Suministro de potencia para un aparato de calentamiento por radiofrecuencia.

Suministro de potencia para un generador de RF, comprendiendo el suministro de potencia:

unos primeros medios (42) de suministro de potencia en modo conmutador, SMPS, y segundos medios SMPS (44) conectados en serie a los primeros medios SMPS por unos medios de bus de CC con unos medios de condensador (43) conectados entre salidas de los primeros medios SMPS y entre entradas de los segundos medios SMPS, estando conectadas las salidas de los segundos medios SMPS a una entrada de unos medios transformadores elevadores (45), estando conectada una salida de los medios transformadores elevadores a una entrada de unos medios rectificadores (46) y pudiendo conectarse una salida de los medios rectificadores a los medios generadores de RF (48), en donde una entrada del primer SMPS (42) puede conectarse a una entrada de potencia principal para ajustar un nivel de voltaje y corriente pico de funcionamiento para los medios generadores de RF (48) y el segundo SMPS (44) está dispuesto para alimentar los medios transformadores elevadores (45) y para funcionar con un ciclo de servicio variable y/o una frecuencia variable a fin de proporcionar un control de potencia media del generador de RF (48) .

Suministro de potencia para un aparato de calentamiento por radiofrecuencia Esta invención se refiere a un suministro de potencia para un aparato de calentamiento por radiofrecuencia.

El término “energía de RF” se utiliza aquí para energía electromagnética en cualquier parte del espectro desde LF hasta microondas inclusive.

La aplicación de energía de RF a materiales para producir calor o algún otro efecto deseado es una técnica bien conocida utilizada en procesos domésticos e industriales.

La figura 1 muestra una disposición típica de un horno de microondas doméstico bien conocido 100 que comprende un generador de microondas. En un horno de microondas 100, un magnetrón 11 es alimentado a través de un transformador T1, en donde un primer extremo de un devanado secundario 121 del transformador T1 se conecta a través de un condensador C1 a un cátodo 111 del magnetrón 11 y un segundo extremo del devanado secundario 121 del transformador T1 se conecta a un ánodo 112 del magnetrón 11. El ánodo 112 del magnetrón es usualmente puesto a tierra. Un diodo D1 está conectado entre el cátodo y el ánodo del magnetrón 11. Se aplica un voltaje de red monofásica a través de un interruptor S1 a un devanado primario 123 del transformador T1. En un semiciclo positivo de un suministro de red monofásica, entre los instantes T1 y T2 en un primer contacto de voltaje 101 de la figura 1, el condensador C1 se carga hasta +Vpk, sustancialmente igual a una salida de voltaje positivo máximo del devanado secundario del transformador T1. En un semiciclo negativo del suministro de red monofásica, entre los instantes T0 y T1 y entre los instantes T2 y T3 en el contacto 102 de la figura 1, se suman el voltaje de condensador en C1 y un voltaje negativo del devanado secundario que tienen un valor máximo –Vpk, para proporcionar un voltaje variable con un valor máximo de –Vk, y esto da como resultado un flujo de corriente variable hacia el magnetrón, mostrado en el contacto 103, con un valor máximo de Ipk y un valor medio Imedia. La corriente variable es una semionda senoidal recortada y usualmente tiene una relación de corriente pico Ipk a corriente media Imedia de aproximadamente tres.

El transformador T1 incorpora usualmente una reactancia de fuga no lineal para proporcionar una facilidad de conformación de corriente y un grado de regulación contra variaciones del voltaje de la red. Un segundo devanado secundario 122 está dispuesto también usualmente en el transformador T1 para alimentar un calentador de magnetrón 113, como se muestra en la figura 1.

El control de potencia del generador de RF es efectuado usualmente por cierre del interruptor S1 utilizando un sistema de control 13 conectado al mismo, típicamente por conexión de potencia durante un periodo de varios segundos seguido por desconexión de potencia durante varios segundos en ciclos repetidos.

Los sistemas en esta forma básica son bien conocidos y se comportan de manera satisfactoria para potencias moderadas, típicamente de hasta 1, 5 kW de entrada eléctrica media, suministrando el magnetrón un pulso de potencia RF con un valor pico de 3 kW y un valor medio de 1 kW.

