ES2296919T3 - Calentamiento y agitacion simultaneos por induccion de un metal fundido. - Google Patents
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Abstract
Un aparato (10) para calentar y agitar por inducción magnética un material eléctricamente conductivo en una vasija (11), comprendiendo el aparato una pluralidad de bobinas de inducción (L1; 14a, 14b, 14c) dispuestas alrededor de la vasija, estando la pluralidad de bobinas de inducción conectadas entre sí para formar al menos una red de impedancias trifásica, una fuente (12; 12a, 12b) de alimentación de c.a. monofásica que tiene una salida que funciona a una frecuencia de calentamiento inductivo, una fuente (16; 16a) de alimentación de c.a. trifásica que tiene una salida que funciona a una frecuencia de agitación inductiva, siendo la frecuencia de agitación inductiva menor que la frecuencia de calentamiento inductivo, caracterizado porque al menos un elemento capacitivo (C1; C12; C12a, C12b, C12c, C12d, C12e; C12f, C12g, C12h) conecta la salida de la fuente de alimentación de c.a. monofásica con la pluralidad de bobinas de inducción para formar un circuito de calentamiento que funciona a, ocerca de, la frecuencia de resonancia para suministrar una corriente alterna de calentamiento a la pluralidad de bobinas de inducción, creando la corriente alterna de calentamiento en uso un campo magnético de calentamiento, siendo el campo magnético de calentamiento acoplado inductivamente en uso con el material eléctricamente conductivo para calentar el material eléctricamente conductivo; y al menos un elemento inductivo (L2; L2a, L2b, L2c) conecta la salida de la fuente de alimentación de c.a. trifásica a la pluralidad de bobinas de inducción para formar un circuito de agitación para suministrar una corriente alterna de agitación a la pluralidad de bobinas de inducción, creando la corriente alterna de agitación en uso un campo magnético de agitación, siendo el campo magnético de agitación acoplado inductivamente en uso con el material eléctricamente conductivo para agitar el material eléctricamente conductivo simultáneamente con dicho calentamiento del mismo; mediante lo cual el al menosun elemento inductivo bloquea sustancialmente la salida de la fuente de alimentación de c.a. trifásica respecto a la salida de la fuente de alimentación de c.a. monofásica y el al menos un elemento capacitivo bloquea la salida de la fuente de alimentación de c.a. monofásica respecto a la salida de la fuente de alimentación c.a. trifásica.
Description
Calentamiento y agitación simultáneos por
inducción de un metal fundido.
La presente invención está en el campo técnico
de calentar y agitar inductivamente materiales fundidos
eléctricamente conductivos, en el que el calentamiento y la
agitación pueden ser efectuados simultáneamente.
En la técnica es bien conocido fundir un
material eléctricamente conductivo, tal como un metal, calentar el
metal fundido (o colada) y mantener la colada a una temperatura
colocando el metal en un horno de inducción o crisol de contención
y acoplando magnéticamente el metal a un campo magnético de
corriente alterna (c.a.). El campo es producido en una o más
bobinas de inducción que rodean al crisol mediante la circulación de
corriente eléctrica alterna (c.a.) desde una fuente de
alimentación. Para mantener agitación electromagnética suficiente,
la frecuencia eléctrica de la corriente es reducida cuando aumenta
la capacidad del horno y aumenta la potencia (y la corriente)
aplicada de inducción de c.a. Por ejemplo, un horno con una
capacidad de colada de 16 toneladas de hierro tiene una frecuencia
de alimentación óptima de 150 Hz aproximadamente, mientras que un
horno con una capacidad de colada de 2,25 toneladas de acero tiene
una frecuencia de alimentación ideal de 600 Hz aproximadamente.
También es bien conocido que una colada sometida
a un campo magnético de c.a. se moverá cuando las corrientes
parásitas (de Foucault) generadas en la colada por el campo aplicado
producen un campo de flujo que se opone al campo magnético
aplicado. Generalmente, los campos producidos por corrientes de
frecuencias superiores producirán poca acción de agitación y los
campos producidos por corrientes de frecuencias inferiores
producirán movimientos preferidos de agitación electromagnética con
corrientes de circulación de forma circular a través de la colada.
Además, la turbulencia de la circulación aumentará cuando es
aumentada la magnitud del campo aplicado (corriente
suministrada).
Para algunas composiciones y aplicaciones de
colada, la frecuencia preseleccionada de una sola fuente de
alimentación de c.a. puede proporcionar tanto acciones de
calentamiento como de agitación que son suficientes para el proceso.
En otras aplicaciones, pueden ser usadas frecuencias distintas de
calentamiento y agitación. Hay numerosos métodos de técnica
anterior para aplicar energía de c.a. a una colada a dos frecuencias
diferentes para conseguir las funciones de calentamiento y
agitación. Métodos anteriores se concentraban las en usar
disposiciones de conmutación que aislaban alternativamente las
fuentes de alimentación de calentamiento y agitación respecto a las
secciones de bobinas de inducción. Las disposiciones de conmutación
son desventajosas porque no permiten el calentamiento y la
agitación simultáneos de la colada y necesitan componentes
adicionales del sistema.
Métodos posteriores se concentraban en
topologías de sistemas que aplicaban simultáneamente energía de
calentamiento (que funciona a una frecuencia preseleccionada de
calentamiento) y energía de agitación (que funciona a una
frecuencia preseleccionada de agitación). Un problema técnico
significativo a ser superado en estos sistemas es el aislamiento
eléctrico adecuado entre las fuentes de alimentación en c.a. de
calentamiento y agitación conectadas simultáneamente. El fallo en
proporcionar este aislamiento cuando se usan fuentes electrónicas
de alimentación de c.a. puede producir funcionamiento defectuoso o
fallo de componentes en una fuente de alimentación que tiene su
salida conectada a una segunda fuente de alimentación que funciona a
una tensión y/o frecuencia de salida diferentes.
