Una fuente (10) de suministro de energía para calentar o fundir de manera inductiva un material eléctricamente conductor,

donde la fuente de suministro de energía comprende: un rectificador (14) para convertir una potencia de entrada de corriente alterna (A, B, C) en una potencia de salida de corriente continua en la salida del rectificador (14), donde la salida del rectificador (14) comprende un bus (DC+) de corriente continua positivo y un bus (DC-) de corriente continua negativo; un inversor (20) que tiene una entrada de corriente continua conectada a la salida del rectificador (14), donde el inversor (20) comprende un primer par de montajes interruptor/diodo primero (S1/D1) y tercero (S3/D3) y un segundo par de montajes interruptor/diodo segundo (S2/D2) y cuarto (S4/D4), donde los cuatro montajes interruptor/diodo (S1/D1, S2/D2, S3/D3, S4/D4) forman un inversor de puente completo, donde los montajes interruptor/diodo primero y segundo (S1/D1, S2/D2) tienen cada uno de ellos un primer terminal, donde los dos primeros terminales forman una entrada (1) de corriente continua positiva del inversor, donde la entrada (1) de corriente continua positiva del inversor está conectada al bus (DC+) de corriente continua positivo, y los montajes interruptor/diodo tercero y cuarto (S3/D3, S4/D4) tienen cada uno de ellos un primer terminal, donde los dos primeros terminales forman una entrada (2) de corriente continua negativa del inversor, donde la entrada (2) de corriente continua negativa del inversor está conectada al bus (DC-) de corriente continua negativo, donde los montajes interruptor/diodo primero y cuarto (S1/D1, S4/D4) tienen un segundo terminal conectado en común para formar una primera conexión (AC1) de salida de corriente alterna del inversor, donde los montajes interruptor/diodo segundo y tercero (S2/D2, S3/D3) tienen un segundo terminal conectado en común para formar una segunda conexión (AC2) de salida de corriente alterna del inversor, donde el inversor (20) que convierte la potencia de salida de corriente continua del rectificador (14) en una corriente alterna de salida suministrada a una salida de la fuente de suministro de energía, donde la corriente alterna de salida tiene una frecuencia igual a la frecuencia de funcionamiento del inversor (20); y al menos un condensador (C1) de sintonización que tiene un primer terminal (60) y un segundo terminal (62) del condensador de sintonización, donde el primer terminal (60) y el segundo terminal (62) del condensador de sintonización están conectados entre los bornes de la entrada (1) de corriente continua positiva del inversor y la entrada (2) de corriente continua negativa del inversor, respectivamente; y al menos una bobina (L9) de carga inductiva conectada entre los bornes de la primera conexión (AC1) y la segunda conexión (AC2) de salida de corriente alterna del inversor, donde la al menos una bobina (L9) de carga inductiva tiene una inductancia de manera que está en resonancia al menos de manera aproximada con el al menos un condensador (C1) de sintonización a la frecuencia de funcionamiento del inversor (20), por lo que el material eléctricamente conductor es calentado o fundido de manera inductiva por un campo magnético generado a partir del flujo de corriente alterna de salida a través de la al menos una bobina (L9) de carga inductiva; en la que la conexión entre el primer terminal (60) del condensador de sintonización y la entrada (1) de corriente continua positiva del inversor está formada a partir de una lámina (30) delgada eléctricamente conductora, la conexión entre el segundo terminal (62) del condensador de sintonización y la entrada (2) de corriente continua negativa está formada a partir de una segunda lámina (34) delgada eléctricamente conductora, donde la primera lámina (30) eléctricamente conductora y la segunda lámina (34) eléctricamente conductora están separadas por una capa delgada de un aislante (33) eléctrico de alta rigidez dieléctrica y se unen para formar una conexión de baja inductancia

Suministro de energía de calentamiento o fusión por inducción utilizando un condensador de sintonización Campo de la invención La presente invención se refiere a una fuente de suministro de energía de corriente alterna para ser utilizada en aplicaciones de calentamiento o fusión por inducción en las que el circuito de potencia de inducción está sintonizado por resonancia.

