Diseño y Analisis en Hornos de Induccion

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA “JOSÉ MARÍA MORELOS Y PAVÓN”

Departamento de Ingeniería Electrónica del Intit!to Tecnológico de Morelia

"ANALISIS # DISE$O DE UN IN%ERSOR RESONANTE &ARA 'ORNO DE INDUCCIÓN(

Morelia, Michoacán, México

i

Índice

ii

)NDICE Páina !!""""""""""""""""""""""!"" """"""!"" iv LISTA DE *IGURAS+!!"""""""""""""""" """"""""""""""""""""""!!""!!! """""""""!!""!!! viii LISTA DE TA,LAS+""""""""""""" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!ix GLOSARIO DE T-RMINOS+!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

O,.ETI%O+!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! xiv "!!!""""""""""""""""""""""""!! """"""""!!xv xv .USTI*ICACIÓN+"!!!"""""""""""""""" ""!!!""""""""""""""""""""""""!! """""""""""!! xvi x vi MOTI%ACIÓN+""!!!""""""""""""" "!!!"""""""""""""""""""""""" """"""""""""""""! """! xvii RESUMEN+"!!!"""""""""""

CA&)TULO /+ """"""!!!""""""""!!"""""""""! """""""""! # / INTRODUCCIÓN+""""""!!!""""""""!!

CA&)TULO 0+ """""""""""""!!!"""""""""" "!!!""""""""""$ 0 MARCO TEÓRICO+ """""""""""" %!# Calenta&iento por inducción""""""""""""""" inducción"""""""""""""""""""!!! """"!!! $ %!% Pérdidas por histéresis""""""""""""""""""""""!!#' %!( Pérdidas por corrientes de )ddy""""""""""""""" )ddy""""""""""""""""""!! """!! #( %!* +plicaciones del calenta&iento por inducción""""""""""""" induc ción""""""""""""" #* %! Caracter-sticas del calenta&iento por inducción""""""""""""!!#. %!. )l e/ecto Piel y la pro/undidad de penetración""""""""""""" #$ %!$ Resistencias e0uivalentes"""""""""""""""" e0uivalentes"""""""""""""""""""""! """""! %% %!1 )0uipos para calenta&iento por inducción""""""""""""""!! %

CA&)TULO 1+

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Índice

iii

"""!!!""""""""""""""""" """"""" ($ ($ 1 IN%ERSOR RESONANTE+"""!!!"""""""""" (!# Circuito resonante y resistencia e0uivalente""""""""""""""($ (!% +nálisis para el circuito inversor resonante serie de puente co&pleto"""" (2 (!( 3rans/or&adores en circuitos resonantes serie""""""""""""!!!! * (!* Co&ponentes de un circuito c ircuito convertidor"""""""""""""""! $ (! )structura de d e los convertidores con vertidores estáticos"""""""""""""""! $# (!. Celdas ele&entales de con&utación""""""""""""""""!!! con&utación""""""""""""""""!!! $( (!$ Inversores resonantes""""""""""""""""""""""!! $1 (!1 4eneradores con circuitos resonantes serie"""""""""""""" 1 (!2 +nálisis del inversor inverso r resonante serie seri e en puente""""""""""""!!! 2'

CA&)TULO 2+ 2 ARMÓNICOS # *ACTOR DE &OTENCIA EN SISTEMAS CONMUTADOS+!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 2$ *!# Distri5ución de las corrientes ar&ónicas en las redes eléctricas"""""" 21 *!% Co&ponentes ar&ónicas en las corrientes ar&ónicas""""""""""! #'# *!( )/ectos provocados por las corrientes ar&ónicas"""""""""""!!! ar&ónicas"""""""""""!!! #'% *!* Medidas correctivas""""""""""""""""" co rrectivas"""""""""""""""""""""""! """"""! #'( *! Distorsión ar&ónica total"""""""""""" total"""""""""""""""""""""! """""""""! #'( *!. 6actor de potencia"""""""""""""""""""""""!!! potencia"""""""""""""""""""""""!!! #'* # '* *!$ +nálisis para la señal &ono/ásica senoidal""""""""""""""! #'$ *!1 +nálisis para siste&as de tres hilos""""""""""""" hilos"""""""""""""""""!! """"!!##(

