Procedimiento de calentamiento por inducción implementado en un dispositivo que comprende unos inductores acoplados magnéticamente.

Procedimiento de calentamiento por inducción implementado en un dispositivo de calentamiento de una pieza metálica,

comprendiendo el dispositivo unos inductores (Ind1, Ind2,..., Indp) acoplados magnéticamente, siendo alimentado cada inductor mediante un ondulador (O1, O2,..., Op) que le es propio y asociado a un condensador (C1, C2,..., Cp) para formar un circuito oscilante (OC1, OC2,..., OCp), teniendo dichos circuitos oscilantes aproximadamente al menos la misma frecuencia de resonancia, estando controlado cada ondulador por una unidad de control (M1, M2,..., Mp) de manera que varíe la amplitud (A1, A2,..., Ap) y la fase (j1, j2,..., jp) de la corriente (I1, I2,..., Ip) que atraviesa el inductor correspondiente, comprendiendo el dispositivo además unos medios de determinación de dicha corriente (I1, I2,..., Ip) así como unos medios de determinación de un perfil de temperatura efectivo (q1 med, q2 med,..., qn med) de dicha pieza metálica, comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes: a) se compara dicho perfil de temperatura efectivo (q1 med, q2 med,..., qn med) con un perfil de temperatura de referencia (q1 ref, q2 ref,..., qn ref), y se calcula un perfil de densidad de potencia (Dpref 1, Dpref 2,..., Dpref n) de referencia que el dispositivo de calentamiento debe inyectar en dicha pieza para alcanzar dicho perfil de temperatura de referencia;

b) a partir de una matriz de impedancias (Z), determinada mediante el conocimiento de las relaciones electromagnéticas que vinculan dichos inductores entre sí y a dicha pieza y mediante el conocimiento de funciones de imágenes vectoriales (fk) representativas de las relaciones que vinculan las densidades de corriente creadas por los inductores con las corrientes (I1, I2,..., Ip) que atraviesan los inductores, se calculan unas corrientes objetivo que deben suministrar los onduladores con el fin de que las corrientes de los inductores alcancen unos valores objetivo (I1 ref, I2 ref,..., Ip ref) apropiados para inyectar en dicha pieza dicho perfil de densidad de potencia de referencia (Dpref 1, Dpref 2,..., Dpref n);

c) se determinan las corrientes (I1 med, I2 med,..., Ip med) que atraviesan los inductores para compararlas con dichos valores objetivo (I1 ref, I2 ref,..., Ip ref) y determinar unas desviaciones de corriente (dI1 corr, dI2 corr,..., dIp corr) a corregir, y se envían a dichas unidades de control (M1, M2,..., Mp) unas instrucciones de corrección en función de dichas desviaciones de corriente con el fin de controlar los onduladores de manera que corrijan las corrientes que atraviesan los inductores.

Procedimiento de calentamiento por inducción implementado en un dispositivo que comprende unos inductores acoplados magnéticamente

Sector de la técnica

La presente invención se relaciona con un procedimiento de calentamiento por inducción implementado en un dispositivo de calentamiento de una pieza metálica tal como una chapa o una barra, comprendiendo el dispositivo unos inductores acoplados magnéticamente. Por acoplamiento magnético, se entiende que los inductores producen entre ellos inducciones mutuas.

Estado de la técnica

Las técnicas más clásicas de calentamiento por inducción implementan unas configuraciones que son satisfactorias cuando las piezas a calentar son siempre de la misma naturaleza y de las mismas dimensiones. Pero la industria exige cada vez más flexibilidad y productividad. Solicitan a las líneas de producción adaptarse en funcionamiento continuo al cambio de la posición o del formato de las piezas a calentar, y adaptar en función de este cambio el perfil de temperatura deseado.

