de cuña, que se mueve hacia dentro o hacia fuera en las secciones 94a y 94b estacionarias y complementarias de buses divididos en cuña geométrica conformadas de la sección de bus dividido estacionaria 94, como se muestra mediante las flechas de dos puntas en la figura 7, la magnitud de la corriente inducida en la sección del núcleo de inserción 92 establece un campo de flujo magnético variable (también denominado campo de energía variable) a partir del flujo de corriente alterna en las secciones complementarias 94a y 94b de bus dividido en cuña de forma geométrica de la sección de bus dividido estacionaria 94 para establecer una inductancia variable en las secciones A1-B1 y A2B2 de terminal de buses eléctricos divididas de los buses de corriente alterna para cada uno del par de reactores que pueden tener un intervalo de inductancia variable desde una válvula de inductancia mínima cuando la sección 92 de núcleo del inserción geométricamente conformada se inserta completamente en las secciones 94a y 94b del bus cónico dividido con forma geométrica complementaria hasta un valor máximo de inductancia cuando la sección 92 del núcleo del inserción con forma geométrica se retira a una posición en la que el campo de energía variable en el espacio de intercalación conformado entre la sección de núcleo de inserción 92 y la sección de bus dividido estacionaria 94 es de valor máximo. El par de reactores variables 90 está conectado en el sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia de la figura 1 o la figura 2 como un par de reactores variables 32-33 y/o un par de reactores variables 34­ 35. La sección de bus dividido estacionaria 94 comprende secciones 94a y 94b de bus divididos eléctricamente y secciones A2 y B2 de terminales eléctricos divididas (asociados con la sección 94a de bus dividido) y secciones A1 y B1 de terminales eléctricos divididas (asociadas con la sección 94b de bus dividido). Es decir, la sección de bus 94a conectada eléctricamente y las secciones de terminales A2 y B2 están separadas espacialmente de la sección de bus 94b conectada eléctricamente y las secciones de terminales A1 y B1.
La figura 7 ilustra otro ejemplo de un reactor variable de alta frecuencia 110 que puede usarse con un sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia de la presente invención. El reactor variable de alta frecuencia 110 comprende una sola sección de núcleo insertado en cortocircuito 112 con la forma geométrica de un paraboloide elíptico que se mueve hacia dentro o hacia fuera en las secciones de bus de paraboloide elíptica dividida estacionaria y de forma geométrica complementaria 114a y 114b de paraboloide estacionario de la sección de bus dividido estacionaria 114 como se muestra por las flechas de dos puntas en la figura 7, la magnitud de la corriente inducida en la sección de núcleo de inserción 112 establece un campo de flujo magnético variable (también conocido como el campo de energía variable) del flujo de corriente alterna en las secciones de bus cónicas divididas geométricamente conformadas complementarias 114a y 114b del bus dividido estacionario 114 para establecer una inductancia variable en las secciones de terminales A1-B1 y A2-B2 del bus eléctrico dividido de los buses de corriente alterna para cada uno de los pares de reactores que pueden tener un intervalo de inductancia variable de una válvula de inductancia mínima cuando la sección de núcleo de inserción de forma geométrica 112 está completamente insertada en las secciones de bus cónicas divididas geométricamente conformadas complementarias 114a y 114b hasta un valor máximo de inductancia cuando la sección de núcleo de inserción de forma geométrica 112 se retira a una posición en la que el campo de energía variable en el espacio de intercalación conformado entre la sección de núcleo de inserción 112 y la sección de bus dividido estacionaria 114 está en un valor máximo. El par de reactores variables 110 está conectado en el sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia de la figura 1 o la figura 2 como un par de reactores variables 32-33 y/o un par de reactores variables 34-35. La sección de bus dividido estacionaria 114 comprende secciones de bus cónicas divididas eléctricamente aisladas 114a y 114b y secciones de terminales eléctricas divididas A2 y B2 (asociadas con la sección de bus paraboloide elíptica 114a) y secciones de terminales eléctricas divididas A1 y B1 (asociadas con la sección de bus paraboloide elíptica 114b). Es decir, la sección de bus conectada eléctricamente 114a y las secciones de terminales A2 y B2 están separadas espacialmente de la sección de bus conectada eléctricamente 114b y de las secciones de terminales A1 y B1.
