Un aparato para el calentamiento o la fusión por inducción eléctrica de un material conductor de la electricidad,

de tal manera que el aparato comprende un material conductor de la electricidad (12a); al menos una bobina de inducción activa (22a), que rodea un primer tramo o sección del material conductor de la electricidad, de tal modo que la al menos una bobina de inducción activa está conectada a una fuente de suministro de potencia de ca (12) para formar un circuito activo y para generar un primer campo magnético, de tal manera que el primer campo magnético se acopla magnéticamente con el material conductor de la electricidad (12a) sustancialmente en la primera sección del material conductor de la electricidad; al menos una bobina de inducción pasiva (24a, 24b), que rodea un segundo tramo o sección del material conductor de la electricidad, de forma que cada una de la al menos una bobina de inducción pasiva está conectada en paralelo con al menos un elemento de capacidad (CTUNE1, CTUNE2) para formar un circuito pasivo, de manera que el primer campo magnético se acopla magnéticamente con cada una de la al menos una bobina de inducción pasiva (24a, 24b) para generar una corriente en el circuito pasivo, generando la corriente un segundo campo magnético, y acoplándose magnéticamente el segundo campo magnético con el material conductor de la electricidad (12a) sustancialmente en la segunda sección del material conductor de la electricidad, de tal manera que la impedancia de cada uno de los circuitos pasivos se selecciona de modo que cada uno de los circuitos pasivos tiene una frecuencia de resonancia diferente, distinta de cualquier frecuencia de resonancia del circuito activo; un sistema de control (26), destinado a cambiar selectivamente la frecuencia de salida de la fuente de suministro de potencia de ca para modificar la cantidad de potencia inducida en el circuito activo y en cada uno de los circuitos pasivos, caracterizado por que

la al menos una bobina de inducción activa (22a) comprende una única bobina de inducción activa (22a), y la al menos una bobina de inducción pasiva comprende un par de bobinas de inducción pasivas (24a, 24b), de manera que cada una del par de bobinas de inducción pasivas (24a, 24b) está situada, en exclusiva, adyacente a cada uno de los extremos opuestos de la sección de bobina de inducción activa única (22a), de tal modo que cada una del par de bobinas de inducción pasivas (24a, 24b) forma, respectivamente, unos primer y segundo circuitos pasivos, siendo seleccionada la impedancia de cada uno de los primer y segundo circuitos pasivos de manera tal, que cada uno de los primer y segundo circuitos pasivos tiene una frecuencia de resonancia diferente de la frecuencia de resonancia del circuito activo.

Sistema de control de inducción eléctrica.

Campo de la invención

La presente invención se refiere al control del calentamiento o fusión por inducción eléctrica de un material conductor de la electricidad, en el que el calentamiento o la fusión por zonas se controla selectivamente.

Antecedentes de la invención

El calentamiento y la fusión por inducción eléctrica por lotes de un material conductor de la electricidad pueden llevarse a cabo en un crisol al rodear el crisol con una bobina de inducción. Un lote de un material conductor de la electricidad, tal como lingotes o chatarra, se coloca dentro del crisol. Una o más bobinas de inducción rodean el crisol. Una fuente de suministro de potencia adecuada proporciona corriente continua a las bobinas, con lo que se genera un campo magnético alrededor de las bobinas. El campo se dirige hacia dentro de manera tal, que se acopla magnéticamente con el material contenido en el crisol, lo que induce una corriente parásita en el material. Básicamente, el circuito acoplado magnéticamente se describe por lo común como un circuito transformador en el que las una o más bobinas de inducción representan el arrollamiento primario, y el material acoplado magnéticamente y contenido en el crisol representa un circuito secundario acortado.

El documento DE 1800431 A1 divulga un modo dual de hacer funcionar un horno de inducción con un modo de agitación de múltiples fases y un modo de fusión de una sola fase. En el modo de agitación de múltiples fases, o polifase, unas bobinas de inducción alternas dispuestas alrededor de la altura del crisol se han configurado como un tramo o sección de bobina activa que está conectado a una fuente de suministro de potencia de corriente alterna, y un tramo o sección de bobina pasiva que no se conecta a una fuente de suministro de potencia alterna, a fin de establecer la agitación de polifase. En un modo de fusión de una única fase, las secciones de bobina pasivas se conmutan de tal manera que son conectadas a la fuente de suministro de potencia de corriente alterna para establecer la agitación de una única fase.