CA&)TULO 3+ 3 Die4o del in5eror reonante+!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ##1 !# Co&ponentes del siste&a""""""""""""""""" siste&a"""""""""""""""""""""! """"!##1 !% )tapa de ali&entación ali&entació n del inversor"""""""""""""""" inversor"""""""""""""""""!! "!! ##2 !( Inversor resonante""""""""""""""" resonante"""""""""""""""""""""""!!!! """"""""!!!! #%$ !* Circuito de disparo de los M786)3"!!!!!!"""""""""""""" M786)3"!!!!!!""""""""""""""!!!!#(( ! Módulo de sensado sens ado de corriente corrien te y control de a&arre de /ase""""""""" /as e""""""""" #($

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Índice

iv

!. )s0ue&a de control del d el &icrocontrolador""""""""""""""""! #*#

CA&)TULO 6+ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! #* 6 &RUE,AS # RESULTADOS+!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

CA&)TULO 7+ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!! ## 7 CONCLUCIONES+!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! """"!!!""""""""""""""""!""""!!!!!! """""!""""!!!!!! #( # ( ,I,LIOGRA*)A+""""!!!"""""""""""

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

LISTA DE *IGURAS Páina 6iura #!# )/iciencia de los hornos de inducción para di/erentes /uentes!

(

6iura #!% Co¶ción de tie&pos de calenta&iento de hornos!



6iura #!( Desarrollo del costo por 9ilovatio de los siste&as de inducción!

.

6iura %!# Principio del calenta&iento por inducción!

1

6iura %!% Circuito e0uivalente del inductor: cara!

2

6iura %!( ;a
#'

6iura %!* Ciclo de histéresis!

#%

6iura %! Distri5ución de la corriente en /unción de la pro/undidad!

%'

6iura %!. Curva de la pro/undidad de penetración contra /recuencia!

%#

6iura %!$ )s0ue&a de una aplicación de calenta&iento por inducción!

%.

6iura %!1 )s0ue&a de un enerador rotativo!

%$

6iura %!2 Diara&a de 5lo0ues de los eneradores con válvula!

%2

6iura %!#' Diara&a de 5lo0ues de los eneradores paralelo!

(#

6iura %!## Diara&a de 5lo0ues de los eneradores de serie!

((

6iura %!#% Capacidad actual de eneradores con tiristores y transistores!

(*

6iura (!# Circuito e0uivalente al inductor con la pie
($

6iura (!% Circuito resonante serie de puente co&pleto y su e0uivalente!

*'

6iura (!( 6or&as de onda del circuito resonante serie de puente co&pleto!

*'

6iura (!*

 Z   Z '

 co&o una /unción de

6iura (! =alores constantes de

 R  Z '

 f    f  '

=

 y # QL

 R  Z '

=

# QL

!

!

* *

6iura (!. +&plitud +&plitu d nor&ali
*$

6iura (!$ +&plitud nor&alie en el inductor resonante  L !

*1

6iura (!1 +&plitud nor&alie en el capacitor resonante C !

'

iv

;ista de /iuras

v

6iura (!2 +&plitud nor&alie en ter&inales del inductor  L !

#

6iura (!#' +&plitud nor&alie en el inductor de resonancia  L !

%

6iura (!## Circuito resonante serie con trans/or&ador de aisla&iento!



6iura (!#% Circuito resonante paralelo con trans/or&ador de adaptación!

.

6iura (!#( Di/erentes tipos de /uentes!

.'

6iura (!#* Caracter-stica estática de un con&utador!

.(

6iura (!# Caracter-stica estática de los con&utadores de dos se&entos!

.(

6iura (!#. Caracter-stica estática de los con&utadores de tres se&entos!

.*

6iura (!#$ Caracter-stica está tica de los con&utadores de cuatro se&entos!

.*

6iura (!#1 Con&utador de dos se&entos!

.$

6iura (!#2 Con&utador tipo 3, un solo ter&inal para con&utación suave!

.1

6iura (!%' Con&utador de tres se&entos 5idireccional en corriente!

.1

6iura (!%# Con&utador de tres se&entos 5idireccional en tensión!

$'

6iura (!%% Conexiones entre /uentes en convertidores estáticos directos!



%$6iura (!%( Convertidores directos duales con topolo-a puente co&pleto



%$6iura (!%* Celda ele&ental de dos con&utadores!

$*

6iura (!% Convertidores con una celda ele&ental!

$.

6iura (!%. Diversas conexiones de celdas ele&entales en puentes co&pletos!

$.