En otros ejemplos de la invención, el reactor de alta frecuencia de forma geométrica de la presente invención puede tener otras formas geométricas, por ejemplo, piramidal, dependiendo del perfil de inductancia variable requerido para una aplicación particular que es una función del espacio intercalado formado entre la sección de núcleo de inserción de forma geométrica y la sección de bus dividido estacionaria. Por ejemplo, una aplicación en la que un reactor variable de alta frecuencia en particular requiere un cambio lineal o logarítmico en la inductancia para lograr el calentamiento con un sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia de la presente invención, una forma geométrica particular puede proporcionar un perfil de inductancia más estrechamente regulado sobre otra forma geométrica.
La figura 8(a) a la figura 8(d) ilustran una realización de un reactor variable de alta frecuencia 70 de la presente invención que se puede usar con un sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia de la presente invención. El reactor variable de alta frecuencia 70 comprende un par de inductores variables de dos vueltas 70 donde la forma geométrica es una sección cónica y cada reactor en un par, por ejemplo, los reactores 32 y 33 en la figura 1 o la figura 2 tiene su propia sección de núcleo de inserción de forma cónica 72a y 72b, respectivamente, y su propia sección de bus dividido de dos vueltas de forma cónica 74a y 74b, respectivamente. La primera sección de bus dividido estacionaria comprende la sección de bus cónico dividida eléctricamente aislada 74a y las secciones de terminales eléctricas divididas A1 y B1 (conectadas a la sección de bus dividido de dos vueltas 74a) y la segunda sección de bus dividido estacionaria comprende la sección de bus dividido de dos vueltas aislada eléctricamente 74b y las secciones divididas de terminales eléctricas A2 y B2 (conectadas a la sección de bus dividido de dos vueltas 74b). Es decir, la sección de bus dividido de dos vueltas 74a conectada eléctricamente y las secciones de terminales A1 y B1 están espacialmente separadas de la sección de bus dividido de dos vueltas 74b conectada eléctricamente y las secciones de terminales A2 y B2.
La figura 9(a) y la figura 9(b) ilustran otro ejemplo de un reactor variable de alta frecuencia 120 de la presente invención que se puede usar con un sistema de alimentación de potencia de alta frecuencia de la presente invención. La realización mostrada en la figura 9(a) y la figura 9(b) es similar a la que se muestra en la figura 4(a) y la figura 4(b) excepto que las secciones A1 y A2 del terminal de bus dividido están conectadas eléctricamente juntas en el terminal de bus A1' y B1 y B2 están conectadas eléctricamente juntas en el terminal de bus B1' para que el par de reactores variables formen un solo reactor 120. En esta realización, el par de inductores está configurado como un solo inductor 120, como se muestra entre A1' y B1' en la figura 9(c) que en algunas realizaciones de la invención reemplaza el par de reactores en serie variable 32-33 con un solo reactor variable 120. De manera similar, el par de reactores variables en paralelo 34-35 en la figura 1 o la figura 2 también se puede reemplazar con un solo reactor variable modificando un par de reactores de forma geométrica de la presente invención como se muestra en la figura 9(a) y la figura 9(b).
En algunos ejemplos del sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia de la presente invención, un inductor con un valor fijo de inductancia puede combinarse en serie con cualquiera o más de los inductores variables en un par de inductores de la presente invención.
La sección de núcleo de inserción móvil para cada uno de los pares de reactores variables de alta frecuencia de forma geométrica de la presente invención se puede mover hacia dentro y hacia fuera de la sección de bus dividido de forma geométrica con un actuador adecuado, por ejemplo, el motor M1 o el motor M2, como se muestra. en la figura 3 para los pares de reactores 34-35 o 32-33 respectivamente, donde el motor, por ejemplo, tiene una conexión de salida lineal y reversible a la sección del núcleo de inserción como se indica en el diagrama de las figuras con una línea discontinua conectada a la sección del núcleo de inserción móvil y un actuador M'.
