11 Número de publicación: Int. Cl.: 74 Agente: Ungría López, Javier

Transcripción

1 19 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA 11 Número de publicación: Int. Cl.: H0B 6/06 ( ) H0B 6/04 ( ) H0B 6/02 ( ) 12 TRADUCCIÓN DE PATENTE EUROPEA T3 86 Número de solicitud europea: Fecha de presentación : Número de publicación de la solicitud: Fecha de publicación de la solicitud: Título: Método para la alimentación de un horno de inducción o un inductor. 30 Prioridad: DE Titular/es: ABP Induction Systems GmbH Kanalstrasse Dortmund, DE 4 Fecha de publicación de la mención BOPI: Inventor/es: Ibach, Robert; Fabianowski, Jan y Dzieniakowski, Maciej, A. 4 Fecha de la publicación del folleto de la patente: Agente: Ungría López, Javier ES T3 Aviso: En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletín europeo de patentes, de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposición (art del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas). Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. Pº de la Castellana, Madrid

2 DESCRIPCIÓN Método para la alimentación de un horno de inducción o un inductor La invención se refiere a un método para la alimentación de un horno de inducción o un inductor de acuerdo con los términos generales de la reivindicación 1. Por el documento WO 01/2602 A se conocen un dispositivo y un método para el calentamiento inductivo, en los que un combinador ejerce su acción sobre un convertidor de resonancia en dependencia de una potencia predeterminada de frecuencia variable y con un ciclo de conmutación de ENCENDIDO/APAGADO variable, y en los que se conmuta en el pasaje por cero de la tensión. Por el documento US-B se conocen un dispositivo y un método para la generación de potencia resonante en un sistema de calentamiento por inducción, en los que se aplica una fuente de corriente conectada en serie y se emplea un denominado cambio suave en el pasaje por cero de la tensión. Por el documento DE A1 se conoce la utilización de convertidores indirectos de tensión con conmutación automática (onduladores con modulación de duración de impulsos con un circuito intermedio de tensión), que se componen cada uno de uno o más rectificadores y uno o más onduladores para el abastecimiento de corriente a hornos de inducción e inductores para un derretimiento inductivo y para un calentamiento inductivo. Para los onduladores se emplea una frecuencia de conmutación mayor que la frecuencia básica de la correspondiente corriente de salida. La unión de los onduladores con el circuito de carga compensado paralelo se realiza por un elemento de acoplamiento. A partir del documento WO 02/49197 A2 se conocen un método y un dispositivo para la alimentación de una resistencia inductiva, con forma de un inductor o de un horno de inducción, con un producto de elevada frecuencia y potencia. Esto se logra con un número variable de onduladores puestos en paralelo con conmutación suave, que se alimentan por al menos un rectificador, donde a cada ondulador se le preconecta de forma paralela al menos un condensador, que se conecta al menos a un circuito intermedio de tensión. Las salidas de los onduladores se acoplan a al menos un circuito resonante paralelo L 1 C 1 L 2 R, que se compone de la carga óhmica inductiva L 2 R, un condensador de resonancia C 1 y la inductancia total L 1 de las conexiones de resonancia. Los onduladores se conmutan de forma sincrónica y se les aplica respectivamente, con la frecuencia de resonancia f 0 del circuito de resonancia paralelo L 1 C 1 L 2 R, la frecuencia de conmutación f s, ligeramente por encima o por debajo de la frecuencia de resonancia f 0. La invención tiene el objetivo de proporcionar un método simplificado para la alimentación de un horno de inducción o de un inductor del tipo que se ha mencionado al principio, con el cual se realice una regulación de la tensión de funcionamiento o de la potencia de funcionamiento. Este objetivo se resuelve, de acuerdo con la invención, mediante la combinación de las características de los términos generales con las características indicadas en los criterios de la reivindicación 1. Las ventajas que se pueden obtener con la invención consisten, en particular, en que la frecuencia de utilización del horno de inducción o del inductor siempre es exactamente igual a la frecuencia de resonancia del circuito de resonancia paralelo, es decir, si hay modificaciones de los parámetros del circuito de resonancia durante la utilización, la frecuencia de utilización se adapta automáticamente a la frecuencia de resonancia cambiante. A partir de la siguiente descripción se evidencian ventajas adicionales. En las subreivindicaciones se definen realizaciones ventajosas de la invención A continuación se explica la invención mediante los ejemplos de realización representados en el dibujo. En las figuras se muestran: en la Fig. 1 una realización básica de la conmutación para la alimentación de un horno de inducción o de un inductor, en la Fig. 2 ejemplos de transcursos en el tiempo de parámetros interesantes (corriente, tensiones) para la conmutación de acuerdo con la Fig. 1, en la Fig. 3 una realización opcional para la conmutación de acuerdo con la Fig. 1, en la Fig. 4 una realización básica del circuito de resonancia paralelo, en la Fig. una realización simplificada del circuito de resonancia paralelo, 6 en la Fig. 6 una realización básica de los elementos de acoplamiento, en la Fig. 7, 8, 9 realizaciones opcionales de los elementos de acoplamiento, 2