Antecedentes de la invención

La Figura 1 muestra una fuente 110 de suministro de energía convencional que se utiliza en aplicaciones de calentamiento o fusión por inducción. La fuente de suministro de energía consiste en un rectificador de corriente alterna a corriente continua y una sección 112 de filtro, una sección 120 de inversor de corriente continua a corriente alterna y una sección 130 de condensador de sintonización. En la fuente de suministro de energía mostrada en la Figura 1, un rectificador 114 trifásico en puente de diodos convierte una potencia de alimentación de línea de corriente alterna trifásica (A, B, C) en potencia de corriente continua. La reactancia L108 de limitación de corriente suaviza el rizado en la corriente continua de salida del rectificador, y el condensador C108 filtra la componente de corriente alterna de la tensión de corriente continua de salida del rectificador. La salida de corriente continua filtrada del rectificador es invertida a corriente alterna por un inversor de puente completo que está constituido por interruptores S101, S102, S103 y S104 de estado sólido y diodos D101, D102, D103 y D104 asociados en antiparalelo con los interruptores respectivos. Los ciclos alternativos de encendido/apagado de los pares de interruptores S101/S103 y S102/S104 producen una salida de corriente alterna sintetizada en el inversor en los terminales 3 y 4.

La bobina L101 de carga inductiva representa la bobina de potencia utilizada en las aplicaciones de calentamiento o fusión por inducción. Por ejemplo, en un horno de inducción, la bobina L101 de carga está arrollada alrededor del exterior de un crisol en el que se ha situado la carga de metal. En una aplicación de calentamiento por inducción, una pieza de trabajo de metal, tal como una cinta o un alambre, deben viajar a través de un arrollamiento helicoidal de la bobina L101 de carga, que crea un campo magnético que bien calienta directamente la carga de metal o la pieza de trabajo por inducción magnética, o bien calienta la pieza de trabajo por conducción de calor desde un susceptor que se calienta mediante inducción magnética. La bobina L101 de carga, ya sea una única espira o un montaje de secciones de espiras interconectadas, tiene un factor de potencia de funcionamiento muy bajo. Debido a esto, debe incluirse un condensador (o un banco de condensadores) de sintonización en el circuito de la bobina de carga, tal como el condensador C101, con el fin de mejorar el factor de potencia global del circuito de la bobina de carga. Estos condensadores de sintonización suponen un coste significativo y un componente de volumen significativo de la fuente de suministro de energía. Por consiguiente, existe la necesidad de que una fuente de suministro de energía para aplicaciones de calentamiento o fusión por inducción utilice condensadores de sintonización más pequeños y menos costosos.

Un objetivo de la presente invención es crear una fuente de suministro de energía para aplicaciones de calentamiento o fusión por inducción que utiliza un condensador conectado entre la salida del rectificador y la entrada del inversor para formar un circuito resonante sintonizado con la bobina de carga inductiva utilizada en la aplicación.

Breve resumen de la invención

La presente invención crea una fuente de suministro de energía de acuerdo con la reivindicación 1 y un método de acuerdo con la reivindicación 6, a las que se debe hacer referencia a continuación. Las características propias preferidas pero opcionales de la invención son como las que se reivindican en las reivindicaciones 2 a 5 y 6 a 8.

En un aspecto, la presente invención constituye un equipo para, y un método de, proporcionar una fuente de suministro de energía que incluye secciones de rectificación y de inversión para ser utilizada con una bobina de carga inductiva, en la que se incluye un condensador de sintonización entre la salida del rectificador y la entrada del inversor para formar un circuito resonante con la bobina de carga inductiva. La bobina de carga inductiva puede estar constituida por una bobina de carga activa conectada a la salida del inversor, y por una bobina de carga pasiva conectada en paralelo con un condensador para formar un circuito tanque.

Breve descripción de los dibujos Para propósitos de ilustración de la invención, en los dibujos se muestra una forma que es actualmente preferida; debe entenderse, sin embargo, que esta invención no está limitada a las disposiciones precisas y a la instrumentación mostrada.