La inserción completa de un núcleo de inserción móvil para lograr la inductancia mínima para una aplicación en particular se puede determinar midiendo la inductancia mínima requerida de la aplicación cuando un núcleo de inserción se coloca dentro de la sección de bus dividido con forma geométrica y retirando el núcleo de inserción a la posición en la que se logra la inductancia máxima requerida de la aplicación para establecer la posición de inductancia máxima del núcleo de inserción.
El calentamiento de un par de reactores variables de alta frecuencia con forma geométrica de la presente invención se puede disipar mediante la circulación de un medio de enfriamiento, por ejemplo, en un tubo de enfriamiento en contacto térmico con la sección de bus dividido estacionaria y/o la sección de núcleo de inserción móvil.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia para el calentamiento de una parte o múltiples partes de una pieza metálica o múltiples piezas a medida que se hace avanzar la parte o múltiples partes de la pieza metálica o múltiples piezas, comprendiendo el sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia:
un inversor eléctrico de estado sólido que tiene unos cables primero (86) y segundo (88) de salida de inversor (86, 88) para proporcionar una potencia eléctrica de alta frecuencia, una magnitud y una frecuencia de la potencia eléctrica de alta frecuencia que dependen de una impedancia de una carga (80) conectada al inversor eléctrico de estado sólido, comprendiendo la carga (80) medios para hacer que fluya una corriente eléctrica de calentamiento en la parte o las partes múltiples de la pieza metálica o las piezas múltiples mientras se hace avanzar la pieza o las piezas múltiples; y
un aparato de modulación de carga y control de frecuencia (14) conectado a los cables de salida de inversor primero (86) y segundo (88) y a los medios para hacer que la corriente de calentamiento eléctrica fluya en la parte o las partes múltiples, comprendiendo el aparato de modulación de carga y de control de frecuencia:
un primer par de reactores variables (32, 33) conectados eléctricamente en serie en los cables de salida de inversor primero (86) y segundo (88) y la carga (80) y un segundo par de reactores variables (34, 35) conectados eléctricamente en paralelo con los cables de salida de inversor primero (86) y segundo (88), produciendo cada uno del primer par de reactores variables y del segundo par de reactores variables un campo de energía variable separado cuando se excitan eléctricamente, siendo variables los campos de energía variables separados y los pares de reactores variables primero y segundo en una reactancia separada por medios de variación de campo de energía variable separados adyacentes a cada uno del primer par (32, 33) y del segundo par (34, 35) de reactores variables y móviles con respecto a cada uno del primer par (32, 33) y del segundo par (34, 35) de reactores variables; y
al menos un condensador (36, 37) conectado eléctricamente al primer cable de salida de inversor (86) o a los cables primero (86) y segundo (88) de salida de inversor y la carga (80);
caracterizado por
el primer par de reactores variables (32, 33) y el segundo par de reactores variables (34, 35) comprenden cada uno un par de reactores de forma geométrica que comprende:
un núcleo de inserción móvil de forma geométrica (62, 92, 112);
un bus dividido estacionario que comprende:
unas secciones de bus divididos de forma geométrica (64a y 64b; 94a y 94b; 114a y 114b) que tienen una forma geométrica complementaria al núcleo de inserción móvil de forma geométrica (62, 92, 112) para proporcionar posiciones ajustables de inserción del núcleo de inserción móvil con forma geométrica (62, 92, 112) en las secciones de bus divididos con forma geométrica (64a y 64b; 94a y 94b; 114a y 114b) para variar la inductancia del par de reactores con forma geométrica desde un valor de inductancia mínimo cuando el núcleo de inserción móvil de forma geométrica (62, 92, 112) se inserta completamente en las secciones de bus divididos de forma geométrica (64a y 64b; 94a y 94b; 114a y 114b) hasta un valor máximo de inductancia cuando se retiran de las secciones de bus divididos de forma geométrica (64a y 64b; 94a y 94b; 114a y 114b) hasta una posición donde el campo de energía variable separado en un espacio de intercalado formado entre el núcleo de inserción móvil de forma geométrica (62, 92, 112) y las secciones de bus divididos de forma geométrica (64a y 64b; 94a y 94b; 114a y 114b) están en el valor máximo de inductancia; y
una sección de terminal de bus eléctrica dividida (A1 y A2; B1 y B2) para una conexión eléctrica del par de reactores de forma geométrica en el aparato de control de frecuencia y modulación de carga (14); y
un accionador (M') conectado al núcleo de inserción móvil de forma geométrica (62, 92, 112) para insertar y retirar el núcleo de inserción móvil de forma geométrica en y desde las secciones de bus divididos de forma geométrica (64a y 64b; 94a y 94b; 114a y 114b).