La Figura 1 ilustra de forma simplificada un ejemplo de un circuito que comprende una fuente de suministro de potencia, un elemento de ajuste de impedancia de carga (condensador CT de tanque) , una bobina de inducción LL, y que puede ser utilizado en un procedimiento de fusión por lotes. La fuente 102 de suministro de potencia comprende un rectificador de ca (corriente alterna ("ac -alternating current") ) a cc (corriente continua ("cd -direct current") ) 104 y un inversor 106. El rectificador 104 rectifica la potencia de ca disponible (RED de CA) , convirtiéndola en potencia de cc. Típicamente, tras la filtración de la potencia de cc, el inversor 106, utilizando componentes de conmutación de semiconductor adecuados, suministra como salida potencia de ca monofásica. La potencia de ca alimenta el circuito de carga, el cual comprende la impedancia de la bobina de inducción y la impedancia del material acoplado magnéticamente contenido en el crisol, según se refleja de vuelta al circuito de carga primario. El valor del condensador CT de tanque se selecciona para maximizar la transferencia de potencia al circuito de carga inductivo primario. La bobina de inducción LL comprende un tramo o sección primaria LP y un tramo o sección secundaria LS, las cuales están, preferiblemente, conectadas en una configuración en paralelo y en arrollamientos opuestos con el fin de establecer un flujo de corriente instantáneo a través de la bobina según se indica por las flechas en la Figura 1.

La Figura 2 (a) ilustra el uso de la disposición de la Figura 1 con el crisol 10 para fundir por lotes una composición de metal generalmente sólida 112 (que se muestra esquemáticamente en forma de círculos discretos) , que se coloca dentro del crisol. Se hace referencia al estado del procedimiento de fusión de los lotes de la Figura 2 (a) como el "estado frío", puesto que, generalmente, no se ha fundido nada de la composición de metal. La impedancia de carga para el circuito de carga de la bobina superior (primaria) es sustancialmente igual a la impedancia de carga para el circuito de carga de la bobina inferior (secundaria) . A medida que la composición de metal se va calentando por inducción, se forma material fundido en el fondo del crisol, al tiempo que se añade, generalmente, material sólido a la sección superior del crisol. La Figura 2 (b) ilustra el "estado templado" del procedimiento de fusión por lotes, en el que la mitad inferior del crisol contiene, generalmente, material fundido (que se muestra esquemáticamente como líneas o rayas) y la mitad superior del crisol contiene, generalmente, material sólido. En el estado templado, la impedancia de carga del circuito de carga de bobina inferior es más baja que la impedancia de carga del circuito de carga de bobina superior, fundamentalmente porque la resistencia de carga equivalente del material fundido es inferior a la resistencia de carga equivalente del material sólido. Por último, en la Figura 2 (c) , que ilustra el "estado caliente" del procedimiento de fusión por lotes, generalmente todo el material contenido en el crisol se encuentra en el estado fundido, y las impedancias de carga en los circuitos de carga de bobinas superior e inferior son iguales, pero de menor magnitud que las impedancias de carga en el estado frío.

La Figura 3 (a) , la Figura 3 (b) y la Figura 3 (c) ilustran gráficamente la división de la potencia suministrada desde la fuente de suministro de potencia a las secciones de bobina superior (sección primaria c1i en estas Figuras) e inferior (sección secundaria c2i en estas Figuras) , para la bobina total (ci en estas Figuras) mostrada en la Figura 1 y en las Figuras 2 (a) a 2 (c) , a medida que prosigue el procedimiento de fusión por lotes a través, respectivamente, de las etapas fría, templada y caliente. Por ejemplo, en el estado frío (Figura 3 (a) , con una salida de suministro de potencia de 600 kW y aproximadamente 390 Hertz) , se suministran aproximadamente 300 kW a la sección de bobina superior y se aportan aproximadamente 300 kW a la sección de bobina inferior; en el estado templado (Figura 3 (b) , con una salida de suministro de potencia de 600 kW y aproximadamente 365 Hertz) , se suministran aproximadamente 200 kW a la sección de bobina superior y se aportan 400 kW a la sección de bobina inferior; y en el estado caliente (Figura 3 (c) , con una salida de suministro de potencia de 600 kW y aproximadamente 370 Hertz) , se aportan aproximadamente 300 kW a la sección de bobina superior y se suministran 300 kW a la sección de bobina inferior. Este ejemplo ilustra la situación general del procedimiento en la que, a medida que avanza la fusión por lotes desde el estado frío al estado templado, se proporciona una mayor potencia a la sección de bobina inferior con respecto a la sección de bobina superior, puesto que la sección de bobina inferior rodea una cantidad creciente de material fundido, el cual tiene una resistencia más baja que el material sólido, conforme el procedimiento prosigue hasta que la altura del material fundido es suficiente como para acoplarse magnéticamente con el campo generado por la sección de bobina superior. Esta situación es opuesta a la situación preferida, a saber, que el material sólido ha de recibir mayor potencia que el material fundido con el fin de fundir más rápidamente todo el lote de metal. La línea continua de la Figura 4 ilustra gráficamente la eficiencia típica de un procedimiento de fusión por lotes a lo largo del tiempo del procedimiento, en tanto que la línea de trazos o discontinua ilustra una eficiencia promedio porcentual típica 82 para el procedimiento.