Unas tecnologías conocidas permiten tener un control del calentamiento por zona de potencia inyectada, pero el control del perfil de temperatura en las zonas calentadas permanece ligado a la concepción geométrica de las bobinas y a su modo de alimentación, principalmente mediante la variación de la amplitud de las corrientes que se le inyectan. La determinación de estas corrientes y la regulación derivada de ella son fuertemente dependientes del acoplamiento magnético existente entre las bobinas debido a las inducciones mutuas, teniendo cada bobina alimentada influencia sobre todas las demás. El acoplamiento magnético convierte al control del perfil de temperatura de la pieza calentada en extremadamente delicado, sin contar con que puede tener unas repercusiones nefastas sobre los generadores de frecuencia, por ejemplo una rotura de los componentes.

La solicitud de patente WO /28787 A1 describe un sistema para calentar una pieza metálica tubular mediante unas bobinas de inducción alimentadas por medio de un circuito de interrupción de tipo regulador unido a una fuente de alimentación de tipo ondulador. Un circuito de control permite variar la duración de la potencia inyectada por la fuente de alimentación a cada bobina con el fin de calentar de modo diferenciado diferentes zonas de la pieza metálica a la vista de un perfil de temperatura buscado. La inyección de potencia en una bobina se efectúa por tanto en "todo o nada", es decir que se puede impedir en un ciclo correspondiente a varios periodos de la señal del ondulador. Este sistema presenta sin embargo unos inconvenientes, y en particular permite controlar solamente la potencia media producida por cada bobina sin que sea posible controlar con precisión el perfil de temperatura generado por las bobinas en la pieza calentada. Además, surge de este documento que la conexión de las bobinas y de los onduladores debe definirse en cierta medida en función de la carga y del perfil de temperatura a alcanzar. Por otro lado, este documento no menciona los acoplamientos magnéticos entre los circuitos ni la manera de superarlos o de tenerlos en cuenta.

La presente invención se dirige a resolver estos inconvenientes y a proporcionar un procedimiento de calentamiento que tenga en cuenta los numerosos acoplamientos, por un lado entre los diferentes inductores y por otro lado entre los inductores y la pieza a calentar, para permitir controlar con una buena precisión el perfil de temperatura generado por los inductores. La invención se dirige en particular a poder ajustar el calentamiento con diferentes perfiles de temperatura buscados en tiempo real, actuando sobre el control de los onduladores que alimentan los inductores y sin tener necesidad de ajustar la estructura de los inductores.

Objeto de la invención

Con este fin, la invención tiene por objetivo un procedimiento de calentamiento por inducción implementado en un dispositivo de calentamiento de una pieza metálica, comprendiendo el dispositivo unos inductores acoplados magnéticamente, siendo alimentado cada inductor mediante un ondulador que le es propio y asociado a un condensador para formar un circuito oscilante, teniendo dichos circuitos oscilantes aproximadamente al menos la misma frecuencia de resonancia, estando controlado cada ondulador por una unidad de control de manera que varíe la amplitud y la fase de la corriente que atraviesa el inductor correspondiente, comprendiendo el dispositivo además unos medios de determinación de dicha corriente así como unos medios de determinación de un perfil de temperatura efectivo de dicha pieza metálica, comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes:

a) se compara dicho perfil de temperatura efectivo con un perfil de temperatura de referencia, y se calcula un perfil de densidad de potencia de referencia que el dispositivo de calentamiento debe inyectar en dicha pieza para alcanzar dicho perfil de temperatura de referencia;

b) a partir de una matriz de impedancias, determina mediante el conocimiento de las relaciones electromagnéticas que vinculan dichos inductores entre sí y a dicha pieza y mediante el conocimiento de funciones de imágenes vectoriales representativas de las relaciones que vinculan las densidades de corriente

creadas por los inductores con las corrientes que atraviesan los inductores, se calculan unas corrientes objetivo que deben suministrar los onduladores con el fin de que las corrientes de los inductores alcancen unos valores objetivo apropiados para inyectar en dicha pieza dicho perfil de densidad de potencia de referencia;

c) se determinan las corrientes que atraviesan los inductores para compararlas con dichos valores objetivo y determinar unas desviaciones de corriente a corregir, y se envían a dichas unidades de control unas instrucciones de corrección en función de dichas desviaciones de corriente con el fin de controlar los onduladores de manera que corrijan las corrientes que atraviesan los inductores.