6iura (!%$ Celdas ele&entales para puentes con /uente de tensión!

$$

6iura (!%1 Celdas ele&entales para puentes con /uente de corriente!

$$

6iura (!%2 Co&porta&iento del circuito resonante serie!

1'

6iura (!(' 7ndas asociadas a los distintos &odos de con&utación!

1#

6iura (!(# 3opolo-a de inversores resonantes serie en con&utación suave!

1#

6iura (!(% Co&porta&iento del circuito resonante paralelo!

1(

6iura (!(( 7ndas asociadas para los distintos &odos de con&utación!

1(

6iura (!(* 3opolo-a del inversor resonante paralelo en con&utación suave!

1(

6iura (!( 3roceador de un enerador resonante paralelo!

1.

6iura (!(. Recti/icador controlado de un enerador resonante paralelo!

1.

6iura (!($ 8iste&a de reulación para eneradores serie de reulación

12

6iura (!(1 Diara&a del inversor!

2'

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

;ista de /iuras

vi

6iura (!(2 Corriente de cara para el circuito del caso #!

2%

6iura (!*' Corriente en el circuito para el caso %!

2*

6iura (!*# Corriente en el circuito para el caso (!

2

6iura *!# Distri5ución de las corrientes ar&ónicas!

22

6iura *!% Distri5ución de las corrientes ar&ónicas en las ra&as!

22

6iura *!( Distri5ución de las corrientes ar&ónicas en el neutro!

#''

6iura *!* 3riánulo de potencia!

#'*

6iura *! Paralelep-pedo de potencia!

#'

6iura !# Diara&a de 5lo0ues del siste&a!

##1

6iura !% Diara&a de la /uente de tensión!

##2

6iura !( Diara&a de la /uente de tensión con valores!

#%'

6iura !* Circuito d e precara del recti/icador!

#%'

6iura !. Resistencias de precara del capacitor de salida de la /uente!

#%#

6iura !$ Circuito del /iltro de la /uente de ali&entación!

#%%

6iura !1 6unción de trans/erencia del /iltro  LC  !

#%%

6iura !2 Circuito del /iltro de la /uente de tensión, para la si&ulación!

#%(

6iura !#' 8i&ulación del /iltro de la /uente de ali&entación!

#%(

6iura !## 6uente de tensión y conexión de las resistencias de descara!

#%*

6iura !#% ?o5ina de /iltrado de la /uente de tensión!

#%*

6iura !#( 6iltro de salida de la /uente de tensión!

#%

6iura !#* 8i&ulación del /iltro de la /uente de ali&entación!

#%.

6iura !# 6uente de ali&entación de tensión!

#%.

6iura !#. Inversor puente co&pleto!

#%$

6iura !#$ 8-&5olo y encapsulado de M786)3!

#%$

6iura !#1 Respuesta de la señal de corriente del inversor resonante!

#('

6iura !#2 Capacitor de resonancia!

#(#

6iura !%' Inductor de resonancia!

#(#

6iura !%# Diara&a eléctrico del &ódulo del inversor resonante!

#(%

6iura !%% Diara&a del circuito opto:acoplador 3;P%'!

#((

6iura !%( Circuito de disparo de M786)3!

#((

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

;ista de /iuras

vii

6iura !%* Circuito de con&utación de los M786)38!

#(

6iura !% )tapa de disparo de los M786)38!

#(.

6iura !%. 3rans/or&ador de corriente!

#($

6iura !%$ Diara&a del circuito &icrocontrolador MC.1HC2'1@A*!

#(1

6iura !%1 Circuito de a&arre de /ase BP;;!

#(1

6iura !%2 6or&as de onda para ala detección de cruce por cero!

#(2

6iura !(' Circuito de control!

#(2

6iura !(# )tapa del circuito detector de cruce por cero!

#*'

6iura !(% )tapa de control de potencia y sensado de corriente!

#*#

6iura !(( Diara&a de /lu>o del prora&a de control!

#*%

6iura !(* 6uente de ali&entación del circuito de control!

#*(

6iura !( 6uente de ali&entación para los disparos de los M786)38!

#**

6iura .!# Conexión del &icrocontrolador!

#*

6iura .!% Circuito resonante en serie!

#*.

6iura .!( 8eñales de disparo y /or&as de onda en el circuito serie!

#*.

