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Gustavo Arroyo Montero
hace 5 años
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1 Índice de Contenidos CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Lugar de aplicación El problema (o la oportunidad) Área de investigación Área de aplicación Objetivos Objetivo General Objetivos específicos Resultados tangibles esperados Otros interesados Estado del arte de hornos de inducción Alcances Metodología Capítulo 2 MARCO TEÓRICO Principios Generales Horno de inducción Partes de un Horno de Inducción Bobina de inducción Tipos de bobina de inducción Fuente de alimentación Refrigeración de la bobina Crisol Sistema de control Diseño conceptual del proyecto Etapas desarrolladas en esta Memoria Diseño de bobina y circuito resonante Diseño del convertidor estático y control de la potencia Diseño de mecanismo de vertido de la colada Capítulo 3 DISEÑO DE LA BOBINA Y DEL CIRCUITO RESONANTE Análisis electromagnético, matemático de la bobina y el material a fundir... 38

2 3.1.1 Campo magnético en el entrehierro Flujo magnético total Impedancia en los bornes de una bobina Diseño de la bobina Cálculos de la bobina Diseño del circuito resonante Cálculo del condensador y frecuencia de resonancia Conclusiones respecto de este capítulo Capítulo 4 DISEÑO DEL CONVERTIDOR ESTÁTICO Y DEL SISTEMA DE CONTROL DE POTENCIA Clasificación de Rectificadores Rectificadores no controlados Rectificadores controlados Rectificadores de dieciocho pulsos Diseño del inversor Modulación de inversores monofásicos Control de potencia del horno de inducción Descripción del controlador de potencia Procedimiento para el cálculo de las ganancias proporcional e integral Conclusiones respecto de este capítulo Capítulo 5 DISEÑO DEL MECANISMO PARA VERTER LA COLADA Mecanismo de giro del crisol Radio de giro del crisol Calculo de eje y rodamiento Estructura Base para la bobina y crisol Base de mecanismo de giro Sujeción de la bobina y del crisol Sistema general Consideraciones de seguridad mecánicas del sistema Placa protectora Freno mecánico Conclusiones respecto de este capítulo Capítulo 6 CONCLUSIONES... 81

3 6.1 Acerca del trabajo Propuestas futuras Bibliografía Anexo A CÁLCULOS Anexo B HOJAS TÉCNICAS Y PLANOS... 96

4 Índice de Tablas Tabla 1-1. Descripción de actividades con su respectiva herramienta de trabajo Tabla 2-1. Eficiencias para tipos de bobina de inducción Tabla 2-2. Etapas para el desarrollo del horno de inducción Tabla 3-1. Datos generales y propios del material Tabla 3-2. Datos de la bobina Tabla 4-1. Comparación entre inversores en configuración fuente corriente y fuente voltaje... 55