Similarmente, cuando las secciones de bobina primaria y secundaria rodean un susceptor o un material conductor de la electricidad, tal como un tocho o una plancha de metal, la disposición de la Figura 1 y las Figuras 2 (a) a 2 (c) , en la cual el susceptor o material conductor de la electricidad reemplaza el crisol 110 que contiene una composición de metal sólida 112, tiene como resultado una configuración de temperatura no controlada a lo largo de la longitud del material, debido al hecho de que la configuración o patrón de suministro de energía se define por la disposición de la bobina y la configuración de consumo de energía viene definida por los procesos del interior de un susceptor, o bien por las características de absorción de calor del material del tocho.

Por lo tanto, existe la necesidad de inducir selectivamente calor en una sección de un material que está siendo calentado o fundido por inducción,... [Seguir leyendo]

1. Un aparato para el calentamiento o la fusión por inducción eléctrica de un material conductor de la electricidad, de tal manera que el aparato comprende un material conductor de la electricidad (12a) ; al menos una bobina de inducción activa (22a) , que rodea un primer tramo o sección del material conductor de la electricidad, de tal modo que la al menos una bobina de inducción activa está conectada a una fuente de suministro de potencia de ca (12) para formar un circuito activo y para generar un primer campo magnético, de tal manera que el primer campo magnético se acopla magnéticamente con el material conductor de la electricidad (12a) sustancialmente en la primera sección del material conductor de la electricidad; al menos una bobina de inducción pasiva (24a, 24b) , que rodea un segundo tramo o sección del material conductor de la electricidad, de forma que cada una de la al menos una bobina de inducción pasiva está conectada en paralelo con al menos un elemento de capacidad (CTUNE1, CTUNE2) para formar un circuito pasivo, de manera que el primer campo magnético se acopla magnéticamente con cada una de la al menos una bobina de inducción pasiva (24a, 24b) para generar una corriente en el circuito pasivo, generando la corriente un segundo campo magnético, y acoplándose magnéticamente el segundo campo magnético con el material conductor de la electricidad (12a) sustancialmente en la segunda sección del material conductor de la electricidad, de tal manera que la impedancia de cada uno de los circuitos pasivos se selecciona de modo que cada uno de los circuitos pasivos tiene una frecuencia de resonancia diferente, distinta de cualquier frecuencia de resonancia del circuito activo; un sistema de control (26) , destinado a cambiar selectivamente la frecuencia de salida de la fuente de suministro de potencia de ca para modificar la cantidad de potencia inducida en el circuito activo y en cada uno de los circuitos pasivos, caracterizado por que la al menos una bobina de inducción activa (22a) comprende una única bobina de inducción activa (22a) , y la al menos una bobina de inducción pasiva comprende un par de bobinas de inducción pasivas (24a, 24b) , de manera que cada una del par de bobinas de inducción pasivas (24a, 24b) está situada, en exclusiva, adyacente a cada uno de los extremos opuestos de la sección de bobina de inducción activa única (22a) , de tal modo que cada una del par de bobinas de inducción pasivas (24a, 24b) forma, respectivamente, unos primer y segundo circuitos pasivos, siendo seleccionada la impedancia de cada uno de los primer y segundo circuitos pasivos de manera tal, que cada uno de los primer y segundo circuitos pasivos tiene una frecuencia de resonancia diferente de la frecuencia de resonancia del circuito activo.

2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el material conductor de la electricidad (12a) está contenido en un crisol, y la frecuencia de resonancia de cada uno de los primer y segundo circuitos pasivos, así como la frecuencia de resonancia del circuito activo, se seleccionan de tal modo que el cambio de la frecuencia de salida de la fuente de suministro de potencia de ca (12) dirige potencia inducida a secciones o tramos del material conductor de la electricidad (12a) que no están sustancialmente en el estado fundido.

