ES2338182T3 - Dispositivo de calentamiento por induccion a alta frecuencia, y horno de induccion equipado con dicho dispositivo. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de calentamiento por inducción que comprende: - una alimentación eléctrica de alta frecuencia, - un inductor (3, 23) adecuado para rodear, al menos parcialmente, un elemento de inducido (4, G) a calentar, teniendo este inductor una inductancia de valor determinado (L) para una potencia de calentamiento deseada, - y un montaje capacitivo de unión entre la alimentación y el inductor previsto para aumentar la tensión en los bornes del inductor con relación a la tensión proporcionada por la alimentación, caracterizado porque el inductor está constituido por al menos dos partes inductivas elementales distintas (3a, 3b, 3c; 23a, 23b) unidas entre sí en serie por al menos un condensador, o una batería de condensadores, (2, 2a, 2b; 22, 22a), siendo la tensión que aparece entre los puntos de conexión de las partes inductivas elementales reducida con relación a la tensión necesaria para el funcionamiento del inductor para una potencia de calentamiento deseada.
Description
Dispositivo de calentamiento por inducción a
alta frecuencia, y horno de inducción equipado con dicho
dispositivo.
La invención se refiere a un dispositivo de
calentamiento por inducción del tipo de los que comprenden:
- -
- una alimentación eléctrica de alta frecuencia,
- -
- un inductor adecuado para rodear, al menos parcialmente, un elemento inducido a calentar, teniendo el inductor una inductancia de valor determinado para una potencia de calentamiento deseada,
- -
- y un montaje capacitivo de unión entre la alimentación y el inductor previsto para aumentar la tensión en los bornes del inductor con relación a la tensión proporcionada por la alimentación.
Por la expresión "alta frecuencia"
utilizada para la corriente alterna se designa una frecuencia igual
o superior a 10 kilohertzios (kHz).
Una aplicación del calentamiento por inducción
se refiere a las bandas metálicas. El calentamiento por inducción
de bandas metálicas es cada vez más utilizado por la industria
siderúrgica para aplicaciones diversas tales como:
- -
- mejora de la productividad de horno convencional;
- -
- secado de productos de revestimiento diversos (pintura, galvanización, etc...);
- -
- tratamiento térmico (recocido, sobreenvejecimiento...),
- y otros también.
La progresión de los rendimientos de los
semi-conductores permite ahora fabricar
convertidores de frecuencia de potencia unitaria de varios
megavatios y de frecuencia de salida de varias centenas de
kilohertzios.
El principio de una instalación clásica, según
el estado de la técnica, se ilustra en las Figuras 1 a 3 de los
dibujos adjuntos en el caso de un circuito oscilante paralelo y de
un inductor de flujo longitudinal. Una alimentación eléctrica 1 de
corriente alterna de alta frecuencia está constituida por un
convertidor de frecuencia. Uno o varios condensadores de
compensación 2 están conectados a los bornes del convertidor. El
inductor 3 rodea una banda metálica 4 a calentar; la longitud de la
banda 4 es perpendicular al plano de la Fig. 1. Corrientes
inductoras de intensidad I rodean la banda 4 con el fin de crear
corrientes inducidas cuya circulación está esquemáticamente
representada por una curva 5 representada con líneas de trazo
interrumpido. El convertidor de frecuencia 1 proporciona la
potencia activa necesaria para el calentamiento de la banda
metálica 4. El condensador, o la batería de condensadores, 2
proporciona la potencia reactiva necesaria para la magnetización
del espacio en el cual se desarrolla el campo magnético creado por
el inductor 3. Según la Fig. 3 dos condensadores de unión 2' en
serie, combinados con el condensador 2, están previstos para
aumentar la tensión en los bornes del inductor. El circuito formado
por el inductor 3 y los condensadores 2, 2' es un circuito
oscilante, y la tensión eléctrica U (expresada en voltios) que se
desarrolla en los bornes del inductor 3 (prescindiendo de la
resistencia óhmica) se escribe: U=L\omegaI, fórmula en la
cual:
L es igual a la inductancia del inductor 3
(expresada en henrios),
\omega es el impulso de la corriente alterna
de la corriente de alimentación (en radianes por segundo)
I es la intensidad de la corriente en el
inductor 3 (en amperios).