Una solución de este problema técnico es
identificada en el documento
US-A-5012487 titulado "Fusión por
inducción" (la patente de EE.UU. nº 5.012.487). La Figura 1 es
un esquema simplificado que representa las enseñanzas de técnica
anterior de la patente nº 5.012.487. En la Figura 1, un
transformador trifásico 126 apantallado electrostáticamente, que
tiene devanados primarios 124 y devanados secundarios 128, es usado
para suministrar energía de agitación a tres secciones 114a, 114b y
114c de bobina que forman una bobina de inducción para una vasija
de fusión por inducción. La energía de agitación es suministrada
desde una fuente de alimentación trifásica 120 de 50 Hz (energía de
la red pública). El transformador también usa un devanado trifásico
terciario 127 que alimenta a una disposición de corrección de
factor de potencia, conectada en delta trifásica (no mostrada en el
esquema simplificado). Condensadores 138a, 138b y 138c están
conectados a las tres secciones de bobina como se muestra en la
Figura 1. La salida monofásica de alta tensión de la fuente 136 de
alimentación de calentamiento, que funciona en el intervalo de
frecuencias de 150 Hz a 10 kHz, suministra energía de calentamiento
a las secciones de bobina a través de los condensadores.
Seleccionando la impedancia de los condensadores, de las secciones
de bobina y del secundario del transformador de modo que el circuito
en serie L-C resultante esté en resonancia para la
frecuencia de funcionamiento de la fuente de alimentación de
calentamiento, la energía de calentamiento es transferida desde la
fuente de alimentación de calentamiento a las secciones de bobina.
Se impide que la fuente de alimentación de agitación, a 50 Hz, que
funciona a frecuencia fuera de resonancia, sea aplicada a los
terminales de entrada de la fuente 136 de alimentación de
calentamiento por el circuito de resonancia en serie sintonizado.
Inversamente, la energía de calentamiento es bloqueada respecto a la
fuente de alimentación de agitación puesto que los devanados
secundarios del transformador 126 están efectivamente en paralelo a
la frecuencia de funcionamiento de la fuente de alimentación de
calentamiento.
Hay unas pocas desventajas en las disposiciones
de circuitos descritas en la patente nº 5.012.487. El transformador
126 de alimentación es un componente caro con elementos cambiadores
de tomas de tensión (no mostrados en el esquema simplificado) y el
devanado terciario como se describe adicionalmente en la patente nº
5.012.487. Además, la diferencia de frecuencias de funcionamiento
entre la fuente de alimentación de calentamiento y la fuente de
alimentación de agitación debe superar un cierto intervalo para que
el circuito de resonancia en serie funcione eficazmente. Esto es
particularmente problemático para vasijas de fusión por inducción de
gran capacidad.
El documento
US-A-1852215 describe en la Figura 4
un circuito para calentamiento y agitación combinados de un horno
eléctrico, en el que dos condensadores son usados para bloquear la
corriente de baja frecuencia respecto a la salida de una fuente de
alta frecuencia, mientras que un circuito L-C
sintonizado es usado en combinación con una fuente de baja
frecuencia acoplada por transformador para bloquear la corriente de
alta frecuencia respecto a la salida de una fuente de baja
frecuencia. En la Figura 9, una fuente de alta frecuencia monofásica
y una fuente de baja frecuencia monofásica acoplada por
transformador están conectadas en paralelo con dos bobinas de
horno.
Por tanto, existe la necesidad de un aparato y
un método para calentar y agitar simultáneamente por inducción una
colada desde dos fuentes de alimentación distintas, sin usar
transformadores o conmutadores de aislamiento, en el que la
frecuencia de la fuente de alimentación de agitación (y campo
inducido de agitación) sea menor que la frecuencia de la fuente de
alimentación de calentamiento (y campo inducido de calentamiento),
particularmente cuando la frecuencia de la fuente de alimentación
de calentamiento está próxima a la frecuencia de la fuente de
alimentación de agitación.
La presente invención es definida en sus
aspectos más amplios en las reivindicaciones 1 y 8, a las que
debería hacerse referencia ahora. Las reivindicaciones 2 a 7, 9 y
10 definen características preferidas pero opcionales de la
invención.
En un aspecto, la invención es un aparato y un
método para calentamiento y agitación simultáneos por inducción de
un material eléctricamente conductivo en una vasija que tiene al
menos un conjunto de tres secciones de bobinas de inducción
interconectadas dispuestas alrededor de la vasija. El calentamiento
inductivo del material eléctricamente conductivo es efectuado
aplicando energía de c.a. monofásica a través de la secciones de
bobinas por vía de uno o más condensadores de sintonización y la
agitación del material eléctricamente conductivo es efectuada
aplicando energía de c.a. trifásica a las secciones de bobinas por
vía de uno o más inductores. El circuito capacitivo de
calentamiento y las secciones de bobinas funcionan en, o cerca de,
un punto de resonancia y el circuito inductivo de agitación y las
secciones de bobinas funcionan para bloquear la transferencia de
energía entre las fuentes de alimentación de c.a. monofásica y
trifásica.
Estos y otros aspectos de la invención son
expuestos en la memoria descriptiva y las reivindicaciones.
Las figuras, en conjunción con la memoria
descriptiva y las reivindicaciones, ilustran uno o más modos no
limitativos de poner en práctica la invención. La invención no está
limitada a la distribución ilustrada ni al contenido de los
dibujos.
La Figura 1 es un esquema simplificado de una
disposición de técnica anterior para conseguir el calentamiento y
la agitación simultáneos por inducción de una colada en una vasija
de fusión por inducción.
La Figura 2 es un esquema simplificado monofilar
de un ejemplo de una disposición para calentamiento y agitación
simultáneos por inducción de un material fundido eléctricamente
conductivo de acuerdo con la presente invención.
La Figura 3(a) es un esquema elemental de
un ejemplo para calentamiento y agitación simultáneos por inducción
de un material fundido eléctricamente conductivo de acuerdo con la
presente invención que usa un convertidor en puente completo
alimentado por tensión como la fuente de alimentación monofásica de
calentamiento y un inversor trifásico de c.c. a c.a. como la fuente
de alimentación trifásica de agitación en la que las secciones de
bobinas de inducción dispuestas alrededor de la vasija están
conectadas en una configuración en delta abierta con respecto a la
fuente de alimentación trifásica de agitación.