3 en la Fig. una realización básica de la regulación, en la Fig. 11 una realización ampliada de la regulación 1 20 en la Fig. 12 diversos transcursos en el tiempo de parámetros interesantes (corriente, tensiones) en dependencia del funcionamiento de los conmutadores semiconductores. En la Fig. 1 se representa una realización básica de la conmutación para la alimentación de un horno de inducción o de un inductor. Se reconoce un transformador de alimentación 22 que se une en primer lugar con una red de corriente trifásica y en segundo lugar con tres rectificadores dispuestos de forma paralela 1A, 1B y 1C. Cada rectificador 1A, 1B y 1C se conecta respectivamente, con corriente continua, a un condensador de circuito intermedio 21A, 21B y 21C (circuitos intermedios de tensión) y a un ondulador 2A, 2B y 2C. La capacitancia de los condensadores de circuito intermedio 21A, 21B y 21C es respectivamente C DCL. Los onduladores 2A, 2B y 2C comprenden respectivamente preferiblemente IGBT (u otros conmutadores semiconductores de potencia desconectables) como conmutadores semiconductores. Los onduladores 2A, 2B y 2C se conectan de forma paralela, con corriente alterna, mediante elementos de acoplamiento 14A, 14B y 14C respectivamente. La inductancia de un elemento de acoplamiento 14A, 14B y 14C es respectivamente L c. Las corrientes de salida de los onduladores 2A, 2B y 2C son I A, I B e I C. La corriente de salida total de los onduladores I Σ es I S = I A + I B + I C 2 30 y es, al mismo tiempo, la corriente de entrada del circuito de resonancia de un circuito de resonancia paralelo 1 unido a los onduladores 2A, 2B y 2C, el cual se forma por un condensador de resonancia 18, una carga óhmica inductiva colocada en serie 16 y un condensador de resonancia 17 dispuesto de forma paralela a la conexión en serie 18/16. Las corrientes de salida de los onduladores I A, I B e I C tienen recorridos similares entre sí y amplitudes similares o iguales entre sí. La carga óhmica inductiva 16 se forma por la bobina del horno de un horno de inducción o por la bobina de un inductor, y comprende una parte inductiva 19 y una parte óhmica 20. Son parámetros importantes del circuito de resonancia paralelo 1: C 1 Capacitancia del condensador de resonancia 17 C 2 Capacitancia del condensador de resonancia 18 3 L I Inductividad de la carga óhmica inductiva 16 R I Resistencia óhmica de la carga óhmica inductiva Es de gran importancia en la disposición de conmutación que se ha descrito anteriormente que los elementos de acoplamiento 14A, 14B y 14C limiten el di/dt (velocidad de modificación respecto al tiempo) de las corrientes de salida de los onduladores I A, I B e I C, y que no actúen como componentes del circuito de resonancia paralelo 1. Las corrientes de salida de los onduladores I A, I B e I C son discontinuas y no sinusoidales. El transcurso de la corriente de entrada del circuito de resonancia I Σ es discontinuo y no sinusoidal. En los intervalos de tiempo en los que I Σ 0, se produce un intercambio de energía entre el circuito de resonancia paralelo 1 por un lado y los onduladores 2A, 2B y 2C por otro lado. La frecuencia de resonancia f 0 del circuito de resonancia paralelo 1 depende únicamente de los parámetros del circuito de resonancia paralelo, y se puede deducir del siguiente modo: 1 f 0 = 2π L 1 C L 1 /C R 2 1 L 1 /C donde, a la capacitancia que actúa en el circuito de resonancia paralelo 1, en la realización de acuerdo con la Figura 1 con dos condensadores de resonancia 17 y 18, se aplica: C = C 1 C 2 /(C 1 + C 2 ) 60 6 La frecuencia de utilización de la carga óhmica inductiva del horno de inducción o del inductor se corresponde con la frecuencia de resonancia f 0. Además hay que especificar que la conmutación en principio también es adecuada para una realización simplificada, compuesta por un rectificador, un circuito intermedio con un condensador de circuito intermedio y un ondulador. En la Fig. 2 se representan ejemplos de transcursos en el tiempo de parámetros interesantes (corriente, tensiones) para la conmutación de acuerdo con la Fig. 1, donde 3