\omega = 2\piF, siendo F igual a la
frecuencia de la corriente alterna.
\vskip1.000000\baselineskip
La potencia Pt transferida por inducción a la
banda 4 es proporcional:
- -
- al cuadrado del campo magnético, así mismo proporcional al número de amperios vuelta n.l, donde n es el número de espiras del inductor 3 o circuito primario,
- -
- a la raíz cuadrada del impulso \omega de la corriente.
Para transmitir una potencia elevada, es
preciso, todo lo demás igual por otro lado, que la corriente I sea
importante, del orden de algunos millares de amperios a varias
decenas de millares de amperios.
La inductancia L debido al tamaño geométrico del
inductor 3, a menudo conectada con la del inducido 4 que rodea, no
puede bajar por debajo de un valor mínimo del orden de algunas
décimas de microhenrios para inductores de calentamiento de banda,
incluso construyendo inductores denominados "monoespiras", es
decir de una sola espira.
Por último, \omega alcanza valores elevados
para permitir calentar bandas finas 4 y evitar una caída del
rendimiento del sistema.
La ecuación U = L\omegaI muestra directamente
que la corriente I importante, necesaria para que la potencia
transmitida sea elevada, solo puede ser obtenida aplicando una
tensión U de varios millares de voltios. Esta tensión es lo más a
menudo alcanzada por un montaje capacitivo "multiplicador de
tensión o elevador capacitivo". Según la Fig. 3 este elevador
capacitivo utiliza dos condensadores 2' en serie con la
inductancia.
Para asegurar buenas condiciones de oscilación
del circuito formado por el inductor 3 y los condensadores 2, 2'
del circuito del inductor, generalmente se esfuerza en cumplir con
la condición de resonancia entre los valores de la inductancia L y
la capacidad C_{eq} equivalente a las de los condensadores del
circuito, según la fórmula L C_{eq}
\omega^{2} = 1.
\omega^{2} = 1.
En el ejemplo de la Figura 3, considerando el
caso en que los tres condensadores 2, 2' tengan cada uno un mismo
valor C de capacidad, la capacidad equivalente C_{eq} de estos
tres condensadores en serie en el bucle cerrado que comprende el
inductor es C_{eq} = C/3.
La relación: L C_{eq} \omega^{2} = 1 se
vuelve, sustituyendo C_{eq}, por C/3: I C/3 \omega^{2} = 1
donde: L \omega = 3/C\omega.
La tensión en los bornes del inductor L\omegaI
es por consiguiente igual a 3 L/C\omega, mientras que la tensión
en los bornes de la capacidad de compensación 2, que corresponde a
la tensión de alimentación, es igual a I/C\omega. La tensión en
los bornes del inductor se multiplica por consiguiente por tres.
La tensión muy elevada aplicada al inductor
plantea numerosos problemas de realización de los equipos, que
deben evitar una caída de tensión inoportuna entre el condensador, o
la batería de condensadores, y el inductor. Las conexiones de
empalme deben ser "compensadas", es decir presentar una
inductancia de conexión mínima. Esta disminución de la inductancia
de las conexiones solo puede ser obtenida aproximando lo mejor
posible los conductores de alimentación del inductor y los
conductores internos de la batería de condensadores. Como se ha
ilustrado esquemáticamente en la Fig. 2, la distancia e entre las
conexiones de empalme debe ser mínima para limitar la inductancia
parásita de la conexión.
Pero se tropieza con la presencia de una tensión
muy elevada. La corta distancia e entre las conexiones hace
particularmente difícil la realización de un aislamiento eléctrico
fiable que permita evitar una descarga eléctrica (flash).