La Figura 3(b) es un esquema elemental de
otro ejemplo para calentamiento y agitación simultáneos por
inducción de un material fundido eléctricamente conductivo el
acuerdo con la presente invención que usa un convertidor en
semipuente alimentado por tensión como la fuente de alimentación
monofásica de calentamiento y un inversor trifásico de c.c. a c.a.
como la fuente de alimentación trifásica de agitación en la que las
secciones de bobinas de inducción dispuestas alrededor de la vasija
están conectadas en una configuración en delta abierta con respecto
a la fuente de alimentación trifásica de agitación.
La Figura 4 es una primera ilustración gráfica
de la corriente de salida de una fuente de alimentación modulada en
anchura de impulsos usada como una fuente de alimentación trifásica
para agitación electromagnética en la presente invención.
\newpage
La Figura 5 es una segunda ilustración gráfica
de la corriente de salida de una fuente de alimentación modulada en
anchura de impulsos usada como una fuente de alimentación trifásica
para agitación electromagnética en la presente invención.
La Figura 6(a) es un esquema elemental de
otro ejemplo para calentamiento y agitación simultáneos por
inducción de un material fundido eléctricamente conductivo de
acuerdo con la presente invención que usa un convertidor en puente
completo alimentado por tensión como la fuente de alimentación
monofásica de calentamiento y un inversor trifásico de c.c. a c.a.
como la fuente de alimentación trifásica de agitación en las que las
secciones de bobinas de inducción dispuestas alrededor de la vasija
están conectadas en una configuración en estrella con respecto a la
fuente de alimentación trifásica de agitación.
La Figura 6(b) es un esquema elemental de
otro ejemplo para calentamiento y agitación simultáneos por
inducción de un material fundido eléctricamente conductivo de
acuerdo con la presente invención que usa un convertidor en
semipuente alimentado por tensión como la fuente de alimentación
monofásica de calentamiento y un inversor trifásico de c.c. a c.a.
como la fuente de alimentación trifásica de agitación en la que las
secciones de bobinas de inducción dispuestas alrededor de la vasija
están conectadas en una configuración en estrella con respecto a la
fuente de alimentación trifásica de agitación.
La Figura 7 ilustra esquemáticamente un método
para usar transformadores para cambiar las características de
salida de una fuente de alimentación monofásica de calentamiento o
una fuente de alimentación trifásica de agitación usada en ejemplos
de la invención.
En la Figura 2 se muestra un esquema monofilar
simplificado de un ejemplo del aparato 10 de calentamiento y
agitación simultáneos por inducción de la presente invención. La
Fuente 12 de alimentación monofásica de calentamiento es cualquier
tipo de fuente que proporcione energía de calentamiento por
inducción a la bobina L1 de inducción. La bobina rodea a una vasija
o crisol de calentamiento (no mostrado en el dibujo) que contiene
un material fundido eléctricamente conductivo o colada. La energía
de calentamiento por inducción puede ser usada para fundir material
eléctricamente conductivo en la vasija, así como mantenerlo a una
temperatura deseada una vez que el material ha sido fundido, y
mientras material adicional es añadido a la colada. Por tanto, el
término "calentamiento" como se usa en esto también comprende
la energía de calentamiento por inducción para fundir material en
la vasija. El intervalo de frecuencias preferido, pero no
limitativo, para una fuente de alimentación que es usada para
calentar el material eléctricamente conductivo es de 100 Hz a 100
kHz aproximadamente. C1 representa uno o más condensadores de
sintonización que son usados para mejorar el factor de potencia del
circuito en serie C1-L1. La fuente 16 de
alimentación representa una fase de una fuente de alimentación
trifásica de agitación. La fuente trifásica es cualquier tipo de
fuente que puede suministrar energía electromagnética de agitación
a la bobina L1 de inducción. Como se describe adicionalmente
después, un intervalo adecuado, pero no limitativo, de frecuencias
de salida para la fuente de alimentación de agitación está entre 1
Hz y 100 Hz aproximadamente.
Refiriéndose al ejemplo de la Figura 2, para una
fuente 12 de alimentación de calentamiento, que funciona a una
frecuencia f_{h} de 160 Hz, y una bobina L1 de inducción que tiene
una inductancia (L_{1}) igual a 50 x 10^{-6} H, la capacidad
(C_{1}) del condensador C1, que forma un circuito de resonancia en
serie con la bobina L1, puede ser calculada por la ecuación:
C_{1} =
\frac{1}{\omega^{2}L_{1}}
donde \omega = 2\pif_{h}. La
ecuación produce un valor de 20 mF aproximadamente para C_{1}.
Además, para resonancia a 160 Hz, la impedancia reactiva X_{L1}
de la bobina L1 será 0,05 \Omega aproximadamente (a partir de la
ecuación X_{L1} = \omegaL_{1}) y la impedancia reactiva
X_{C1} del condensador C1 será 0,05 \Omega aproximadamente (a
partir de la ecuación X_{C1} = 1/\omegaC_{1}). La resistencia
de bobina es representada por el elemento resistivo R1. Un valor
típico de resistencia R1_{h} de bobina de inducción, como se
refleja en la carga de bobina L1, es el 10 por ciento
aproximadamente de la impedancia reactiva de la bobina L1. Por
tanto, R1_{h} es aproximadamente igual a 0,005 \Omega. Para una
magnitud de potencia de calentamiento igual a 5 MW (5 x 10^{6}W),
la corriente que el circuito de resonancia L1-C1
extraerá de la fuente 12 de alimentación de calentamiento es 31.500
A aproximadamente, como se calcula a partir de la
ecuación:
I =
\sqrt{\frac{P}{R1_{h}}}
Para una fuente de alimentación de agitación que
funciona a una frecuencia fa de 2,5 Hz, la resistencia R1_{s} de
la bobina L1 de inducción a 2,5 Hz puede ser calculada por la
ecuación:
R1_{S} =
R1_{h}\sqrt{\frac{f_{a}}{f_{h}}}
como 0,00062 \Omega
aproximadamente. A la frecuencia de agitación de 2,5 Hz, la
impedancia reactiva de la bobina L1 será 0,00079 \Omega
aproximadamente y la impedancia reactiva de C1 será 3,2 \Omega
aproximadamente. La salida de la fuente 16 de alimentación de
agitación es ajustada de modo que la bobina L1 de inducción extrae
la mitad aproximadamente de la corriente de calentamiento. Para este
ejemplo, la corriente I_{s} de agitación será 8.000 A
aproximadamente. La potencia P_{s} de agitación puede ser
calculada por la
ecuación:
P_{s} =
I^{2}_{s} \cdot
R1_{s}
como 40 kW o el 0,8% de la potencia
de calentamiento. El inductor L2, en la línea de la fuente 16 de
alimentación de agitación, es seleccionado para que tenga una
impedancia relativamente grande con respecto a la impedancia de la
bobina L1 de inducción. En este ejemplo, el inductor L2 es
seleccionado de 4 x 10^{-3} H que es ochenta veces la inductancia
de la bobina L1. A 160 Hz, la impedancia reactiva del inductor L2
puede ser calculada como 4,0 \Omega aproximadamente. A 2,5 Hz, la
impedancia reactiva del inductor L2 puede ser calculada como 0,006
\Omega aproximadamente. La resistencia del inductor L2 es ignorada
puesto que es de valor significativamente menor que la reactancia
del
inductor.