Para potencias muy altas, por ejemplo una potencia media de 50 kW, es normal utilizar un suministro de red trifásica como fuente de potencia principal. Un ejemplo de tal sistema de alta potencia conocido típico 200 se muestra en la figura 2. Un suministro de red trifásica es introducido a través de un disyuntor 20 en un transformador de red 22 y entregado a un rectificador 23 de 6 impulsos. Esta disposición produce un voltaje relativamente suave con baja ondulación. Sin embargo, cuando un magnetrón 21 tiene un tipo de carga de diodo polarizado, un pequeño cambio en el voltaje debido a un voltaje ondulado produce un cambio mucho mayor en la corriente. Para producir corriente regular en el magnetrón 21 se utiliza una bobina de reactancia grande 24 como filtro entre una primera salida 231 del rectificador 23 de 6 impulsos y un cátodo K del magnetrón 21.

Un voltaje de arranque del magnetrón 21 es función de una resistencia de campo magnético aplicada al mismo. Modificando un campo magnético, el voltaje de funcionamiento del magnetrón puede elevarse o reducirse, y así puede variarse una demanda de potencia del magnetrón sin ninguna característica de control del suministro de potencia principal. El campo magnético se modifica utilizando un suministro de potencia controlable, tal como un controlador SCR 29, para variar una corriente suministrada a un solenoide 28 dispuesto para aplicar el campo magnético al magnetrón 21. Con magnetrones de alta potencia es también usual variar un voltaje aplicado a un calentador H del magnetrón 21 para optimizar una temperatura del cátodo K, y esto se lleva a cabo por un controlador SCR 27 del calentador que opera sobre un devanado primario de un transformador 26 del calentador, estando conectado un devanado secundario del transformador del calentador entre el cátodo K y el calentador H del magnetrón 21.

Con ambos sistemas conocidos estándar previamente descritos es posible una pluralidad de variaciones. Por ejemplo, se conoce el uso de un solo suministro de potencia en modo conmutado (SMPS) en ambas aplicaciones de baja potencia y de alta potencia.

Una desventaja con las disposiciones conocidas es que si un generador de RF chisporrotea internamente, es bastante considerable una cantidad de energía que puede pasar a través de la chispa hacia el dispositivo generador de RF y el riesgo de daños al tubo 11, 21 es alto. Ningún circuito es muy adecuado para la interrupción rápida o el restablecimiento de potencia en el generador de RF. Esto se debe a una lenta respuesta de un contactor S1, 20 al interrumpir la potencia y a la energía almacenada en un filtro 24 y en componentes de alisamiento asociados con el proceso de rectificación.

Un solo suministro de potencia en modo conmutado consigue reducción de ondulación con mucha menos energía almacenada en los filtros, pero la energía puede ser todavía significativa y la parada del sistema y el rearranque pueden llevar todavía varios segundos, dando así como resultado una interrupción indeseable de un proceso que utiliza el generador de RF.

La mayoría de generadores de RF y, particularmente, los magnetrones, producen una conversión óptima de energía eléctrica en energía de salida de RF sobre un pequeño rango de funcionamiento de corriente y voltaje. Así, es deseable un método de control de potencia que mantenga el generador de RF en su eficiencia óptima, pero permita que se obtenga todavía un control de potencia media de amplio rango.

Es deseable que la demanda de potencia de la instalación eléctrica sea de buena calidad. El factor de potencia más deseable es 1. Esto implica que una potencia de absorción de carga tenga características de un resistor lineal. Con los rectificadores, descritos inexactamente como cualquier dispositivo que convierte CA en CC, la distorsión armónica de la red es un efecto secundario bien entendido y un problema gradualmente creciente para las compañías eléctricas, ya que se toma un porcentaje mayor de potencia por parte de dispositivos electrónicos que da como resultado un contenido armónico alto del suministro de potencia. Como ejemplo, un rectificador trifásico de 6 pulsos comúnmente utilizado tiene un factor de potencia de alrededor de 0, 95, pero produce alrededor del 25% de distorsión armónica en el suministro de la red. Un SMPS apropiadamente diseñado tendría un factor de potencia de 0, 99 y una distorsión armónica adicional de la red puede estar sólo en 1% o 2%. Un suministro de potencia para un generador de RF requiere así un factor de potencia muy bueno (>0, 98) y una distorsión armónica muy baja, preferiblemente de menos de 4% El sistema 100 ilustrado en la figura 1 puede ser bastante aceptable, pero podría mejorarse. El sistema de alta potencia 200 de la figura 2 deja mucho que desear y en muchas situaciones no cumple los requisitos regulatorios.