4 I Σ U INVERSOR línea continua = corriente de entrada del circuito de resonancia línea de rayas y puntos = tensión de salida del ondulador en 2A, 2B y 2C U C1 línea de rayas = tensión del condensador de resonancia en 17 U RL línea punteada = tensión de funcionamiento en En la Fig. 3 se representa una realización opcional para la conmutación de acuerdo con la Fig. 1. En el lado secundario del transformador de alimentación 22 se conecta únicamente un rectificador 1, que se conecta, con corriente continua, con los condensadores del circuito intermedio 21A, 21B o 21C y los onduladores 2A, 2B o 2C. La disposición de conmutación restante es como se describe en la Fig. 1. En la Fig. 4 se representa una realización básica del circuito de resonancia paralelo. También se puede reconocer el circuito de resonancia paralelo 1 representado en las Fig. 1 y 3, con dos condensadores de resonancia 17 y 18 y la carga 16. En la Fig. se representa una realización simplificada del circuito de resonancia paralelo. A diferencia de la realización de acuerdo con la Fig. 4, se suprime el condensador de resonancia 18, es decir, la capacitancia C 1 del condensador de resonancia 17 se corresponde con la capacitancia C que actúa en el circuito de resonancia paralelo. Por lo tanto, para la frecuencia de resonancia f 0 del circuito de resonancia paralelo resulta: 1 f 0 = 2π L 1 C 1 L 1 /C 1 R 2 1 L 1 /C 1 En la Fig. 6 se representa una realización básica de los elementos de acoplamiento. Se pueden reconocer los elementos de acoplamiento 14A acoplados entre sí, dispuestos en las dos líneas de alimentación con corriente alterna del ondulador 2A, que preferiblemente son bobinas de reactancia con un núcleo de aire acoplados magnéticamente entre sí. Para los onduladores adicionales 2B y 2C se aplican las mismas medidas. En las Figs. 7, 8 y 9 se representan realizaciones opcionales de los elementos de acoplamiento. En la realización de acuerdo con la Fig. 7 se dispone un elemento de acoplamiento 14A solamente en la primera línea de alimentación con corriente alterna del ondulador 2A. En la realización de acuerdo con la Fig. 8 se dispone un elemento de acoplamiento 14A solamente en la segunda línea de alimentación con corriente alterna del ondulador 2A. En la realización de acuerdo con la Fig. 9 se proporcionan elementos de acoplamiento 14A y 14A no acoplados entre sí en las dos líneas de alimentación de corriente alterna del ondulador 2A. Para los onduladores adicionales 2B y 2C respectivamente se aplican las mismas medidas. En la Fig. se representa una realización básica del regulador. El cometido principal del regulador consiste en regular y estabilizar la potencia de funcionamiento p I y la tensión de funcionamiento U RL. Esto se realiza mediante la regulación de un factor de modulación m (0 m 1), que se aplica a la entrada de un modulador de duración de impulsos sincronizado 7. Este modulador de duración de impulsos 7, forma a partir del factor de modulación m, los correspondientes tiempos de flujo de la corriente t m (tiempos de encendido) de los conmutadores semiconductores de los onduladores 2A, 2B y 2C. Los excitadores de los conmutadores semiconductores 8 provocan la conversión de los tiempos de flujo de la corriente t m producidos en las correspondientes señales concretas para el funcionamiento (encendido, apagado) de los conmutadores semiconductores. Un voltímetro 12 determina el transcurso en el tiempo de la tensión de funcionamiento U RL, a partir de lo cual se forma un parámetro u Io correspondiente a la tensión de funcionamiento, y se aplica a un calculador de potencia, a un calculador de tensión 11 para la determinación del valor eficaz de tensión o del valor máximo de tensión, y al modulador de duración de impulsos sincronizado 7. Además se forma, con ayuda de un amperímetro, un valor I Σ, que se corresponde con la corriente de entrada del circuito de resonancia, y se aplica al calculador de potencia. Un primer punto de comparación forma la diferencia entre un valor teórico de tensión de funcionamiento u I * y la tensión de funcionamiento u I calculada disponible a la salida del calculador de tensión 11, y conduce la diferencia determinada hacia un regulador de tensión (preferiblemente un regulador PI) 3. A partir de esto, el regulador de tensión 3 forma un valor teórico del factor de modulación m u *, y lo conduce hacia un circuito de coincidencia análogo. Un segundo punto de comparación forma la diferencia entre un valor teórico de potencia de funcionamiento p I * y la potencia de funcionamiento p I calculada disponible a la salida del calculador de potencia, y conduce la diferencia determinada hacia un regulador de potencia (preferiblemente un regulador PI) 4. A partir de esto, el regulador de potencia 4 forma un valor teórico del factor de modulación m p *, y también lo conduce hacia el circuito de coincidencia análogo, el cual, a partir de los factores de modulación m u * y m p * introducidos por el lado de entrada, forma el factor de modulación m, que garantiza que la potencia de funcionamiento p I y la tensión de funcionamiento U RL se regulen y se estabilicen en la medida deseada. La configuración que se compone de los componentes regulador de tensión 3, regulador de potencia 4 y circuito de coincidencia análogo se denomina estructura de regulación paralela 6. 4