La tabla siguiente resume la impedancia
aproximada de cada componente pasivo de circuito para el ejemplo
presente
Como es ilustrado por los valores de impedancias
en la tabla anterior para el circuito mostrado en la Figura 2, el
circuito en serie C1-L1-R1 ofrece un
trayecto de impedancia relativamente pequeña a la corriente de
salida de la fuente 12 de alimentación de calentamiento.
Inversamente, el inductor L2 impide eficazmente que la corriente
procedente de la fuente 12 de alimentación de calentamiento circule
a través de la fuente 16 de alimentación de agitación. El circuito
en serie L2-L1-R1 ofrece un trayecto
de impedancia relativamente pequeña a la corriente de salida de la
fuente 16 de alimentación de agitación, mientras que el condensador
C1 impide eficazmente que la corriente procedente de la fuente 16 de
alimentación de agitación circule a través de la fuente 12 de
alimentación de calentamiento.
La tabla siguiente resume las contribuciones de
las fuentes de alimentación de calentamiento y agitación a la
tensión entre terminales, la corriente a través y la potencia usada
en la bobina L1:
La tensión de bobina L1 es calculada a partir
del producto de la magnitud de la corriente de bobina L1 por la
magnitud de la impedancia de bobina L1 (reactiva y resistiva) para
la fuente de alimentación apropiada.
Por consiguiente, la fuente 12 de alimentación
de calentamiento suministra 31.500 A a la bobina L1 y 425A
aproximadamente (determinados dividiendo la tensión de bobina L1
para la fuente 12 de alimentación de calentamiento por la
impedancia del inductor L2 a la frecuencia de la fuente de
calentamiento) a la entrada de la fuente 16 de alimentación de
agitación. La fuente 16 de alimentación de agitación suministra
8.000 A a la bobina L1 y 3,4 A aproximadamente (determinados
dividiendo la tensión de bobina L1 para la fuente 16 de alimentación
de agitación por la impedancia del condensador C1 a la frecuencia
de la fuente de agitación) a la entrada de la fuente 12 de
alimentación de calentamiento. Los 425 A aproximadamente aplicados a
la entrada de la fuente 16 de alimentación de agitación, que puede
ser una fuente de alimentación modulada en anchura de impulsos, de
estado sólido como se describe adicionalmente después, es
considerado un nivel aceptable de corriente que no influirá en el
comportamiento funcional de la fuente de alimentación de agitación.
De modo similar, los 3,4 A aproximadamente aplicados a la entrada
de la fuente 12 de alimentación de calentamiento, que puede ser una
fuente de alimentación resonante en serie, de estado sólido como se
describe adicionalmente después, es considerado un nivel aceptable
de corriente que no influirá en el comportamiento funcional de la
fuente de alimentación de calentamiento.
La Figura 3(a) ilustra otro ejemplo de
calentamiento y agitación simultáneos por inducción de un material
fundido eléctricamente conductivo de acuerdo con la presente
invención en la que las tres secciones de bobinas de inducción 14a,
14b y 14c están interconectadas para formar una red de impedancias
trifásica configurada en delta. Los terminales 1a y 4a de las
secciones de bobinas 14a y 14c, respectivamente, no están conectados
entre sí. Por tanto, la disposición de circuito de las secciones de
bobinas de invención será denominada como una red de impedancias
trifásicas en delta abierta. La Figura 3(a) ilustra un
ejemplo no limitativo de cómo las tres secciones de bobinas pueden
estar dispuestas alrededor de la vasija 11 que contiene el material
eléctricamente conductivo. El condensador C12 es seleccionado para
formar un circuito en serie con los segmentos de bobinas de
inducción 14a, 14b y 14c que funciona en, o cerca de, resonancia
cuando está conectado a la fuente de alimentación de calentamiento.
En este ejemplo, la fuente de alimentación de c.a. monofásica de
calentamiento es un convertidor 12a en puente completo, alimentado
por tensión que utiliza una sección 21 rectificadora de c.a a c.c.
que tiene una entrada desde las líneas 20 de alimentación de c.a.
trifásica. Los terminales de salida del convertidor en puente
completo de fuente de alimentación son designados T11 y T12. El
condensador C11 y el inductor L11 filtran la salida de energía de
c.c. de la sección rectificadora. La energía de c.c. filtrada es
invertida a energía de c.a. variable en la sección inversora 22 del
convertidor. El condensador C12 está conectado entre el terminal 4a
de delta abierta de la red de impedancias trifásica y un terminal
T11 de salida de la fuente de alimentación de c.a. monofásica. El
segundo terminal T12 de salida de la fuente de alimentación de c.a.
monofásica está conectado al terminal 1a de delta abierta de la red
de impedancia trifásica. En esta configuración, la corriente
alterna que es suministrada desde la fuente de alimentación de c.a.
monofásica de calentamiento, y circula a través de las secciones de
bobinas, crea un campo magnético que se acopla magnéticamente con el
material eléctricamente conductivo dentro de la vasija para
calentar el material. La capacidad del condensador C12 es
seleccionada para formar un circuito de resonancia en serie con las
tres secciones de bobinas y proporcionar una impedancia
relativamente grande a la salida de la fuente de alimentación
trifásica de agitación que funciona a una frecuencia de fuente de
agitación más baja que la frecuencia de la fuente de alimentación de
calen-
tamiento.
tamiento.