2. El sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia de la reivindicación 1, en el que el inversor eléctrico de estado sólido es alternativamente un inversor sintonizado con fuente de tensión y el al menos un condensador está en serie eléctrica en uno (86) de los cables de salida del primer y segundo inversor con uno (32) del primer par de reactores variables (32, 33) o un inversor en paralelo de fuente de corriente y el al menos un condensador (37) está conectado en paralelo eléctrico con los cables de salida del inversor primero y segundo.
3. El sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia de la reivindicación 2, en el que el inversor sintonizado de fuente de tensión tiene un segundo condensador (37) conectado eléctricamente en paralelo con los cables de salida de inversor primero (86) y segundo (88), con un primer terminal de condensador del segundo condensador (37) estando eléctricamente conectado al primer cable (86) de salida de inversor intermedio al menos un condensador (36) y uno (32) del primer par de reactores variables (32, 33).
4. El sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia de una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 o 3, en el que el núcleo de inserción móvil de forma geométrica (62, 92, 112) está formado por un material eléctricamente conductor cortocircuitado; y opcionalmente en el que el material eléctricamente conductor cortocircuitado comprende alternativamente una lámina de cobre o un núcleo insertado de cobre sólido.
5. El sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia de la reivindicación 4, en el que el núcleo de inserción móvil de forma geométrica (62a) está formado alternativamente a partir de un material magnético sólido o hueco.
6. El sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia de la reivindicación 5, en el que el material magnético sólido o hueco del núcleo de inserción móvil de forma geométrica (62b) comprende una ferrita o una pluralidad de ferritas.
7. El sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia de una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 o 3, en el que el núcleo de inserción móvil de forma geométrica y la sección de bus dividido de forma geométrica se seleccionan de un grupo de secciones cónicas, secciones de cuña o secciones cónicas parabólicas; u opcionalmente que comprenden además al menos un inductor fijo en combinación serial con al menos uno del primer par de reactores variables (32, 33) o el segundo par de reactores variables (34, 35).
8. El sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia de una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 o 3, en el que las secciones de terminales de bus eléctrico divididas (A1 y A2; B1 y B2) del primer par de reactores variables están conectadas entre sí (A1' y B1') para formar eléctricamente un reactor variable en serie único conectado en uno de los cables de salida de inversor primero (86) y segundo (88) y las secciones de terminales de bus eléctrico divididas (Al y A2; B1 y B2) del segundo par de reactores variables están conectadas entre sí (A1' y B1') para formar eléctricamente un único reactor variable paralelo conectado en paralelo con los cables de salida de inversor primero (86) y segundo (88).
9. Un método para calentar una parte o múltiples partes de una pieza metálica o múltiples piezas a medida que la parte o las múltiples partes de la pieza metálica o las múltiples piezas avanzan con el sistema de calentamiento eléctrico de alta frecuencia de la reivindicación 1 cambiando la impedancia del aparato de modulación de carga y control de frecuencia (14) insertando y retirando el núcleo de inserción móvil de forma geométrica (62, 92, 112) en y desde las secciones de bus divididos de forma geométrica (64a y 64b; 94a y 94b; 114a y 114b).
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