6iura .!* Corriente en la 5o5ina de inducción a ##!$H< y #%!'.H
#*$

6iura .! Corriente en la 5o5ina de inducción a #(!H< y #(!2$H
#*$

6iura .!. Corriente en la 5o5ina de inducción a #*!$2H< y #!2%H
#*1

6iura .!$ Corriente en la 5o5ina de inducción a #.!.#H< y #$!(.H
#*1

6iura .!1 Corriente en la 5o5ina de inducción a #1!2H< y #2!**H
#*1

6iura .!2 Corriente en la 5o5ina de inducción a %'!(2H< y %#!(H
#*2

6iura .!#' Corriente en la 5o5ina de inducción a %.!*2h< y ((!##H
#*2

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

LISTA DE TA,LAS Páina 3a5la %!#

Coe/icientes de te&peratura de resistencia a %'EC!

%*

3a5la %!%

3ipos de eneradores con a&as de potencia y /recuencia!

(.

3a5la *!#

Distri5ución de las co&ponentes si&étricas y su ánulo!

#'#

3a5la *!%

+r&ónicas y su u5icación en co&ponentes de secuencia F, : ó '!

#'#

3a5la *!(

)cuaciones para siste&as tri/ásicos con ondas no senoidales!

##$

3a5la !#

Caracter-sticas principales del transistor M786)3 IR6P*.'!

#%1

3a5la .!#

Prue5as de calenta&iento para di/erentes &ateriales!

#'

viii

GLOSARIO DE T-RMINOS )n este apartado se presentan las a5reviaturas utili
Densidad de potencia por unidad de super/icie! Densidad de potencia por unidad de volu&en!

σ 

Conductividad del &aterial conductor!

φ 

6lu>o del ca&po &anético! 6recuencia en radianes seundo de variación de ca&pos y corrientes!

 ρ 

Resistividad eléctrica!

 ρ c

Densidad de cara!

δ 

Pro/undidad de penetración! Per&ea5ilidad &anética del &aterial conductor!

µ '

Per&ea5ilidad &anética del vac-o *π  ×#'−$ !

µ r 

Per&ea5ilidad &anética relativa del &aterial!

 B

Inducción &anética!

 E 

Ca&po eléctrico!

 f  

6recuencia de tra5a>o!

 fem

6uer
 H 

Ca&po &anético!

 H '

Ca&po &anético en la super/icie!

 I , i

Corriente por el inductor!

xiii

4losario de 3ér&inos

i p

Corrientes inducidas en las pie
 J 

Densidad de corriente!

 J '

Densidad de corriente en la super/icie!

 K  R

6actor de corrección de la resistencia e0uivalente!

l 

;onitud del circuito &anético o inductor!

 N 

G&ero de espiras del inductor!

 P 

Potencia disipada en la resistencia e0uivalente de la pie
 P '

Potencia disipada en la super/icie de la pie
r 

Radio del cilindro!

 Req

Resistencia e0uivalente por la 0ue circula la corriente inducida!

 R s

Resistencia super/icial!

S 

8uper/icie total calentada de la pie
 x

Coordenada radial del cilindro!

 Z  s

I&pedancia super/icial de la pie
 β 

Parte i&ainar-a del polo de la /unción de trans/erencia!

α 

Parte real del polo de la /unción de trans/erencia!

ϖ '

6recuencia de resonancia dada en radianes seundo!

ϖ ' P 

6recuencia de resonancia en paralelo del circuito ;CC!

ϖ oS 

6recuencia de resonancia serie del circuito C;C!

ϖ #

6recuencias 0ue de/inen el ancho de 5anda del circuito!

ϖ %

6recuencia en

ϖ n

+ncho de 5anda del circuito!

 B 

=alor del capacitor!

C 

Capacitor e0uivalente en el circuito C;C!

C eq

Capacitor en paralelo en el circuito C;C!

C  P 

Capacitor en serie en el circuito C;C!

rad   seg 

 nor&ali
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

xiv

4losario de 3ér&inos

C S 

6actor de disipación!

 !

6unción de trans/erencia!

 H B s

4anancia de corriente!

 H i

4anancia de corriente en el capacitor!

 H iC 

4anancia de corriente en el inductor!

 H iL

4anancia de tensión!

 H VL

4anancia de tensión en el capacitor!

i K 

4anancia de tensión en el inductor!

iB" 

Corriente alterna del circuito!

iC 

Corriente por el capacitor!

i K 

Corriente por el con&utador!

i L

Corriente por el inductor!

 L

Inductancia en la 5o5ina!