La fuente 16a de alimentación de agitación puede
ser un inversor de c.c. a c.a. trifásico que utiliza topologías de
conmutación de estado sólido, incluyendo transistores de potencia
tal como un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT: insulated
gate bipolar transistor). Aunque un conjunto rectificador separado
podría ser usado como una entrada a la fuente 16a de alimentación
de agitación, en este ejemplo particular, el conjunto rectificador
21 también suministra entrada de c.c. al inversor de fuente de
alimentación de agitación por medio de interconectar el bus
positivo DC1 y el bus negativo DC2 de salida de c.c. Cada línea de
salida (T31, T32 y T33) de la alimentación de inversor trifásico
está conectada a un terminal extremo de los segmentos de bobinas
14a, 14b y 14c por vía de los inductores L2a, L2b y L2c,
respectivamente. Los inductores L2a, L2b y L2c son inductores de
potencia (típicamente, pero no limitado a, diseño de núcleo
metálico) con la misma inductancia aproximadamente que es mucho
mayor que la inductancia de una sección de bobina. En esta
configuración, la corriente alterna que es suministrada desde la
fuente de alimentación de c.a. trifásica de agitación y circula a
través de las secciones de bobinas, crea un campo magnético que se
acopla magnéticamente con el material eléctricamente conductivo
dentro de la vasija para agitar electromagnéticamente el material.
Las inductancias de los inductores L2a, L2b y L2c son seleccionadas
para formar un círculo con las tres secciones de bobinas y
proporcionar una impedancia relativamente grande a la salida de la
fuente de alimentación monofásica de calentamiento que funciona a
una frecuencia superior. La frecuencia de salida de la fuente 16a
de alimentación de agitación será generalmente menor que la
frecuencia de salida de la fuente de alimentación de calentamiento.
La magnitud y la frecuencia de la salida de c.a. trifásica de la
fuente 16a de alimentación de agitación pueden ser ajustadas
electrónicamente controlando la temporización de puerta de los
transistores de potencia con circuito conocido en la técnica. La
frecuencia y la magnitud de la corriente de agitación extraída de la
fuente 16a de alimentación de agitación pueden ser variadas para
conseguir modelos de agitación diferentes mientras una colada es
calentada simultáneamente. Generalmente, la frecuencia de la
corriente de agitación afectará al modelo de agitación magnética y
la magnitud de la corriente de agitación afectará a la intensidad
de la acción agitadora. Como se ilustra en la Figura 4 y la Figura
5, si la fuente 16a de alimentación de agitación funciona como una
fuente de alimentación modulada en anchura de impulsos, cambiar la
anchura y la frecuencia de impulsos de los impulsos de corriente de
alimentación de salida, como es ilustrado por las curvas 40a y 40b,
producirá cambios de la magnitud y la frecuencia efectivas de la
corriente de agitación de salida como es ilustrado por las curvas
42a y
42b.
42b.
\newpage
La Figura 3(b) ilustra otro ejemplo de
calentamiento y agitación simultáneos por inducción de un material
fundido eléctricamente conductivo de acuerdo con la presente
invención. En este ejemplo, la fuente de alimentación de c.a.
monofásica de calentamiento es un convertidor 12b en semipuente
alimentado por tensión con la sección inversora 22a en semipuente.
Los condensadores C12a y C12b, que tienen aproximadamente la misma
capacidad, sustituyen al condensador C12 en la Figura 3(a).
Los condensadores están conectados en serie a través de los buses
de c.c. positiva y negativa DC1 y DC2, respectivamente, de la fuente
de alimentación de calentamiento. En esta configuración, los
terminales de salida de la fuente de alimentación de calentamiento
son designados como terminales T11a y T12a, con el terminal T11a en
el centro del circuito en semipuente, y el terminal T12a en la
conexión común entre los condensadores C12a y C12b. El terminal 4b
de delta abierta está conectado al terminal T11a y el terminal 1b
de delta abierta está conectado al terminal T12a y el terminal 1b de
delta abierta está conectado al terminal T12a. Por lo demás, este
ejemplo de la invención es similar al ejemplo anterior ilustrado en
la Figura 3(a).
La Figura 6(a) ilustra otro ejemplo de
calentamiento y agitación simultáneos por inducción de un material
fundido eléctricamente conductivo de acuerdo con la presente
invención. Este ejemplo varía del ejemplo ilustrado en la Figura
3(a) en que las tres secciones de bobinas de inducción 14a,
14b y 14c están interconectadas en una red de impedancias
trifásicas en estrella más bien que una red de impedancias trifásica
en estrella más bien que en una red de impedancias trifásica en
delta abierta. La Figura 6(a) ilustra un ejemplo no
limitativo de cómo las tres secciones de bobinas pueden estar
dispuestas alrededor de la vasija 11 que contiene los materiales
eléctricamente conductivos. La red de impedancias trifásica en
estrella tiene los terminales 1c, 2c y 3c de bobinas de fases y el
terminal común 4c de bobinas para todas las secciones de bobinas de
inducción. Los condensadores C12c, C12d y C12e tienen sus primeros
terminales conectados a los terminales 1c, 2c y 3c de bobinas,
respectivamente. Los segundos terminales de todos estos
condensadores están conectados de modo común al terminal T11 de
salida de la fuente 12a de alimentación de c.a. monofásica. El
segundo terminal T12 de salida, de la fuente de alimentación de
c.a. monofásica, está conectado al terminal común 4c de bobinas.
Cada una de las líneas de salida T31, T32 y T33, de la fuente de
alimentación de inversor trifásico, está conectada a los terminales
1c, 2c y 3c de bobinas, respectivamente, de los segmentos de
bobinas 14a, 14b y 14c por vía de los inductores L2a, L2b y L2c,
respectivamente. Por lo demás, este ejemplo de la invención es
similar que el ejemplo anterior ilustrado en la Figura
3(a).