Gracias a estos dispositivos, se obtiene un control preciso del perfil de temperatura aplicado a la pieza calentada, lo que es ideal para calentar con un mismo dispositivo varias piezas de tamaño y de naturalezas diferentes.

En unos modos de realización preferidos de un procedimiento de calentamiento según la invención, se ha recurrido principalmente a una u otra de las disposiciones siguientes:

se determinan las capacidades de dichos condensadores, y se asocia dicha matriz de impedancias a un vector de las capacidades;

se determina un valor inicial de dicha matriz de impedancias para una temperatura media inicial dada de dichos inductores y de dicha pieza, posteriormente se determina a intervalos variables o periódicos la matriz de impedancias modificada para al menos un valor incrementado de dicha temperatura media, y se utiliza dicha matriz de impedancias modificada para recalcular dichos valores objetivo;

después de haber efectuado sucesivamente las etapas (a) y (b) se efectúa al menos una vez la etapa (c) para disminuir dichas desviaciones de corriente a corregir, posteriormente se reiteran al menos una vez las etapas (a), (b) y (c) actualizando dicho perfil de temperatura efectivo mediante unas mediciones de temperatura en diferentes zonas calentadas de la pieza;

para la determinación mediante cálculo de dichos valores objetivo en la etapa (b), gracias al conocimiento de dichas funciones de imágenes vectoriales, se calculan unas funciones imagen de las densidades de potencia según las características espaciales de las zonas de la pieza en las que dichas densidades de potencia se inyectan, y se calcula un vector optimizado de las corrientes objetivo a determinar minimizando la diferencia entre cada una de dichas funciones imagen de las densidades de potencia y una función de densidad de potencia de referencia que corresponde a dicho perfil de densidad de potencia de referencia;

se toma como ondulador de referencia un ondulador que tenga, con respecto a los otros onduladores, la corriente más alta en el caso de un ondulador de corriente o la tensión más alta en el caso de un ondulador de tensión, y se introducen unos ángulos de desfase en los controles de los otros onduladores con respecto a un ángulo de control en el ondulador de referencia;

se regula el ondulador de referencia con una relación cíclica igual a 2/3, con el fin de disminuir las perturbaciones armónicas creadas por este ondulador sobre sus vecinos;

se regula el valor eficaz de la corriente en dicho ondulador de referencia actuando sobre una alimentación continua que alimenta los onduladores.

La invención tiene también por objetivo un dispositivo de calentamiento por inducción que comprende:

unos inductores acoplados... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de calentamiento por inducción implementado en un dispositivo de calentamiento de una pieza metálica, comprendiendo el dispositivo unos inductores (Indi, Ind2,..., Indp) acoplados magnéticamente, siendo alimentado cada inductor mediante un ondulador (OI, 2,..., Op) que le es propio y asociado a un condensador (C1, C2,..., Cp) para formar un circuito oscilante (OC1, OC2,..., OCp), teniendo dichos circuitos oscilantes aproximadamente al menos la misma frecuencia de resonancia, estando controlado cada ondulador por una unidad de control (M1, M2,..., Mp) de manera que varíe la amplitud (Ai, A2,..., Ap) y la fase (q>i, q>2,..., q>p) de la corriente (h,