La misma tensión se aplica a la batería de
condensadores, a menudo constituida por condensadores elementales
de soporte bajo en tensión unitaria, conectados en
serie-paralelo.
La invención tiene por objeto, sobre todo,
proporcionar un dispositivo de calentamiento por inducción que
permita transferir una potencia elevada por el inductor reduciendo
las dificultades de construcción creadas por las tensiones, en
particular a nivel de las conexiones del inductor y de los
condensadores.
Según la invención, un dispositivo de
calentamiento por inducción del tipo definido anteriormente se
caracteriza porque el inductor está constituido por al menos dos
partes inductivas elementales distintas unidad entre sí en serie
por al menos un condensador, siendo la tensión que aparece entre los
puntos de conexión de las partes inductivas elementales reducida
con relación a la tensión necesaria para el funcionamiento del
inductor, para una potencia de calentamiento deseada.
El dispositivo puede comprender un condensador
conectado entre los bornes de la alimentación y tres partes
inductivas elementales distintas, que tienen o no la misma
inductancia elemental, unidas entre sí en serie por dos
condensadores de unión.
Según una variante, el dispositivo puede
comprender un condensador conectado entre los bornes de la
alimentación y dos partes inductivas elementales distintas,
conectadas entre si en serie por un condensador de unión.
De una manera más general, el dispositivo
comprende un condensador conectado entre los bornes de la
alimentación y N partes inductivas elementales distintas, unidas
entre sí en serie por N-1 condensadores de
unión.
Ventajosamente, el o los condensadores de unión
tienen valores de capacidad iguales entre si, e iguales a la
capacidad del condensador conectado a los bornes de la
alimentación.
No obstante es posible obtener factores de
elevación de la tensión particulares y no enteros utilizando una o
más baterías de condensadores de unión de valor equivalente
diferente del de la batería de condensadores conectada a los bornes
de la alimentación. En este caso, los condensadores, o baterías de
condensadores, de unión, tienen valores de capacidad diferentes a
los del condensador, o de la batería de condensadores, conectado a
los bornes de la alimentación de alta frecuencia, para obtener
relaciones de elevación de la tensión no enteros.
De preferencia, el o los condensadores de unión
están situados en una zona opuesta a la alimentación con relación
al inducido.
Los condensadores o baterías de condensadores
pueden repartirse por el perímetro del inducido con el fin de
optimizar la ocupación del espacio en la proximidad del
inducido.
El o cada condensador de unión puede estar
constituido por una batería de condensadores.
De preferencia, la capacidad C_{eq}
equivalente a las de los condensadores del circuito en el cual se
encuentran los inductores elementales está relacionada con la
inductancia L equivalente a las de las partes inductivas por la
relación L C_{eq} \omega^{2} = 1.
La invención se refiere igualmente a un horno de
calentamiento por inducción.
Un horno de calentamiento para bandas metálicas,
según la invención, se caracteriza porque comprende un dispositivo
de calentamiento de inducción, de una o varias espiras, tal como se
ha definido anteriormente. Ventajosamente, los condensadores, o
baterías de condensadores, de conexión pueden estar dispuestos en el
interior del blindaje del horno, dentro de la atmósfera del
horno.
Otra aplicación del calentamiento por inducción
según la invención es la fusión de vidrio o de óxido en espira
directa.
La invención consiste, aparte de las
disposiciones expuestas anteriormente, en un cierto número de otras
disposiciones de las cuales será más explícitamente cuestión a
continuación a propósito de ejemplos de realización descritos con
referencia a los dibujos adjuntos, pero que no son en modo alguno
limitativos.
En estos dibujos:
La Figura 1 es un esquema de un dispositivo de
calentamiento por inducción según el estado de la técnica.
La Figura 2 es un esquema similar a la Figura 1,
con un inductor monoespira representado en perspectiva, según el
estado de la técnica.
La figura 3 es un esquema de un circuito con
batería de condensadores multiplicadores de tensión, según el
estado de la técnica.