La Figura 7 ilustra un método para proporcionar
una elevación o reducción de tensión de la salida de la fuente de
alimentación de c.a. monofásica en la Figura 6(a) disponiendo
un autotransformador 40 entre los terminales T11 y T12 de salida de
la fuente de alimentación. El autotransformador también puede ser
sustituido por un transformador convencional de cuatro terminales.
La elevación o reducción adicional de la salida de la fuente de
alimentación de c.a. trifásica en la Figura 6(b) puede ser
efectuada usando elementos T2a, T2b y T2c de transformador para
sustituir a los inductores L2a, L2b y L2c, respectivamente, en la
Figura 6(a). Estas transformaciones de tensión también
pueden ser proporcionadas en otros ejemplos de la invención con
modificaciones apropiadas.
La Figura 6(b) ilustra otro ejemplo de
calentamiento y agitación simultáneos por inducción de un material
fundido eléctricamente conductivo de acuerdo con la presente
invención. Este ejemplo varía respecto al ejemplo ilustrado en la
Figura 3(b) en que las tres secciones de bobinas de inducción
14a, 14b y 14c están interconectadas en una red de impedancias
trifásica en estrella más bien que una red de impedancias trifásica
en delta abierta. Los condensadores C12f, C12g y C12h tienen sus
primeros terminales conectados a los terminales 1c, 2c y 3c de
bobinas, respectivamente. Los segundos terminales de todos estos
condensadores están conectados de modo común al terminal T12a de
salida de la fuente 12a de alimentación de c.a. monofásica. Por lo
demás, este ejemplo de la invención es similar que el ejemplo
anterior ilustrado en la Figura 6(a).
Como es ilustrado por los ejemplos anteriores,
la presente invención está dirigida a una fuente de alimentación de
c.a. monofásica de calentamiento conectada a la red de impedancias
de bobinas de inducción de vasija por uno o más elementos
capacitivos para formar un circuito de calentamiento inductivo. Los
componentes en el circuito de calentamiento inductivo son
seleccionados de modo que el circuito está en, o cerca de,
resonancia cuando es excitado por la fuente de alimentación de
calentamiento que funciona a una frecuencia de calentamiento
inductivo. La fuente de alimentación de c.a. trifásica de agitación
está conectada a la red de impedancias de bobinas de inducción de
la vasija por elementos inductivos para formar un circuito de
agitación inductivo. Además, los elementos inductivos y los
elementos capacitivos son seleccionados para proporcionar impedancia
suficiente para bloquear la potencia de salida desde la fuente de
alimentación de calentamiento a la fuente de alimentación de
agitación, y la potencia de salida desde la fuente de alimentación
de agitación a la fuente de alimentación de calentamiento,
respectivamente. Generalmente, la frecuencia de agitación inductiva
es menor que la frecuencia de calentamiento inductivo. Además, la
frecuencia de agitación puede ser variada en un intervalo para
proporcionar un modelo variado de agitación electromag-
nética.
nética.
Otros tipos de fuentes de alimentación
monofásicas y fuentes de alimentación trifásicas pueden ser usados
como fuentes de alimentación de calentamiento y agitación,
respectivamente, para la invención descrita. Otras configuraciones
de bobinas de inducción trifásicas pueden ser utilizadas sin
desviarse del alcance de la invención. Por ejemplo, las secciones
de bobinas pueden ser dispuestas físicamente alrededor de la vasija
de calentamiento para conseguir una variación particular de
calentamiento y/o agitación a lo largo de la altura del material
fundido dentro de la vasija. Además, configuraciones de bobinas de
inducción trifásicas múltiples pueden ser provistas de conexiones
con fuentes de alimentación comunes (en paralelo) de calentamiento
y/o agitación, o fuentes de alimentación individuales de
calentamiento y/o agitación para cada una de las bobinas de
inducción trifásicas múltiples.
Los ejemplos de la invención incluyen referencia
a componentes eléctricos específicos. Un experto en la técnica
puede poner en práctica la invención sustituyendo por componentes
que no son necesariamente del mismo tipo pero crearán las
condiciones deseadas o conseguirán los resultados deseados de la
invención. Por ejemplo, componentes únicos pueden ser sustituidos
pro componentes múltiples o viceversa.
Las realizaciones anteriores no limitan el
alcance de la invención descrita. El alcance de la invención
descrita es expuesto además en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (10)
1. Un aparato (10) para calentar y agitar por
inducción magnética un material eléctricamente conductivo en una
vasija (11), comprendiendo el aparato una pluralidad de bobinas de
inducción (L1; 14a, 14b, 14c) dispuestas alrededor de la vasija,
estando la pluralidad de bobinas de inducción conectadas entre sí
para formar al menos una red de impedancias trifásica,
una fuente (12; 12a, 12b) de alimentación de
c.a. monofásica que tiene una salida que funciona a una frecuencia
de calentamiento inductivo,
una fuente (16; 16a) de alimentación de c.a.
trifásica que tiene una salida que funciona a una frecuencia de
agitación inductiva, siendo la frecuencia de agitación inductiva
menor que la frecuencia de calentamiento inductivo,
caracterizado porque
al menos un elemento capacitivo (C1; C12; C12a,
C12b, C12c, C12d, C12e; C12f, C12g, C12h) conecta la salida de la
fuente de alimentación de c.a. monofásica con la pluralidad de
bobinas de inducción para formar un circuito de calentamiento que
funciona a, o cerca de, la frecuencia de resonancia para suministrar
una corriente alterna de calentamiento a la pluralidad de bobinas
de inducción, creando la corriente alterna de calentamiento en uso
un campo magnético de calentamiento, siendo el campo magnético de
calentamiento acoplado inductivamente en uso con el material
eléctricamente conductivo para calentar el material eléctricamente
conductivo; y
al menos un elemento inductivo (L2; L2a, L2b,
L2c) conecta la salida de la fuente de alimentación de c.a.
trifásica a la pluralidad de bobinas de inducción para formar un
circuito de agitación para suministrar una corriente alterna de
agitación a la pluralidad de bobinas de inducción, creando la
corriente alterna de agitación en uso un campo magnético de
agitación, siendo el campo magnético de agitación acoplado
inductivamente en uso con el material eléctricamente conductivo
para agitar el material eléctricamente conductivo simultáneamente
con dicho calentamiento del mismo;
mediante lo cual el al menos un elemento
inductivo bloquea sustancialmente la salida de la fuente de
alimentación de c.a. trifásica respecto a la salida de la fuente de
alimentación de c.a. monofásica y el al menos un elemento
capacitivo bloquea la salida de la fuente de alimentación de c.a.
monofásica respecto a la salida de la fuente de alimentación c.a.
trifásica.