 Leq

Inductancia e0uivalente en el circuito ;;C!

 L P 

Inductancia paralelo en el circuito ;;C!

 L s

Inductancia serie en el circuito ;;C!

 N 

Relación de trans/or&ación!

 P ac" 

Potencia activa!

 P i

Polo de la /unción de trans/erencia!

 P reac" 

Potencia reactiva!

 P# 

Modulación por anchura de pulso!

Q

6actor de calidad!

Q P 

6actor de calidad del circuito resonante paralelo!

QS 

6actor de calidad del circuito resonante serie!

 Req

Resistencia e0uivalente conectada en serie!

 R P 

Resistencia e0uivalente conectada en paralelo!

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

xv

4losario de 3ér&inos

 s

=aria5le de la trans/or&ada de ;aplace!

 s N 

=aria5le de la trans/or&ada de ;aplace nor&ali
$B" 

3ensión alterna del circuito!

$ Bc

3ensión en 5ornes del capacitor!

$ K 

3ensión en los 5ornes del con&utador!

$ L

3ensión en los 5ornes del inductor!

 Z B %

 6unción i&pedancia!

 ZCS 

Con&utación con corriente nula!

 ZVS 

Con&utación con tensión nula!

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

xvi

O,.ETI%O

Diseñar y construir un inversor resonante serie para horno de inducción 5asado en el uso de se&iconductores de potencia M786)38!

xiv

.USTI*ICACIÓN

;os hornos de inducción son una 5uena opción para el calenta&iento y /undición de &etales de5ido a su velocidad de calenta&iento y control de te&peratura, co¶dos con los hornos de as y de arco eléctrico! +ctual&ente, la operación de hornos de inducción en el rano de /recuencia de #''H< y %''H< ha sido de ran interés de5ido a la rapide< de calenta&iento 0ue se o5tiene! 8in e&5aro para esas /recuencias se re0uiere usar dispositivos se&iconductores de alta velocidad, estos dispositivos de con&utación a5sor5en potencia cuando se encienden o se apaan y a &edida 0ue au&enta la /recuencia de con&utación las pérdidas de potencia &edia en el dispositivo au&enta! De5ido a lo anterior se hace necesaria la presencia de los circuitos de con&utación resonantes, la con&utación tiene luar cuando la tensión yo la corriente son cero, evitando las transiciones si&ultáneas de la tensión o la corriente, y eli&inando por tanto las  pérdidas de con&utación!

xv

MOTI%ACIÓN

)l &otivo para reali
Cocinas de inducción!

•

6undición industrial!

•

6undición en >oyer-a!

•

6undición en la5oratorios!

•

8oldadura de di/-cil acceso!

•

3e&ple de pie
•

Revenido de pie
•

6or>a de pie
)l interés /unda&ental para la reali
xvi

RESUMEN )l presente tra5a>o está oranio /actor de potencia y ar&ónicos en siste&as convertidores de )lectrónica de Potencia, los e/ectos provocados por las corrientes ar&ónicas y &edidas correctivas, la descripción para una señal &ono/ásica para dar un resu&en de las ecuaciones para siste&as tri/ásicos con ondas no senoidales! )n el cap-tulo  entrando en la  parte de desarrollo del inversor resonante para horno de inducción se descri5e por co&pleto la reali
xvii

CA&)TULO / INTRODUCCIÓN )l naci&iento de la tecnolo-a de la inducción electro&anética ocurre en #1(#, cuando en novie&5re de este año, el /-sico 5ritánico Michael 6araday, enrolló dos 5o5inas de ala&5re en un anillo de &etal y o5servó 0ue cuando circula una corriente alterna a través de una  5o5ina, se induce un volta>e en la otra 5o5ina! Durante las posteriores décadas los investiadores tra5a>aron en este e/ecto concentrándose en el desarrollo de e0uipos de corriente alterna de alta /recuencia! 6ue en el silo KIK, cuando se lora la aplicación práctica de calenta&iento por inducción usando conductores eléctricos! ;a pri&era aplicación rande /ue /undir &etales, aun0ue inicial&ente se reali<ó usando crisoles conductores! Después 6erranti, Col5y y >ellin desarrollaron los hornos de inducción para /undición e hicieron uso de crisoles no conductores, en estos diseños las corrientes eléctricas se induc-an directa&ente en la cara, nor&al&ente a la /recuencia de la l-nea /unda&ental de .' H
#

Cap-tulo #

Introducción

%

;os anillos en los hornos de inducción se re&plaunto &otor:enerador, donde se pod-an o5tener niveles de varios cientos de iloOatts de potencia a /recuencias de hasta 2.' He&plo, la Co&pañ-a Oheel ?udd, se interesó en el calenta&iento por inducción para endurecer el interior de los taladros de secciones tu5ulares, aplicando está técnica a los cu5os del e>e de auto&otores y después a los cilindros de los transatlánticos %N!