La figura 4 es un esquema de un dispositivo de
calentamiento según la invención.
La figura 5 es un esquema equivalente del
dispositivo de la figura 4.
La figura 6 es una variante del esquema de la
figura 5.
La figura 7 es un esquema en perspectiva que
ilustra el desplazamiento de una banda a calentar en un inductor
monoespira, equipado con un condensador de unión.
La figura 8 es un esquema de un horno de fusión
de vidrio, de una sola espira, según el estado de la técnica, y por
último.
La figura 9 es un esquema de un horno de fusión
de vidrio monoespira según la invención.
Haciendo referencia a la figura 4 se puede
apreciar un dispositivo H de calentamiento por inducción, según la
invención, que comprende un convertidor de frecuencia 1 que
constituye la alimentación eléctrica de alta frecuencia, igual o
superior a 10 kHz. Un condensador, o una batería de condensadores,
de compensación 2 está conectado entre los bornes de la
alimentación 1.
El inductor, conectado a los bornes del
condensador 2 y de la alimentación, está constituido por al menos
dos partes inductivas elementales distintas. Según le ejemplo de
realización de la figura 4, el inductor está constituido por tres
partes inductivas elementales 3a, 3b, 3c conectadas entre si en
serie por al menos un condensador, o batería de condensadores, 2a,
2b. La inductancia equivalente a las de las partes inductivas
elementales 3a, 3b, 3c, en serie es igual al valor determinado L del
inductor 3 por un montaje clásico según las figuras 1 a 3.
Según un ejemplo de la figura 4, la tensión U1
se desarrolla entre los bornes 6a y 7c de las partes inductivas
elementales respectivas 3a y 3c; la tensión U2 entre los bornes 7a y
6b de las partes inductivas elementales 3a y 3b y la tensión U3
entre los bornes 7b y 6c de las partes inductivas elementales 3b,
3c. El condensador 2 está unido a los bornes 6a, 7c mientras que
los condensadores 2a, 2b están unidos respectivamente a los bornes
7a, 6b y a los bornes 7b, 6c.
\newpage
Las tensiones U1, U2 y U3 al ser reducidas con
relación a la tensión de funcionamiento del inductor 3 según las
figuras 1 a 3, las necesidades en aislamiento eléctrico y las
precauciones a tomar para la realización del equipamiento son
igualmente reducidas y los conductores pueden aproximarse el uno al
otro con una disminución del riesgo de descarga eléctrica.
Según el ejemplo de realización de la figura 4,
el inductor formado por el conjunto de las partes inductivas
elementales 3a, 3b, 3c, puede ser instalado en el interior de un
blindaje 8 de un horno de calentamiento que se encuentra por
ejemplo bajo atmósfera protectora, particularmente H2 + N2, a
mantener separada de la presencia de aire o de oxígeno para evitar
los riesgos de explosión. El blindaje 8 es estanco, y está realizado
por ejemplo en chapa de acero. Los condensadores 2a, 2b pueden
estar alojados en el interior del blindaje 8 pues el calentamiento
por inducción no produce temperaturas demasiado importantes en el
volumen interior del blindaje 8. En estas condiciones, un solo
travesaño estanco 9 hay que realizar, a través de la pared del
blindaje, para el paso de conexiones de extremo 10a, 10c de los
inductores 3a, 3c con el fin de hacer los bornes de conexión 6a, 7c
accesibles desde el exterior del blindaje 8. La realización de un
travesaño estanco al ser relativamente costosa, es particularmente
interesante poder evitar dicho travesaño estanco a nivel de los
bornes 7a, 6b y/o 7b, 6c.
La figura 5 es un esquema eléctrico equivalente
a la instalación de la figura 4. Las mismas referencias numéricas
han sido retomadas en el esquema de la figura 5 reflejando que el
inductor, de inductancia L, está dividido en varias partes, tres en
el ejemplo considerado, conectadas por condensadores 2a, 2b, 2.