5 El modulador de duración de impulsos 7 que se ha mencionado anteriormente garantiza que el comienzo de cada tiempo de flujo de corriente t m se sincronice estrictamente con la tensión de funcionamiento o con su parámetro u Io, es decir, que el encendido de los conmutadores semiconductores se produzca siempre sincronizado con el pasaje por cero de la tensión de funcionamiento. Por lo tanto, se garantiza una forma de funcionamiento sincronizada del sistema cuando la frecuencia de resonancia f 0 se modifica por ejemplo como consecuencia de la modificación de los parámetros del circuito de resonancia. En la Fig. 11 se representa una realización ampliada del regulador. A diferencia de la realización básica de acuerdo con la Fig., el modulador de duración de impulsos sincronizado 7 comprende una entrada para la determinación de un valor limite máximo del factor de modulación m lim, que se predetermina por un limitador de corriente 9. El limitador de corriente 9 forma este valor límite de factor de modulación m lim en dependencia del valor I Σ introducido por el lado de entrada, que se corresponde con la corriente de entrada del circuito de resonancia I Σ. Por esta medida adicional se garantiza que los conmutadores semiconductores no están sometidos a una corriente demasiado elevada, es decir, que los tiempos de flujo de corriente t m de los conmutadores semiconductores se predeterminan de tal forma, que se garantiza un funcionamiento seguro y óptimo del horno de inducción o del inductor en todas las condiciones de funcionamiento. En la Fig. 12 se representan diferentes transcursos en el tiempo de los parámetros interesantes (corriente, tensiones) para dos puntos de funcionamiento diferentes, y por lo tanto se representan en dependencia del funcionamiento de los conmutadores semiconductores. En el diagrama superior de la Fig. 12, el tiempo de flujo de corriente t m ajustado es relativamente corto en relación al periodo de resonancia T o. Los transcursos en el tiempo de la tensión de funcionamiento U RL se muestran con una línea punteada, la tensión de salida de los onduladores U INVERSOR con una línea de rayas y puntos, la tensión del condensador de resonancia U C1 con una línea de rayas y la corriente de entrada del circuito de resonancia I S con una línea continua. En el diagrama inferior de la Fig. 12, el tiempo de flujo de corriente t m ajustado es relativamente largo en relación al periodo de resonancia T 0. También se reconocen los transcursos en el tiempo de U RL, U INVERSOR, U C1 y de I S. De los transcursos en el tiempo de acuerdo con la Fig. 12 y de las explicaciones anteriores se deduce que, en relación al modo de funcionamiento, se produce una sincronización estricta con la frecuencia de resonancia f 0, es decir, que en los procesos de encendido, los valores de la tensión de funcionamiento, la tensión de salida del ondulador, la tensión del condensador de resonancia y la corriente de entrada del circuito de resonancia siempre son cero. De este modo se encienden simultáneamente todas las válvulas semiconductoras de una diagonal de todos los onduladores en el pasaje por cero de la tensión de funcionamiento. El momento del apagado de los conmutadores semiconductores que conducen corriente se determina por el regulador mediante la predeterminación de t m. En los procesos de apagado de los conmutadores semiconductores hay simultáneamente corriente y tensión en el conmutador, es decir, que se trata de una denominada conmutación dura. Lista de signos de referencia 40 1, 1A, 1B, 1C Rectificadores 2A, 2B, 2C Onduladores 4 3 Regulador de tensión (Regulador PI) 4 Regulador de potencia (Regulador PI) Circuito de coincidencia análogo 0 6 Estructura de regulador paralela 7 Modulador de duración de impulsos sincronizado 8 Excitador de conmutadores semiconductores (por ejemplo para IGBT) 9 Limitador de corriente Calculador de potencia Calculador de tensión (valor eficaz o valor máximo) 12 Voltímetro A, 14B, 14C Elementos de acoplamiento con inductancia L C