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Cap-tulo #

Introducción

(

)n la seunda uerra &undial se proporcionó un ran i&pulso al uso de la tecnolo-a de la inducción, particular&ente para tratar pie
6iura #!# )/iciencia de los hornos de inducción para di/erentes /uentes de poder! +ntes del desarrollo del horno de inducción los hornos de as o petróleo, proporcionaron los pri&eros &edios para el calenta&iento de &ateriales &etálicos y no &etálicos!

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Cap-tulo #

Introducción

*

)l calenta&iento por inducción o/rece hoy varias venta>as por enci&a de otras técnicas de calenta&iento co&o son %NJ • =elocidad de calenta&iento! ;a eneración de calenta&iento en el interior de las pie
 por inducción proporciona ranos de calenta&iento &ayores 0ue los usados en  procesos por radiación y conducción! • Rápido inicio de calenta&iento! ;os hornos de co&5usti5le contienen randes

cantidades de &aterial re/ractario 0ue se de5e calentar al inicio, teniendo una inercia tér&ica rande! ;a eneración de calenta&iento en el interior de la pie
continua&ente el horno en tie&pos cortos, &ientras 0ue en los hornos de inducción  pueden tener control de encendido y apaado para lapsos de tie&po corto y tener un ahorro de ener-a! • 4randes tasas de producción! De5ido a 0ue el calenta&iento por inducción es rápido

 per&ite tener randes cantidades de producción y reducir costos de tra5a>o! +de&ás de las venta>as anteriores, enseuida se presentan otras para los siste&as de calenta&iento por inducción #N! • 6acilidad de auto&atios re0ueri&ientos de &anteni&iento!

)n la /iura #!%, se &uestran los tie&pos de calenta&iento para el horno de inducción y para el horno de as!

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Cap-tulo #

Introducción



Hoy en d-a el rano de /recuencias para las aplicaciones de calenta&iento por inducción está cu5ierta &ediante convertidores cuyas tecnolo-as han sido eleidas opti&i
6iura #!% Co¶ción de tie&pos de calenta&iento de hornos! )l desarrollo de nuevos dispositivos se&iconductores de con&utación cada ve< &ás rápidos y con un &ayor &ane>o de potencia, >unto con el uso de &odernas técnicas de control ha  per&itido la &e>ora de pará&etros 5ásicos de los e0uipos industriales co&o son la /ia5ilidad, la seuridad y el rendi&iento! )n el calenta&iento por inducción, el uso de estos nuevos dispositivos ha per&itido el au&ento de la potencia y /recuencia de /unciona&iento! ;os hornos de inducción hoy en d-a presentan &ayores prestaciones, co&o operar el horno de inducción a /recuencias y potencias &ayores y hacer uso &ás e/iciente de la ener-a, al reducir la conta&inación ar&ónica!

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Cap-tulo #

Introducción

.

)n la /iura #!( se &uestran dos rá/icos en los 0ue el e>e horio re0uerida por la aplicación y el e>e vertical &uestra el costo por unidad de potencia!

6iura #!( Desarrollo del costo por iloOatt de los siste&as de calenta&iento por inducción!

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Cap-tulo #

Introducción $

CA&)TULO 0 MARCO TEÓRICO 0+/ Calentamiento por ind!cción )l calenta&iento por inducción se lleva aca5o cuando un &aterial u o5>eto eléctrica&ente conductivo, no necesaria&ente &anético, es introducido en un ca&po &anético varia5le! )l calenta&iento por inducción se de5e a dos e/ectos, conocidos co&o pérdidas por Histéresis y pérdidas por corrientes de )ddy! )stas pérdidas están descritas por las leyes de la inducción Bley de 6araday y ley de +&pere y del e/ecto oule! 8- en un dispositivo apropiado lla&ado inductor, 0ue nor&al&ente es un arrolla&iento 5o5inado de un conductor, se hace pasar una deter&inada corriente eléctrica, se enera un ca&po &anético cuya a&plitud y distri5ución viene dada por la ley de +&pere #N!