La Figura 1 es un diagrama esquemático de una fuente de suministro de energía de la técnica anterior con un inversor de puente completo que se utiliza en aplicaciones de calentamiento y fusión por inducción.

La Figura 2 es un diagrama esquemático de un ejemplo de la fuente de suministro de energía de la presente invención para ser utilizada en aplicaciones de calentamiento o fusión por inducción.

La Figura 3 es un diagrama de formas de onda que muestra la tensión de salida del inversor y la corriente de salida del inversor correspondientes a un ejemplo de la fuente de suministro de energía de la presente invención.

La Figura 4 es un diagrama de formas de onda que muestra la tensión entre los bornes de un condensador de sintonización y la corriente que atraviesa una reactancia de filtrado de línea utilizada en un ejemplo de la fuente de suministro de energía de la presente invención.

La Figura 5 es un diagrama de formas de onda que muestra la tensión entre los bornes de un dispositivo de conmutación utilizado en el inversor en un ejemplo de la fuente de suministro de energía de la presente invención, así como la corriente que lo atraviesa.

La Figura 6 es un diagrama esquemático de otro ejemplo de la fuente de suministro de energía de la presente invención para ser utilizada en aplicaciones de calentamiento o fusión por inducción.

La Figura 7 es un diagrama vectorial que muestra las ventajas de un sistema de calentamiento o fusión por inducción que utiliza la fuente de suministro de energía de la presente invención usando el sistema de bobina de carga mostrado en la Figura 6.

La Figura 8 es un diagrama esquemático de otro ejemplo de la fuente de suministro de energía de la presente invención para ser utilizada en aplicaciones de calentamiento o fusión por inducción.

La Figura 9 es una vista en perspectiva de un ejemplo de disposición física del inversor y el condensador de sintonización utilizados en la fuente de suministro de energía de la presente invención.

La Figura 10 es una vista superior de un ejemplo de disposición física del inversor utilizado en la fuente de suministro de energía de la presente invención.

La Figura 11 (a) es una vista en sección transversal de la disposición física del inversor mostrado en la Figura 10 a lo largo de la línea A-A.

La Figura 11 (b) es un detalle ampliado de la sección transversal de la vista mostrada en la Figura 11 (a) .

La Figura 12 (a) es una vista en perspectiva de un condensador de película típico.

La Figura 12 (b) es una sección transversal del condensador de película mostrado la Figura 12 (a) .

La Figura 13 (a) y la Figura 13 (b) muestran un ejemplo de la disposición física del condensador de sintonización mostrado en la Figura 9.

La Figura 14 es otro ejemplo de disposición física del condensador de sintonización mostrado la Figura 9.

La Figura 15 es otro ejemplo de disposición física del condensador de sintonización mostrado en la Figura 9.

La Figura 16 es otro ejemplo de disposición física del condensador de sintonización mostrado en la Figura 9.

Descripción detallada de la invención En referencia a los dibujos, en los que números similares indican elementos similares, la Figura 2 muestra una ilustración de un ejemplo de fuente 10 de suministro de energía de la presente invención para ser utilizada en aplicaciones de calentamiento o fusión por inducción. La sección 12 de rectificador de corriente... [Seguir leyendo]