2. Un aparato según la reivindicación 1, en el
que:
al menos una red de impedancias trifásica
comprende un circuito en delta abierta (14a, 14b, 14c) que tiene
terminales primero y segundo (1a, 4a) de delta abierta y terminales
primero y segundo (2a, 3a) de delta cerrada;
al menos un elemento capacitivo comprende un
condensador (C12) de circuito de calentamiento que tiene un primer
terminal de condensador y un segundo terminal de condensador,
estando el primer terminal de condensador conectado al primer
terminal (4a) de delta abierta;
la salida de la fuente de alimentación de c.a.
monofásica comprende terminales primero y segundo (T11, T12) de
salida de alimentación de calentamiento, estando el primer terminal
(T11) de salida de alimentación de calentamiento conectado al
segundo terminal de condensador, y estando el segundo terminal (T12)
de salida de alimentación de calentamiento conectado al segundo
terminal (1a) de delta abierta;
al menos un elemento inductivo comprende una
pluralidad de inductores (L2a, L2b, L2c) de circuito de agitación,
teniendo cada uno de la pluralidad de inductores de circuito de
agitación un primer terminal de inductor y un segundo terminal de
inductor, estando el primer terminal de inductor de cada uno de la
pluralidad de inductores de circuito de agitación conectado
exclusivamente al primer terminal (2a) de delta cerrada, al segundo
terminal (3a) de delta cerrada y al segundo terminal (1a) de delta
abierta de la al menos una red de impedancias trifásica; y
la salida de la fuente de alimentación de c.a.
trifásica comprende tres terminales (T31, T32, T33) de salida de
alimentación de agitación, estando cada uno de los tres terminales
de salida de alimentación de agitación conectado exclusivamente al
segundo terminal de inductor de cada uno de la pluralidad de
inductores de circuito de agitación.
3. Un aparato según la reivindicación 1, en el
que:
al menos una red de impedancias trifásica
comprende un circuito (14a, 14b, 14c) en delta abierta que tiene
terminales primero y segundo (1a, 4a) de delta abierta y terminales
primero y segundo (2a, 3a) de delta cerrada;
al menos un elemento capacitivo comprende un
primer condensador (C12a) de circuito de calentamiento y un segundo
condensador (C12b) de circuito de calentamiento, teniendo los
condensadores primero y segundo de circuito de calentamiento la
misma capacidad aproximadamente, teniendo cada uno de los
condensadores primero y segundo de circuito de calentamiento
terminales primero y segundo, estando los segundos terminales de los
condensadores primero y segundo de circuito de calentamiento
conectados entre sí (T12a) para formar una conexión común de
condensadores;
la fuente de alimentación de c.a. monofásica
tiene un bus (DC1) de c.c. positiva y un bus (DC2) de c.c.
negativa;
la salida de la fuente de alimentación de c.a.
monofásica comprende terminales primero y segundo (T11a, T12a) de
salida de alimentación de calentamiento, comprendiendo el primer
terminal (T11a) de salida de alimentación de calentamiento el
centro de un circuito en semipuente de la fuente de alimentación de
c.a. monofásica, estando el primer terminal (T11a) de salida de
alimentación de calentamiento conectado al segundo terminal (4b) de
delta abierta, estando el bus (DC1) de c.c. positiva conectado al
primer terminal del primer condensador (C12a) de circuito de
calentamiento y estando el bus (DC2) de c.c. negativa conectado al
primer terminal del segundo condensador (C12b) de circuito de
calentamiento, comprendiendo el segundo terminal (T12a) de salida de
alimentación de calentamiento la conexión común de condensadores,
estando el segundo terminal (T12a) de salida de alimentación de
calentamiento conectado al primer terminal (1b) de delta
abierta;
al menos un elemento inductivo comprende una
pluralidad de inductores (L2a, L2b, L2c) de circuito de agitación,
teniendo cada uno de la pluralidad de inductores de circuito de
agitación un primer terminal de inductor y un segundo terminal de
inductor, estando el primer terminal de inductor de cada uno de la
pluralidad de inductores de circuito de agitación conectado
exclusivamente al primer terminal (2b) de delta cerrada, al segundo
terminal (3b) de delta cerrada y al segundo terminal (1b) de delta
abierta de la al menos una red de impedancias trifásica; y
la salida de la fuente de alimentación de c.a.
trifásica comprende tres terminales (T31, T32, T33) de salida de
alimentación de agitación, estando cada uno de los tres terminales
de salida de alimentación de agitación conectado exclusivamente al
segundo terminal de inductor de cada uno de la pluralidad de
inductores (L2a, L2b, L2c) de circuito de agitación.