3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el material conductor de la electricidad (12a) es un susceptor asociado con un proceso de absorción de calor que absorbe calor por conducción o radiación, procedente del susceptor.

4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual el sistema de control modifica la frecuencia de salida de la fuente de suministro de potencia de ca (12) con el fin de dirigir potencia inducida a secciones seleccionadas del susceptor.

5. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual el sistema de control modifica la frecuencia de salida de la fuente de suministro de potencia de ca (12) durante múltiples periodos de tiempo a lo largo de un ciclo de control.

6. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye un sistema de control del nivel o magnitud de potencia, destinado a modificar selectivamente el nivel o magnitud de la potencia de salida de la fuente de suministro de potencia de ca (12) .

7. Un método para controlar el calentamiento o la fusión por inducción eléctrica de un material conductor de la electricidad (12a) rodeado, en al menos una primera región, por al menos una bobina de inducción activa (22a) que forma un circuito activo, y en al menos una segunda región, por al menos una bobina de inducción pasiva (24a, 24b) que forma un circuito pasivo con un elemento capacitivo (CTUNE1, CTUNE2) , de tal modo que el circuito pasivo tiene una frecuencia de resonancia diferente de cualquier frecuencia de resonancia del circuito activo, de forma que el método comprende las etapas de: suministrar una primera corriente ca al circuito activo desde una fuente de suministro de potencia (12) con el fin de generar un primer campo magnético alrededor de la al menos una bobina de inducción activa (22a) , de forma que el primer campo magnético se acopla magnéticamente con el material conductor de la electricidad (12a) sustancialmente en la al menos una primera región, el primer campo magnético se acopla magnéticamente con la al menos una bobina de inducción pasiva (24a, 24b) para inducir una segunda corriente ca en el circuito pasivo con el fin de generar un segundo campo magnético alrededor de la al menos una bobina de inducción pasiva (24a, 24b) , y el segundo campo magnético se acopla magnéticamente con el material conductor de la electricidad (12a) sustancialmente en la al menos una segunda región; caracterizado por formar la al menos una bobina de inducción activa (22a) a partir de una única bobina de inducción activa (22a) ; formar la al menos una bobina de inducción pasiva (24a, 24b) a partir de un par de bobinas de inducción pasivas (24a, 24b) ;

colocar una del par de bobinas de inducción pasivas (24a, 24b) adyacente a cada uno de los extremos opuestos de la sección de bobina de inducción activa única (22a) , a fin de formar, respectivamente un primer y un segundo circuitos pasivos;

seleccionar la impedancia de cada uno de los primer y segundo circuitos pasivos, de tal modo que cada uno de los primer y segundo circuitos pasivos tiene una frecuencia de resonancia diferente de la frecuencia de resonancia del circuito activo; y ajustar la frecuencia de la primera corriente ca para modificar la distribución de la potencia inducida aplicada a la bobina de inducción activa única y al par de bobinas de inducción pasivas.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 7, que incluye la etapa de solapar, disponer separadamente o arrollar en sentidos contrarios los extremos del par de bobinas de inducción pasivas (24a, 24b) adyacentes a los extremos opuestos de la bobina de inducción activa única (22a) .

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 7 o la reivindicación 8, que incluye las etapas de colocar el material conductor de la electricidad (12b) en un crisol y ajustar la frecuencia de la primera corriente ca para fundir secciones o tramos del material conductor de la electricidad (12b) que no están sustancialmente en el estado fundido.

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en el cual el material conductor de la electricidad (12b) es un susceptor, y que comprende adicionalmente la etapa de llevar a cabo un proceso de absorción de calor en las proximidades del susceptor, de tal manera que el proceso absorbe calor inducido en el susceptor por radiación o conducción.

11. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, que incluye la etapa de ajustar la frecuencia de la primera corriente ca de tal manera que el desplazamiento o corrimiento de fase entre las corrientes en el circuito activo y en los primer y segundo circuitos pasivos es aproximadamente igual a 90 grados eléctricos.

12. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, que incluye la etapa de modificar la frecuencia de salida de la fuente de suministro de potencia durante múltiples periodos de tiempo a lo largo de un ciclo de control.

13. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12, que incluye la etapa de ajustar la magnitud o nivel de la potencia de salida de la fuente de suministro de potencia (12) .