1. Una fuente (10) de suministro de energía para calentar o fundir de manera inductiva un material eléctricamente conductor, donde la fuente de suministro de energía comprende: un rectificador (14) para convertir una potencia de entrada de corriente alterna (A, B, C) en una potencia de salida de corriente continua en la salida del rectificador (14) , donde la salida del rectificador (14) comprende un bus (DC+) de corriente continua positivo y un bus (DC-) de corriente continua negativo; un inversor (20) que tiene una entrada de corriente continua conectada a la salida del rectificador (14) , donde el inversor (20) comprende un primer par de montajes interruptor/diodo primero (S1/D1) y tercero (S3/D3) y un segundo par de montajes interruptor/diodo segundo (S2/D2) y cuarto (S4/D4) , donde los cuatro montajes interruptor/diodo (S1/D1, S2/D2, S3/D3, S4/D4) forman un inversor de puente completo, donde los montajes interruptor/diodo primero y segundo (S1/D1, S2/D2) tienen cada uno de ellos un primer terminal, donde los dos primeros terminales forman una entrada (1) de corriente continua positiva del inversor, donde la entrada (1) de corriente continua positiva del inversor está conectada al bus (DC+) de corriente continua positivo, y los montajes interruptor/diodo tercero y cuarto (S3/D3, S4/D4) tienen cada uno de ellos un primer terminal, donde los dos primeros terminales forman una entrada (2) de corriente continua negativa del inversor, donde la entrada (2) de corriente continua negativa del inversor está conectada al bus (DC-) de corriente continua negativo, donde los montajes interruptor/diodo primero y cuarto (S1/D1, S4/D4) tienen un segundo terminal conectado en común para formar una primera conexión (AC1) de salida de corriente alterna del inversor, donde los montajes interruptor/diodo segundo y tercero (S2/D2, S3/D3) tienen un segundo terminal conectado en común para formar una segunda conexión (AC2) de salida de corriente alterna del inversor, donde el inversor (20) que convierte la potencia de salida de corriente continua del rectificador (14) en una corriente alterna de salida suministrada a una salida de la fuente de suministro de energía, donde la corriente alterna de salida tiene una frecuencia igual a la frecuencia de funcionamiento del inversor (20) ; y al menos un condensador (C1) de sintonización que tiene un primer terminal (60) y un segundo terminal (62) del condensador de sintonización, donde el primer terminal (60) y el segundo terminal (62) del condensador de sintonización están conectados entre los bornes de la entrada (1) de corriente continua positiva del inversor y la entrada (2) de corriente continua negativa del inversor, respectivamente; y al menos una bobina (L9) de carga inductiva conectada entre los bornes de la primera conexión (AC1) y la segunda conexión (AC2) de salida de corriente alterna del inversor, donde la al menos una bobina (L9) de carga inductiva tiene una inductancia de manera que está en resonancia al menos de manera aproximada con el al menos un condensador (C1) de sintonización a la frecuencia de funcionamiento del inversor (20) , por lo que el material eléctricamente conductor es calentado o fundido de manera inductiva por un campo magnético generado a partir del flujo de corriente alterna de salida a través de la al menos una bobina (L9) de carga inductiva; en la que la conexión entre el primer terminal (60) del condensador de sintonización y la entrada (1) de corriente continua positiva del inversor está formada a partir de una lámina (30) delgada eléctricamente conductora, la conexión entre el segundo terminal (62) del condensador de sintonización y la entrada (2) de corriente continua negativa está formada a partir de una segunda lámina (34) delgada eléctricamente conductora, donde la primera lámina (30) eléctricamente conductora y la segunda lámina (34) eléctricamente conductora están separadas por una capa delgada de un aislante (33) eléctrico de alta rigidez dieléctrica y se unen para formar una conexión de baja inductancia.

2. Una fuente de suministro de energía de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la al menos una bobina (L9) de carga inductiva comprende adicionalmente una bobina (L1) de carga inductiva activa y una al menos una bobina (L2) de carga inductiva pasiva, donde la al menos una bobina (L2) de carga inductiva pasiva no está conectada a la bobina (L1) de carga inductiva activa, donde la al menos una bobina (L2) de carga inductiva pasiva está conectada en paralelo con al menos un condensador (C2) de sintonización de circuito resonante pasivo para formar un circuito tanque resonante paralelo, donde la bobina (L2) de carga inductiva pasiva está acoplada magnéticamente con la bobina (L1) de carga inductiva activa cuando la corriente alterna de salida fluye a través de la bobina (L1) de carga inductiva activa para inducir una corriente alterna secundaria en el circuito tanque resonante paralelo, donde la impedancia de la combinación de la bobina (L1) de carga inductiva activa y el circuito tanque resonante paralelo está en resonancia al menos aproximadamente con la impedancia del al menos un condensador (C1) de sintonización a la frecuencia de funcionamiento del inversor.