I2,..., IP) que atraviesa el inductor correspondiente, comprendiendo el dispositivo además unos medios de determinación de dicha corriente (h, I2,..., Ip) así como unos medios de determinación de un perfil de temperatura efectivo (61 med, 2med,..., n med) de dicha pieza metálica, comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes:

a) se compara dicho perfil de temperatura efectivo (i med, 2 med,..., n med) con un perfil de temperatura de referencia (1 ref, 2 ret,---, n ref), y se calcula un perfil de densidad de potencia (Dpre\, Dpref2,..., Dpre,n) de referencia que el dispositivo de calentamiento debe inyectar en dicha pieza para alcanzar dicho perfil de temperatura de referencia;

b) a partir de una matriz de impedancias (Z), determinada mediante el conocimiento de las relaciones electromagnéticas que vinculan dichos inductores entre sí y a dicha pieza y mediante el conocimiento de funciones de imágenes vectoriales (fe) representativas de las relaciones que vinculan las densidades de corriente creadas por los inductores con las corrientes (h, l2,..., IP) que atraviesan los inductores, se calculan unas corrientes objetivo que deben suministrar los onduladores con el fin de que las corrientes de los inductores alcancen unos valores objetivo (h ref, I2 ret,--., IP ret) apropiados para inyectar en dicha pieza dicho perfil de densidad de potencia de referencia (Dprefi, Dpref2,..., Dprefn);

c) se determinan las corrientes (I1 med, bmed,.--, lPmed) que atraviesan los inductores para compararlas con dichos valores objetivo (I1 ref, I2 ret,---, lP ret) y determinar unas desviaciones de corriente (5li corr, 5Í2 corr,..., 5IP Corr) a corregir, y se envían a dichas unidades de control (M1, M2,..., Mp) unas instrucciones de corrección en función de dichas desviaciones de corriente con el fin de controlar los onduladores de manera que corrijan las corrientes que atraviesan los inductores.

2. Procedimiento de calentamiento según la reivindicación 1, en el que se determinan las capacidades de dichos condensadores (C1, C2,..., Cp) y se asocia dicha matriz de impedancias (Z) a un vector (C) de las capacidades.

3. Procedimiento de calentamiento según la reivindicación 1 o 2, en el que se determina un valor inicial (Z)) de dicha matriz de impedancias (Z) para una temperatura media inicial (¡n¡) dada de dichos inductores y de dicha pieza, posteriormente se determina a intervalos variables o periódicos la matriz de impedancias modificada (Zmo<)) para al menos un valor incrementado (mOd) de dicha temperatura media, y se utiliza dicha matriz de impedancias modificada para recalcular dichos valores objetivo (h ret, I2 ret, - - -, lP ref)-

4. Procedimiento de calentamiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que después de haber efectuado sucesivamente las etapas (a) y (b) se efectúa al menos una vez la etapa (c) para disminuir dichas desviaciones de corriente (8I1 corr, I2 corr,-5IP corr) a corregir, posteriormente se reiteran al menos una vez las etapas (a), (b) y (c) actualizando dicho perfil de temperatura efectivo (1 med, 62 med,..., n med) mediante unas mediciones de temperatura en diferentes zonas calentadas de la pieza.

5. Procedimiento de calentamiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que para la determinación mediante cálculo de dichos valores objetivo (h ref, I2 ref, - -Ipref) en la etapa (b), gracias al conocimiento de dichas funciones de imágenes vectoriales (fe), se calculan unas funciones imagen de las densidades de potencia (Dp{r,x)) según las características espaciales (r) de las zonas de la pieza en las que dichas densidades de potencia se inyectan, y se calcula un vector optimizado (x) de las corrientes objetivo a determinar, minimizando la diferencia entre cada una de dichas funciones imagen de las densidades de potencia (Dp(r,x)) y una función de densidad de potencia de referencia (Dpref{r)) que corresponde a dicho perfil de densidad de potencia de referencia (Dpre\, Dpref2,..., DPrefn).

6. Procedimiento de calentamiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que se toma como ondulador de referencia un ondulador (1) que tenga, con respecto a los otros onduladores (2,..., Op), la corriente más alta en el caso de un ondulador de corriente o la tensión más alta en el caso de un ondulador de tensión, y se introducen unos ángulos de desfase en los controles de los otros onduladores con respecto a un ángulo de control en el ondulador de referencia.

7. Procedimiento de calentamiento según la reivindicación 6, en el que se regula el ondulador de referencia (1) con una relación cíclica igual a 2/3, con el fin de disminuir las perturbaciones armónicas creadas por este ondulador sobre sus vecinos (2,..., Op).