∫

→ →

 Ni =  H  dl  =  Hl !

B%!# Donde  N    es el n&ero de espiras del inductor, i   la corriente 0ue lo atraviesa,  H  el ca&po &anético y l   la lonitud del circuito &anético! 8i la corriente en el inductor es alterna se consiue crear un ca&po &anético varia5le en el tie&po y en la sección especi/icada 0ue enera un /lu>o &anético ta&5ién alterno! 8en la ley de 6araday en todo conductor 0ue se encuentre en el interior de un ca&po &anético varia5le se enerara una /uer
ε  = − N 

d φ  d" 

B%!% Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Cap-tulo #

Introducción 1

donde ε    es la /uero del ca&po &anético! + la corriente provocada por esta  fem   en el interior del conductor se lla&a corriente inducida o corriente de 6oucault y son las responsa5les lti&as del calenta&iento por e/ecto oule cuya ley esJ  P  = i & % Req!

B%!( Donde  P  es la potencia disipada en la resistencia e0uivalente de la pie
6iura %!# Principio de calenta&iento por inducción! )l proceso de trans/erencia de ener-a entre el inductor y el &aterial a calentar es si&ilar por su principio al de un trans/or&ador en el 0ue el pri&ario está constituido por el arrolla&iento del inductor y la super/icie de la pie
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Cap-tulo #

Introducción 2

;a resistencia e0uivalente de la pie
6iura %!% Circuito e0uivalente del inductor:cara Por lo tanto, en el calenta&iento del &aterial no hay pie
0+0 &8rdida por 'it8rei

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Cap-tulo #

Introducción #'

8e conoce con el no&5re de histéresis &anética a la propiedad 0ue tienen los &ateriales &anéticos, tales co&o el acero, el n-0uel y alunos otros, de presentar cierta inercia &olecular o resistencia al ca&5io de orientación de sus &oléculas, al variar la intensidad y el sentido de un ca&po &anético externo 0ue acta so5re ellos #N! ;a histéresis presenta pérdidas y pueden ser representadas rá/ica&ente por el lao &anético Bφ    contra la intensidad &anética B H !  )n la /iura %!( se o5serva 0ue la curva de histéresis var-a  para di/erentes tipos de &ateriales! ;a ener-a re0uerida para irar una sola ve< el ca&po &anético interno es proporcional al área encerrada por el la
6iura %!( ;a
0+0+/ Ciclo de 9it8rei

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Cap-tulo #

Introducción ##

)n &uchos dispositivos prácticos, co&o &otores y trans/or&adores, se usan &ateriales /erro&anéticos, 0ue se caracterio tienden a concentrarse dentro del &aterial /erro&anético! )stos &ateriales ade&ás presentan las siuientes caracter-sticasJ ;a relación entre la intensidad del ca&po &anético  H    y la densidad de /lu>o &anética  B  no es una relación lineal, por lo 0ueJ  B ≠

× H !

B%!* 8iendo

la per&ea5ilidad &anética! ;os &ateriales /erro&anéticos co&prenden

reiones o do&inios &anéticos, dentro de los cuales, los &o&entos 5ipolares &anéticos se ordenan en una dirección co&n! 8in e&5aro en una &uestra no &aneti
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Cap-tulo #

Introducción #%

ca&po &anético prod cen ca&5ios pe0ueños en la densidad de /lu o &anético Bpunto s# en la /iura %!*! Cuando se ha alcan
con respecto a  H 

/or&an una nueva curv Bcurva % /iura %!*!

6iura %!* Ciclo de histéresis 7tra caracter-stica 0ue resulta de esta nueva curva 0ue co&ien
el e>e vertical B B!   Cuando la corriente is&inuye, se li5era

 parte de la ener-a &anética! ;a ener-a li5erada es iual al áre encerrada entre la recta  B =  B&ax  y la cur a % de la /iura %!* Bpri&er cuadrante! Con/or&e la corriente iue dis&inuyendo Bal convertirse neativa , tanto  B  co&o  H , siuen dis&inuyendo! 8i se supone 0ue la corriente var-a en /or&a si&étrica