La figura 6 es un esquema de otro ejemplo de
realización para un circuito oscilante en serie en el cual el
inductor está dividido en dos partes 3a, 3b conectadas por un
condensador 2a. Los otros bornes de extremo de las partes
inductivas elementales 3a, 3b están conectadas respectivamente a una
placa de un condensador 2 o 2b, así mismo conectado por su otra
placa a un borne de alimentación. Este montaje puede estar previsto
con o sin transformador 11.
Este concepto puede ser fácilmente generalizado
con un número de puntos de conexión diferente de los ilustrados por
los ejemplos de las figuras 4 a 6, y/o con inductores de dos espiras
o más de dos espiras.
La figura 7 es un esquema simplificado en
perspectiva que ilustra el caso de un inductor monoespira 3 para
banda metálica 4 que pasa verticalmente según la representación de
la figura 7.
La figura 8 ilustra otro ejemplo de aplicación
del calentamiento por inducción en el caso de un horno de fusión de
vidrio o de óxidos, en espira directa. En un horno de fusión de
vidrio por inducción se encuentra de nuevo una alimentación
eléctrica de alta frecuencia constituida por un convertidor de
frecuencia 21, con un condensador, o una batería de condensadores,
22 de compensación conectado entre los bornes del convertidor. Un
inductor 23, por ejemplo monoespira, conectado con los bornes del
condensador 22 rodea una masa de vidrio G en fusión, que es
conductora de la electricidad.
Es conocido que el punto débil de los hornos de
inducción de fusión de vidrio o de óxidos refractarios (amianto,
silicato...) se sitúa en una zona A de cierre de la espira y de
conexión a la alimentación. Esta zona A está sujeta a un cebado
eléctrico entre los conductores debido a la gran diferencia de
potencial entre los bornes de alimentación 26a, 26b del
inductor.
Las corrientes inducidas en la masa G de vidrio
están esquemáticamente representadas mediante un trazado con líneas
de trazo interrumpido 25.
Según la invención, como se ha ilustrado en la
Figura 9, el inductor está dividido en dos partes inductivas
elementales 23a, 23b, representadas aquí de forma simétrica y la
inductancia equivalente de los dos inductores 23a, 23b es igual a
la del inductor 23 de la Figura 8.
Los extremos de los inductores elementales 23a,
23b opuestos a la alimentación están unidos a un condensador 22a
conectado con los bornes respectivos 27a, 27b de los inductores
elementales.
Con este montaje, las tensiones entre los puntos
26a, 26b por un lado y entre los puntos 27a, 27b por otro lado,
partes inductivas elementales, son iguales a la mitad de la tensión
que se aplicaba entre los puntos 26a, 26b según el montaje del
estado de la técnica de la Figura 8, todo lo demás igual por otro
lado.
Así, la tensión entre los puntos 26a, 26b, según
la Figura 9 se divide entre dos, mientras que la potencia de
calentamiento transferida se mantiene.
Según la Figura 8, el inductor 23 que tiene una
inductancia L, y el condensador 2 que tiene una capacidad C, el
impulso de la corriente al ser \omega, la relación
LC\omega^{2} = 1 es satisfactoria para la resonancia. La
tensión en los bornes del inductor es igual a L\omegaI o sea igual
a I/C\omega, con I=intensidad de la corriente en el
circuito.
Según la figura 9, cada parte inductiva
elemental 23a, 23b tiene una inductancia L/2, mientras que cada
condensador tiene una capacidad doble 2C de forma que la capacidad
equivalente C_{eq} sea igual a 2C/2 = C. La condición de
resonancia se expresa por: L C_{eq}\omega^{2} = 1, o sea LC
\omega^{2} = 1. Para la misma intensidad I, la tensión en los
bornes de cada parte inductiva elemental es L/2 \omega I
(prescindiendo de la resistencia óhmica). La potencia transferida,
igual a la suma de las potencias transferidas por cada parte
inductiva elemental, es la misma que para la Fig 8. Por el
contrario, la tensión en los bornes del condensador 22 y entre los
puntos 26a, 26b es igual a 1/2C\omega, o sea la mitad de lo que
es en la figura 8 para una misma potencia transferida en el
inducido a calentar.