3. Una fuente de suministro de energía de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el al menos un condensador (C1) de sintonización comprende una pluralidad de condensadores (60a, 60b) de película arrollada, donde cada uno de los condensadores (60a, 60b) de película arrollada de la pluralidad de condensadores de película arrollada tiene unos conductores primero (61) y segundo (63) del condensador, donde todos los primeros conductores (61) del condensador están conectados a una primera lámina (66) eléctricamente conductora del condensador, y donde todos los segundos conductores (63) del condensador están conectados a una segunda lámina (68) eléctricamente conductora, donde las láminas eléctricamente conductoras primera (66) y segunda (68) del condensador están separadas por una capa delgada de un aislante (67) eléctrico de alta rigidez dieléctrica y se unen para formar una conexión de baja inductancia, donde la primera lámina (66) eléctricamente conductora del condensador forma el primer terminal (60) del condensador de sintonización, y la segunda lámina (68) eléctricamente conductora del condensador forma el segundo terminal (62) del condensador de sintonización.

4. Una fuente de suministro de energía de acuerdo con la reivindicación 3, en la que la pluralidad de condensadores (60a, 60b) de película arrollada comprende un primer grupo (60a) de condensadores de película arrollada, donde cada uno de los condensadores (60a) de película arrollada del primer grupo tiene sus primeros conductores (61) del condensador en contacto con la primera lámina (66) eléctricamente conductora del condensador, y un segundo grupo (60b) de condensadores de película arrollada, donde cada uno de los condensadores (60b) de película arrollada del segundo grupo tiene sus primeros conductores (61) del condensador en contacto con la segunda lámina (68) eléctricamente conductora del condensador, donde cada uno de los condensadores (60a) de película arrollada del primer grupo tiene sus segundos conductores (63) en contacto con la segunda lámina (68) eléctricamente conductora del condensador, y cada uno de los condensadores (60b) de película arrollada del segundo grupo tiene sus primeros conductores (61) del condensador en contacto con la segunda lámina (68) eléctricamente conductora del condensador.

5. Una fuente de suministro de energía de acuerdo con la reivindicación 4, en la que al menos bien la primera lámina (66) eléctricamente conductora del condensador o bien la segunda lámina (68) eléctricamente conductora del condensador están encastrados a presión al menos parcialmente sobre cada uno de la pluralidad de condensadores (60a, 60b) .