5 Índice de Ilustraciones Figura 2-1. Curva de la profundidad de penetración en función de la frecuencia para diversos materiales Figura 2-2. Esquema de las partes de un horno de inducción Figura 2-3. Bobina de inducción. Fuente: Ameritherm INC Figura 2-4. Bobina de una espira. Fuente: Induterm Figura 2-5. Bobina helicoidal. Fuente: Inducterm Figura 2-6. Bobina aplastada. Fuente: Inducterm Figura 2-7. Bobina de canal. Fuente: Pillar Induction Figura 2-8. Fuente de alimentación de la carga Figura 2-9. Crisol de grafito. Fuente: Morganmms Figura 3-1. Comportamiento del flujo magnético Figura 3-2.Circuito eléctrico equivalente del material, bobina y entrehierro Figura 3-3. Circuito equivalente de inducción Figura 3-4. Circuito equivalente con los valores de trabajo Figura 3-5. Comportamiento del circuito resonante. a) Corriente de entrada (antes del circuito resonante. b) Corriente en la carga Figura 4-1. Rectificador trifásico controlado por tiristores con una carga resistiva Figura 4-2. Rectificador trifásico no controlado con una carga resistiva Figura 4-3. Formas de onda de rectificador fuente voltaje. Puente completo trifásico no controlado. a) Tensión de entrada. b) Corriente de entrada. c) Tensión a la salida de rectificador. d) Corriente a la salida del rectificador Figura 4-4. Rectificador controlado de tiristores con una carga RL Figura 4-5. Rectificador trifásico de 18 pulsos usado en el desarrollo en esta memoria Figura 4-6. a) Voltaje de salida del rectificador de 18 pulsos. b) Corriente de salida Figura 4-7. Señales de modulación. a) Referencia. b) Portadora Figura 4-8. Inversor fuente corriente con control PWM Figura 4-9. Corriente de salida en la carga Figura Sensores de voltaje y corriente Figura Controlador PI completo Figura Circuito completo indicando la entrada del ángulo Figura Salida de la respuesta a un escalón Figura Representación de la recta tangente en busca de parámetros de control Figura Comportamiento del circuito con los valores calculados para una referencia de 1200W Figura Cambios en el set-point. 1200W; 700W y 1000W Figura Cambios en la carga, a) Disminución del 20%, de la carga (125mili-ohms a 100 mili-ohms). b) Aumento del 20% de carga (125 mili-ohms a 150 mili-ohms). c) Tiempo donde actúa el cambio realizado a la carga Figura 5-1. Esquema de rotación para apoyos ubicados en distintas ubicaciones. a) en el centro de gravedad del horno. b) en el costado

6 Figura 5-2. Rodamiento utilizado en el diseño Figura 5-3. Forma de la estructura a construir y fuerzas aplicadas Figura 5-4. Vista lateral de la estructura Figura 5-5. Vista lateral de la base Figura 5-6. Vista isométrica de la base Figura 5-7. Cadena y piñones utilizados en el diseño Figura 5-8. Posición del moto-reductor Figura 5-9. Instalación de abrazaderas Figura Placa protectora Figura Freno mecánico Figura Sistema completo sin tapa. Vista isométrica Figura Vista de conjunto con el mecanismo en funcionamiento máximo Figura Vista del conjunto con tope en el freno Figura Vista del conjunto completo con la tapa y abrazaderas

7 Glosario de términos : Campo magnético (V/m) : Intensidad de campo magnético (A/m) : Desplazamiento del campo eléctrico (Colombios/m 2 ) : Flujo del campo magnético (Weber/m 2 =Tesla) : Densidad de corriente (A/m 2 ) : Densidad de carga (Colombios/m 3 ). Φ Φ Φ Φ w : Intensidad de campo magnético en la bobina. : Intensidad de campo magnético en el material. : Intensidad de campo magnético en el entrehierro. : Flujo magnético total. : Flujo magnético en la bobina. : Flujo magnético en el material. : Flujo magnético en el entrehierro. : Frecuencia de operación. 2 : Permeabilidad magnética. : Permeabilidad magnética del material. : Coeficiente de emisividad del material acero. : Conductividad eléctrica. : Corriente en la bobina. : Corriente en la carga. : Largo de la bobina.

8 T a T m M a M m S e S y : Número de vueltas de la bobina. : Radio de la bobina. : Radio de la carga. : Impedancia equivalente. : Resistencia de la bobina. : Reactancia de la bobina. : Resistencia del material. : Reactancia del material. : Reactancia del entrehierro. : Diámetro del eje. : Amplitud del torque variable. : Magnitud del torque medio. : Amplitud del momento flector variable. : Magnitud del momento flector medio. : Límite de fatiga del eje. : Límite de fluencia del material.

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ESPECIFICACIONES MATERIALES UTILIZADOS Contenido Capítulo 1 INTRODUCCIÓN... 17 1.1 Introducción general... 17 1.2 Hipótesis de trabajo... 18 1.3 Objetivos... 18 1.3.1 Objetivo general... 18 1.3.2 Objetivos específicos... 18 1.4 Área de estudio