Los riegos de cebado entre conductores aislados
a nivel de los puntos 26a, 26b se encuentran sustancialmente
reducidos.
El ejemplo de la Figura 9 no es limitativo, y el
inductor podría descomponerse en más de dos partes inductivas
elementales.
Hay que notar que la condición de resonancia L
C\omega^{2} = 1 puede ser satisfactoria solo de forma
aproximada.
Claims (12)
1. Dispositivo de calentamiento por inducción
que comprende:
- -
- una alimentación eléctrica de alta frecuencia,
- -
- un inductor (3, 23) adecuado para rodear, al menos parcialmente, un elemento de inducido (4, G) a calentar, teniendo este inductor una inductancia de valor determinado (L) para una potencia de calentamiento deseada,
- -
- y un montaje capacitivo de unión entre la alimentación y el inductor previsto para aumentar la tensión en los bornes del inductor con relación a la tensión proporcionada por la alimentación,
caracterizado porque el inductor está
constituido por al menos dos partes inductivas elementales distintas
(3a, 3b, 3c; 23a, 23b) unidas entre sí en serie por al menos un
condensador, o una batería de condensadores, (2, 2a, 2b; 22, 22a),
siendo la tensión que aparece entre los puntos de conexión de las
partes inductivas elementales
reducida con relación a la tensión necesaria
para el funcionamiento del inductor para una potencia de
calentamiento deseada.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende un condensador o batería de
condensadores (2) conectado entre los bornes de la alimentación y
tres partes inductivas elementales distintas (3a, 3b, 3c), unidas
entre sí en serie por dos condensadores de unión o batería de
condensadores (2a, 2b).
3. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende un condensador o batería de
condensadores (22a) conectado entre los bornes de la alimentación y
dos partes inductivas elementales distintas (23a, 23b), conectadas
entre si en serie por un condensador o batería de condensadores de
unión (22b).
4. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende un condensador o batería de
condensadores conectado entre los bornes de la alimentación y N
partes inductivas elementales distintas, conectadas entre si en
serie por N-1 condensadores o batería de
condensadores de unión.
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones
2 a 4, caracterizado porque el o los condensadores de unión
(2a, 2b; 22a) tienen valores de capacidad iguales entre si, e
iguales a la capacidad de un condensador (2, 22) conectado a los
bornes de la alimentación.
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones
2 a 4, caracterizado porque los condensadores, o baterías de
condensadores, de unión tienen valores de capacidad diferentes a los
del condensador, o de la batería de condensadores, conectado a los
bornes de la alimentación de alta frecuencia, para obtener
relaciones de elevación de la tensión no enteros.
7. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el o los
condensadores de unión (2a, 2b; 22) están situados en una zona
opuesta a la alimentación con relación al inducido (4, G).
8. Dispositivo de calentamiento según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque los condensadores o baterías de condensadores están
repartidos por el perímetro del inducido (4, G) con el fin de
optimizar la ocupación del espacio en la proximidad del inducido y
limitando así las inductancias parásitas.
9. Dispositivo de calentamiento según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque el o cada condensador de unión está constituido por una
batería de condensadores.
10. Horno de calentamiento para bandas metálicas
(4), caracterizado porque comprende un dispositivo de
calentamiento por inducción, de una o varias espiras, según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
11. Horno de calentamiento según la
reivindicación 10, caracterizado porque los condensadores, o
baterías de condensadores, de unión (2a, 2b) están dispuestos en el
interior del blindaje (8) del horno, dentro de la atmósfera del
horno.
12. Horno de fusión de vidrio (G) o de óxido en
espira directa, caracterizado porque comprende un dispositivo
de calentamiento de inducción según una de las reivindicaciones 1 a
9.
Applications Claiming Priority (3)
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