4. Un aparato según la reivindicación 1, en el
que:
al menos una red de impedancias trifásica
comprende un circuito en estrella (14a, 14b, 14c) que tiene un
terminal común para todas de la pluralidad de bobinas de inducción,
y terminales primero, segundo y tercero;
al menos un elemento capacitivo comprende una
pluralidad de condensadores (C12f, C12g, C12h) de circuito de
calentamiento, teniendo cada uno de la pluralidad de condensadores
de circuito de calentamiento un primer terminal de condensador y un
segundo terminal de condensador, estando el primer terminal de
condensador de cada uno de la pluralidad de condensadores de
circuito de calentamiento conectado exclusivamente a los terminales
primero (1c), segundo (2c) y tercero (3c) de la al menos una red de
impedancias trifásica;
la salida de la fuente de alimentación de c.a.
monofásica comprende terminales primero y segundo (T12a, T11b) de
salida de alimentación de calentamiento, estando el primer terminal
(T12a) de salida de alimentación de calentamiento conectado al
segundo terminal de condensador de todos de la pluralidad de
condensadores de circuito de calentamiento, y estando el segundo
terminal (T11b) de salida de alimentación de calentamiento conectado
al terminal común (4c) de la al menos una red de impedancias
trifásica;
al menos un elemento inductivo comprende una
pluralidad de inductores (L2a, L2b, L2c) de circuito de agitación,
teniendo cada uno de la pluralidad de inductores de circuito de
agitación un primer terminal de inductor y un segundo terminal de
inductor, estando el primer terminal de inductor de cada uno de la
pluralidad de inductores de circuito de agitación conectado
exclusivamente a los terminales primero (1c), segundo (2c) y tercero
(3c) de la red de impedancias trifásica; y
la salida de la fuente de alimentación de c.a.
trifásica comprende tres terminales (T31, T32, T33) de salida de
alimentación de agitación, estando cada uno de los tres terminales
de salida de alimentación de agitación conectado exclusivamente al
segundo terminal de inductor de cada uno de la pluralidad de
inductores de circuito de agitación.
5. Un aparato según la reivindicación 1, en el
que:
al menos una red de impedancias trifásica
comprende un circuito en estrella (14a, 14b, 14c) que tiene un
terminal común (4c) para todas de la pluralidad de bobinas de
inducción, y terminales primero (1c), segundo (2c) y tercero
(3c);
al menos un elemento capacitivo comprende una
pluralidad de condensadores (C12f, C12g, C12h) de circuito de
calentamiento, teniendo cada uno de la pluralidad de condensadores
de circuito de calentamiento un primer terminal de condensador y un
segundo terminal de condensador, estando el primer terminal de
condensador de cada uno de la pluralidad de condensadores de
circuito de calentamiento conectado exclusivamente a los terminales
primero (1c), segundo (2c) y tercero (3c) de la red de impedancias
trifásica;
la salida de la fuente de alimentación de c.a.
monofásica comprende terminales primero y segundo (T12a, T11b) de
salida de alimentación de calentamiento, estando el primer terminal
(T12a) de salida de alimentación de calentamiento conectado al
segundo terminal de condensador de todos de la pluralidad de
condensadores de circuito de calentamiento, y estando el segundo
terminal (T11b) de salida de alimentación de calentamiento al
terminal común (4c) de la red de impedancias trifásica;
al menos un elemento inductivo comprende una
pluralidad de inductores (L2a, L2b, L2c) de circuito de agitación,
teniendo cada uno de la pluralidad de inductores de circuito de
agitación un primer terminal de inductor y un segundo terminal de
inductor, estando el primer terminal de inductor de cada uno de la
pluralidad de inductores de circuito de agitación conectado
exclusivamente a los terminales primero (1c), segundo (2c) y tercero
(3c) de la red de impedancias trifásica; y
la salida de la fuente de alimentación de c.a.
trifásica comprende tres terminales (T31, T32, T33) de salida de
alimentación de agitación, estando cada uno de los tres terminales
de salida de alimentación de agitación conectado exclusivamente al
segundo terminal de inductor de uno de la pluralidad de inductores
de circuito de agitación.
6. Un aparato según cualquier reivindicación
precedente, en el que la frecuencia de agitación es variable en un
intervalo de frecuencias.
7. Un aparato según cualquier reivindicación
precedente, en el que la fuente de alimentación trifásica es una
fuente de alimentación modulada en anchura de impulsos que tiene una
frecuencia de salida variable.
8. Un método para calentar y agitar por
inducción magnética un material eléctricamente conductivo en una
vasija (11) que tiene una pluralidad de bobinas de inducción (L1;
14a, 14b, 14c) dispuestas alrededor de la vasija, estando la
pluralidad de bobinas de inducción conectadas entre sí para formar
al menos una red de impedancias trifásica;
una fuente (12; 12a, 12b) de alimentación de
c.a. monofásica que tiene una salida que funciona a una frecuencia
de calentamiento inductivo; y
una fuente (16; 16a) de alimentación de c.a.
trifásica que tiene una salida que funciona a una frecuencia de
agitación inductiva, siendo la frecuencia de agitación inductiva
menor que la frecuencia de calentamiento inductivo; estando el
método caracterizado por:
conectar la salida de la fuente de alimentación
de c.a. monofásica a la pluralidad de bobinas de inducción por al
menos un elemento capacitivo (C1; C12; C12a, C12b, C12c, C12d, C12e;
C12f, C12g, C12h) para formar un circuito de calentamiento que
funciona a, o cerca de, la frecuencia de resonancia para suministrar
una corriente alterna de calentamiento a la pluralidad de bobinas
de inducción, creando la corriente alterna de calentamiento un
campo magnético de calentamiento, siendo el campo magnético de
calentamiento acoplado inductivamente con el material
eléctricamente conductivo para calentar el material eléctricamente
conductivo; y
conectar la salida de la fuente de alimentación
de c.a. trifásica a la pluralidad de bobinas de inducción por al
menos un elemento inductivo (L2; L2a, L2b, L2c) para formar un
circuito de agitación para suministrar una corriente alterna de
agitación a la pluralidad de bobinas de inducción; creando la
corriente alterna de agitación un campo magnético de agitación,
siendo el campo magnético de agitación acoplado inductivamente con
el material eléctricamente conductivo para agitar el material
eléctricamente conductivo simultáneamente con dicho calentamiento
del mismo;
mediante lo cual el al menos un elemento
inductivo bloquea sustancialmente la salida de la fuente de
alimentación trifásica respecto a la salida de la fuente de
alimentación de c.a. monofásica y el al menos un elemento capacitivo
bloquea la salida de la fuente de alimentación monofásica respecto
a la salida de la fuente de alimentación trifásica.
9. Un método según la reivindicación 8, que
incluye el paso de variar la frecuencia de la salida de la fuente
de alimentación de c.a. trifásica.
10. Un método según la reivindicación 8, en el
que la fuente de alimentación de c.a. trifásica es una fuente de
alimentación modulada en anchura de impulsos que tiene una salida de
frecuencia variable.
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