El sistema 100 de la figura 1 proporciona impulsos de energía, pero sólo como subproducto de su método de funcionamiento. Un sistema que pudiera proporcionar una entrada de energía de RF de una potencia media (Pave) , pero con una potencia pico especificada (Ppk) , puede aportar beneficios añadidos a un proceso dado.

Es un objeto de la presente invención al menos mejorar las desventajas antes mencionadas de la técnica anterior.

Según la invención, se proporciona un suministro de potencia para un generador... [Seguir leyendo]

1. Suministro de potencia para un generador de RF, comprendiendo el suministro de potencia: unos primeros medios (42) de suministro de potencia en modo conmutador, SMPS, y segundos medios SMPS (44) conectados en serie a los primeros medios SMPS por unos medios de bus de CC con unos medios de condensador (43) conectados entre salidas de los primeros medios SMPS y entre entradas de los segundos medios SMPS, estando conectadas las salidas de los segundos medios SMPS a una entrada de unos medios transformadores elevadores (45) , estando conectada una salida de los medios transformadores elevadores a una entrada de unos medios rectificadores (46) y pudiendo conectarse una salida de los medios rectificadores a los medios generadores de RF (48) , en donde una entrada del primer SMPS (42) puede conectarse a una entrada de potencia principal para ajustar un nivel de voltaje y corriente pico de funcionamiento para los medios generadores de RF (48) y el segundo SMPS (44) está dispuesto para alimentar los medios transformadores elevadores (45) y para funcionar con un ciclo de servicio variable y/o una frecuencia variable a fin de proporcionar un control de potencia media del generador de RF (48) .

2. Suministro de potencia según la reivindicación 1, en el que una salida de los medios rectificadores (46) está conectada a los medios generadores de RF sin medios de filtrado o medios de alisamiento entre ellos, de modo que se almacene sólo una energía mínima por el suministro de potencia para que el segundo SMPS pueda desconectarse rápidamente.

3. Suministro de potencia según la reivindicación 2, en el que los segundos medios SMPS (44) pueden desconectarse en menos de dos microsegundos.

4. Suministro de potencia según las reivindicaciones 1 o 2, que comprende además unos medios de control (413) dispuestos para vigilar una corriente que pasa a través del generador de RF y para controlar los medios SMPS primeros y segundos (42, 44) .

5. Suministro de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene un factor de potencia de al menos 0, 98%.

6. Suministro de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, concebido para dar como resultado una distorsión armónica de la entrada de potencia principal de menos del 4%.

7. Suministro de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, concebido para alimentar un generador de RF (48) de un magnetrón y que comprende medios de suministro (47) de calentador para alimentar un calentador del magnetrón, en donde los medios de control (413) están dispuestos para controlar los medios de suministro del calentador.

8. Suministro de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en el que los medios de control (413) están dispuestos para desconectar los segundos medios SMPS (44) al detectarse por los medios de control un aumento repentino de potencia a través del generador de RF (48) y posteriormente para conectar los segundos medios SMPS.

9. Suministro de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en el que los medios de control están provistos de medios de control de amplitud y medios de control de ciclo de servicio.

10. Suministro de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, que comprende además unos medios de generación de campo magnético (49) para aplicar un campo magnético al generador de RF (48) , en donde los medios de control (413) están dispuestos para controlar los medios de generación de campo magnético.

11. Suministro de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, que comprende además unos medios contactores (41) para conmutar la entrada de potencia principal al primer SMPS (42) , en donde los medios contactores están dispuestos para ser controlados por los medios de control (413) .

12. Suministro de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, concebido para una entrada de potencia principal trifásica.

13. Suministro de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, concebido para funcionar con una relación de potencia pico a media en un rango de 1 a 100.