8. Procedimiento de calentamiento según la reivindicación 6 o 7, en el que se regula el valor eficaz de la corriente en dicho ondulador de referencia (1) actuando sobre una alimentación continua (1) que alimenta los onduladores (1,

2,..., Op).

9. Dispositivo de calentamiento por inducción que comprende:

unos inductores (Indi, Ind2,..., Indp) acoplados magnéticamente, estando asociado cada inductor a un condensador (C1, C2,..., Cp) para formar un circuito oscilante (OC1, OC2,..., OCp), teniendo dichos circuitos oscilantes al menos aproximadamente la misma frecuencia de resonancia;

unos onduladores (1, 2,..., Op) que alimentan cada uno un inductor (Indi, Ind2,..., Indp) que le es propio, estando controlado cada ondulador mediante una unidad de control (M1, M2,..., Mp) de manera que varíe la amplitud (Ai, A2,..., Ap) y la fase (cpi, tp2, -, <pP) de la corriente (h, I2,..., IP) que atraviesa el inductor correspondiente;

caracterizado por que comprende además:

unos medios de determinación de las corrientes (h, l2,..., IP) que atraviesan los inductores así como unos medios de determinación de un perfil de temperatura efectivo (1 med, 2 med,..., n med) de una pieza metálica calentada por el dispositivo;

unos medios de comparación de dicho perfil de temperatura efectivo (1 medí 2 medí , n med) con respecto a un perfil de temperatura de referencia (1 ref, 2ref,..., n ref);

unos medios de cálculo de un perfil de densidad de potencia de referencia (Dpre\, Dpref2,..., Dpre,n) que el dispositivo de calentamiento debe inyectar en dicha pieza para alcanzar dicho perfil de temperatura de referencia;

unos medios de cálculo, basados en el conocimiento de una matriz de impedancias (Z), de corrientes objetivo que deben suministrar los onduladores con el fin de que las corrientes de los inductores alcancen unos valores objetivo (h ref, I2 ref, - - -, lP ref) apropiados para inyectar en dicha pieza dicho perfil de densidad de potencia de referencia (Dpr 1, Dpref2,..., Dprefn);

unos medios de comparación (ei, £2,..., ep) de las corrientes (h med, I2 med,---, lP med) que atraviesan los inductores con respecto a dichos valores objetivo (h ref, I2 ref, - -lP ref), adecuados para determinar unas

desviaciones de corriente (8I1 oorr, SI2......... 8IP Prr) a corregir, y unos medios de tratamiento (CORR1,

CORR2,.., CORRp) de dichas desviaciones de corriente adecuados para generar unas instrucciones de corrección enviadas a dichas unidades de control (M1, M2,..., Mp) para controlar los onduladores de manera que corrijan las corrientes que atraviesan los inductores.

1. Dispositivo de calentamiento por inducción según la reivindicación 9, en el que se alimenta a los onduladores (1, 2,..., Op) mediante una misma alimentación (1) de fuente de corriente o fuente de tensión, y en el que dichos medios de comparación de dichas corrientes determinadas (h med, I2 med,---, lP med) que atraviesan los inductores comprenden unas unidades comparadoras (ei, £2,..., £P) que reciben cada una unos parámetros determinados (Ai, cpi; A2, cp2;...; AP, <pP) de una corriente que atraviesa un inductor (h med, I2 med,---, lP med) y unos parámetros de los valores objetivo correspondientes (h ref, I2 ref,- - -, lP ref) y estando conectada cada una a una unidad de tratamiento (CORR1, CORR2,.., CORRp) de dichas desviaciones de corriente, recibiendo además una (£1) de dichas unidades comparadoras unos parámetros (lc med, Iccaic) representativos de que se suministra dicha alimentación (1) y estando adaptada su unidad de tratamiento asociada (CORR1) para generar unas instrucciones de regulación enviadas a dicha alimentación (1) de manera que modifique la corriente o la tensión que suministra.