6 1 Circuito de resonancia paralelo 16 Carga óhmica inductiva ES T3 17 Condensador de resonancia con capacitancia C 1 18 Condensador de resonancia con capacitancia C 2 19 Parte inductiva de la carga con inductancia L I 20 Parte óhmica de la carga con resistencia óhmica R I 21A, 21B, 21C Condensador de circuito intermedio con capacitancia C DCL 1 22 Transformador de alimentación C Capacitancia activa en el circuito de resonancia 20 C 1 Capacitancia de 17 C 2 Capacitancia de C DCL f 0 I A, I B, I C I Σ I Σ L C Capacitancia del condensador del circuito intermedio Frecuencia de resonancia Corriente de salida del ondulador Corriente de salida total del ondulador = corriente de entrada del circuito de resonancia Medida correspondiente a la corriente de entrada del circuito de resonancia Inductancia del elemento de acoplamiento 3 40 L I Inductancia de la carga m Factor de modulación, 0 m 1, predeterminado en y 6 m lim Valor límite máximo del factor de modulación, predeterminado en 9 m p * Valor teórico del factor de modulación, predeterminado en 4 m u * Valor teórico del factor de modulación, predeterminado en p I * p I R I T 0 t m u I * u Io u I U INVERSOR U C1 U RL Valor teórico de la potencia de funcionamiento Potencia de funcionamiento calculada Resistencia óhmica de la carga Periodo de resonancia Tiempo de flujo de corriente de los conmutadores semiconductores Valor teórico de la tensión de funcionamiento Parámetro correspondiente a la tensión de funcionamiento Tensión de funcionamiento calculada (valor eficaz o valor máximo) Tensión de salida de los onduladores Tensión de los condensadores de resonancia Tensión de funcionamiento 6

7 REIVINDICACIONES Un método para la alimentación de un horno de inducción o de un inductor con al menos un ondulador (2A, 2B, 2C), que se alimenta por al menos un rectificador (1, 1A, 1B, 1C) mediante al menos un circuito intermedio de tensión con un condensador de circuito intermedio (21A, 21B, 21C), donde al menos un condensador de resonancia (17, 18) junto con la parte inductiva (19) y la parte óhmica (20) de la carga óhmica inductiva (16) formada por el horno de inducción o el inductor forman un circuito de resonancia paralelo (1), caracterizado porque - en dependencia de la tensión de funcionamiento actual (U RL ) y de la potencia de funcionamiento actual (p I ) se forma un factor de modulación (m) y se le conduce hacia un modulador de duración de impulsos (7), el cual determina, a partir de esto, el tiempo de flujo de corriente (t m ) para los conmutadores semiconductores desconectables de los onduladores, - donde el inicio de cada tiempo de flujo de corriente (t m ), y con ello el encendido de los conmutadores semiconductores, se produce estrictamente sincronizado con el pasaje por cero de la tensión de funcionamiento, y el momento del apagado de los conmutadores semiconductores que conducen corriente se fija en dependencia del tiempo de flujo de corriente (t m ), - donde la frecuencia de funcionamiento del horno de inducción o del inductor siempre es exactamente igual a la frecuencia de resonancia del circuito de resonancia paralelo y, si hay modificaciones de los parámetros del circuito de resonancia durante el funcionamiento, la frecuencia de funcionamiento se adapta automáticamente a la frecuencia de resonancia que se modifica - y donde, en los procesos de encendido, los valores de la tensión de funcionamiento (U RL ), la tensión de salida de los onduladores (U INVERSOR ), la tensión del condensador de resonancia (U C1 ) y la corriente de entrada del circuito de resonancia (I S ) siempre son cero. 2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el factor de modulación (m) se limita a un valor límite máximo del factor de modulación formado en dependencia de la corriente de entrada del circuito de resonancia (I Σ ). 3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 y/o 2, caracterizado por una regulación de la tensión de funcionamiento por la predeterminación de un valor teórico de la tensión de funcionamiento, y la formación de un factor de modulación mediante un regulador de tensión (3). 4. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por una regulación de la potencia de funcionamiento por la predeterminación de un valor teórico de la potencia de funcionamiento, y la formación de un factor de modulación mediante un regulador de potencia (4).. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado por un circuito de coincidencia análogo () para la formación del factor de modulación (m) que se tiene que conducir al modulador de duración de impulsos (7), en dependencia de los factores de modulación suministrados por el regulador de tensión y por el regulador de potencia

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