6. Un método para calentar o fundir de manera inductiva un material eléctricamente conductor, donde el método comprende los pasos de rectificar una potencia de entrada de corriente alterna en una potencia de salida de corriente continua en la salida de un rectificador (14) , donde la salida del rectificador (14) comprende un bus (DC+) de corriente continua positivo y un bus de corriente continua negativo, que forman un inversor (20) a partir de un primer par de montajes interruptor/diodo primero (S1/D1) y tercero (S3/D3) y un segundo par de montajes interruptor/diodo segundo (S2/D2) y cuarto (S4/D4) , donde los cuatro montajes interruptor/diodo (S1/D1, S2/D2, S3/D3, S4/D4) forman un inversor de puente completo donde los montajes interruptor/diodo primero y segundo (S1/D1, S2/D2) tienen cada uno de ellos un primer terminal, donde los dos primeros terminales forman una entrada (1) de corriente continua positiva del inversor, donde la entrada (1) de corriente continua positiva del inversor está conectada al bus (DC+) de corriente continua positivo, y los montajes interruptor/diodo tercero y cuarto (S3/D3, S4/D4) tienen cada uno de ellos un primer terminal, donde los dos primeros terminales forman una entrada (2) de corriente continua negativa del inversor, donde la entrada (2) de corriente continua negativa del inversor está conectada al bus (DC-) de corriente continua negativo, donde los montajes interruptor/diodo primero y cuarto (S1/D1, S4/D4) tienen un segundo terminal conectado en común para formar una primera conexión (AC1) de salida de corriente alterna del inversor, donde los montajes interruptor/diodo segundo y tercero (S2/D2, S3/D3) tienen un segundo terminal conectado en común para formar una segunda conexión (AC2) de salida de corriente alterna del inversor, donde el inversor (20) que convierte la potencia de salida de corriente continua del rectificador (14) en una corriente alterna de salida suministrada a una salida de la fuente de suministro de energía, donde la corriente alterna de salida tiene una frecuencia igual a la frecuencia de funcionamiento del inversor (20) ; conectando un al menos un condensador (C1) de sintonización que tiene un primer terminal (60) y un segundo terminal (62) del condensador de sintonización, a través de las entradas positiva (1) y negativa (2) de corriente continua del inversor, conectando las salidas primera (AC1) y segunda (AC2) de corriente alterna del inversor a una al menos una bobina (L9) de carga inductiva para generar un campo magnético que se acopla magnéticamente con el material eléctricamente conductor para calentar o fundir de manera inductiva el material eléctricamente conductor, y formando un circuito al menos aproximadamente resonante a la frecuencia de funcionamiento del inversor (20) con la al menos una bobina (L9) de carga inductiva y el al menos un condensador (C1) de sintonización; en la que la primera conexión entre el primer terminal (60) del condensador de sintonización y la entrada (1) de corriente continua positiva del inversor está formada a partir de una lámina (30) delgada eléctricamente conductora, la segunda conexión entre el segundo terminal (62) del condensador de sintonización y la entrada (2) de corriente continua negativa está formada a partir de una segunda lámina (34) delgada eléctricamente conductora; separando las láminas primera (30) y segunda (34) delgadas eléctricamente conductoras mediante una capa delgada de aislante (33) eléctrico de alta rigidez dieléctrica; y uniendo las láminas primera (30) y segunda (34) delgadas eléctricamente conductoras junto con la capa delgada interpuesta de aislante (33) eléctrico de alta rigidez dieléctrica para formar una conexión de baja inductancia.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, que incluye los pasos de: acoplar de manera inductiva una bobina (L2) de carga inductiva pasiva al campo magnético generado por la al menos una bobina (L9) de carga inductiva, donde la bobina (L2) de carga inductiva pasiva está conectada en paralelo con al menos un condensador (C2) de sintonización de circuito resonante pasivo para formar un circuito tanque resonante paralelo; y formar un circuito al menos aproximadamente resonante a la frecuencia de funcionamiento del inversor con la impedancia de la combinación de la al menos una bobina (L9) de carga inductiva y el circuito tanque resonante paralelo, y el al menos un condensador (C1) de sintonización.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, que incluye los pasos de: formar el al menos un condensador (C1) de sintonización a partir de una pluralidad de condensadores (60a, 60b) de película arrollada; conectar un primer terminal (61) del condensador de película arrollada de cada uno de la pluralidad de condensadores de película arrollada a un primer conductor (66) de conexión del condensador de sintonización, donde el primer conductor (66) de conexión del condensador de sintonización está formado a partir de una tercera lámina delgada eléctricamente conductora; conectar un segundo terminal (63) del condensador de película arrollada de cada uno de la pluralidad de condensadores de película arrollada a un segundo conductor (68) de conexión del condensador de sintonización, donde el segundo conductor (68) de conexión del condensador de sintonización está formado a partir de una cuarta lámina delgada eléctricamente conductora; separar las láminas delgadas eléctricamente conductoras tercera y cuarta mediante una capa delgada de un aislante (67) eléctrico de alta rigidez dieléctrica; unir las láminas delgadas eléctricamente conductoras tercera (66) y cuarta (68) juntas con la capa delgada interpuesta de aislante (67) eléctrico de alta rigidez dieléctrica para formar una conexión de baja inductancia; formar el primer terminal (61) del condensador de sintonización a partir de la tercera lámina delgada eléctricamente conductora; y formar el segundo terminal (63) del condensador de sintonización a partir de la cuarta lámina delgada eléctricamente conductora.