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno d Inducción

Cap-tulo #

Introducción #(

B I &in = − I &in ,   la intensidad del ca&po &anético y la densidad de /lu>o &anético alcano au&enta a través de la curva (! +l llear a su valor &áxi&o, tanto  H   co&o  B  alcan
0+1 &8rdida por corriente de Edd: Mientras 0ue las pérdidas por Histéresis ocurren sólo en &ateriales &anéticos, las  pérdidas por corrientes de )ddy ocurren en cual0uier &aterial conductor 0ue se encuentre dentro en un ca&po &anético varia5le! )sto provoca calenta&iento, an cuando el &aterial no tena propiedades &anéticas, Busual&ente asociadas con el /ierro y el acero, tales co&o el co5re, el 5ronce, el alu&inio o el acero inoxida5le! ;as corrientes de )ddy son corrientes eléctricas inducidas por la acción de trans/or&ador en el &aterial! Co&o su no&5re lo dice, estas corrientes aparecen /luyendo en c-rculos en el interior del &aterial con &asa sólida! )l calenta&iento por corrientes de )ddy es de5ido a calenta&iento provocado por  I % R, esto es, el &is&o Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Cap-tulo #

Introducción #*

e/ecto de una corriente /luyendo por una resistencia! )l estudio del calenta&iento por inducción se centra en el co&porta&iento de las corrientes de )ddy! Lna de las  pri&eras cosas 0ue se hace notar, es 0ue dichas corrientes cu&plen con las leyes de la electricidad! )n el calenta&iento por inducción, las pérdidas por corrientes de )ddy son &ucho &ás i&portantes 0ue las pérdidas por Histéresis! )l calenta&iento por inducción se aplica a &ateriales no &anéticos, los cuales no presentan pérdidas por Histéresis! )n el calenta&iento del acero, para el te&ple, la /or>a, la /undición o cual0uier otro propósito 0ue se re0uieran te&peraturas arri5a de la te&peratura de Curie, B$$(!11E Cent-rados, no se puede depender de la histéresis de5ido a 0ue el acero pierde sus propiedades &anéticas arri5a de esta te&peratura! usto cuando se re0uiere de &ás calenta&iento, el e/ecto de histéresis desaparece! Cuando el acero es calentado por de5a>o del punto de Curie, la contri5ución de la histéresis es de&asiado pe0ueña, de tal &anera 0ue puede ser inorada! Para propósitos prácticos, el calenta&iento de  I % R   de las corrientes de )ddy es la nica &anera en 0ue la ener-a eléctrica puede ser convertida en calor para los propósitos de inducción!

0+2 Aplicacione del calentamiento por ind!cción ;as aplicaciones t-picas del calenta&iento están locali
crisol! • 6or>aJ 8e consiue un calenta&iento ho&oéneo del &aterial para un posterior

 proceso de con/or&ado &ecánico! • 3rata&ientos tér&icosJ ;os &ás co&unes son el te&ple, el revenido y el

nor&ali
Cap-tulo #

Introducción #

trans/or&ación de la estructura y co&posición del acero con o5>eto de au&entar su dure
 pie
sellar añadiendo una /ina cu5ierta &etálica 0ue se caliente por inducción consiuiéndose un posterior peado de5ido a la /usión del plástico del envase 0ue está en contacto con la lá&ina &etálica! • Curado de adhesivos y pastas sellantes B5ondinJ )n el sector auto&otri< se suelen

usar pastas especiales para aseurar el per/ecto sellado y unión de diversas pieora del curado de las &is&as, opti&i
0ue se consiue calentar ciertos utensilios &etálicos de cocina con ran rapide<, seuridad y rendi&iento! • 8o5recalentado de ases ioni
te&peratura es posi5le, &ediante la inducción, au&entar aun &ás la te&peratura del as ya 0ue éste, en /or&a de plas&a, es conductor!

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Cap-tulo #

Introducción #.

• 6a5ricación de se&iconductores! )l calenta&iento por inducción se utili
en procesos de creci&iento de cristales de er&anio y silicio, dopa>e y deposición epitaxial! 0+3 Caracterítica del calentamiento por ind!cción Para la s aplicaciones del calenta&iento por inducción, son dos las caracter-sticas &ás i&portantes 0ue de/inen la e/icacia tér&ica y enerética del proceso %NJ • )l e/ecto Piel 0ue caracteri
 por0ue la intensidad del ca&po &anético alterno 0ue penetra en el &aterial decrece rápida&ente al au&entar su penetración y por lo tanto ta&5ién las corrientes inducidas! • ;a potencia disipada en la pie
eléctrico! ;os pará&etros &ás i&portantes 0ue intervienen en el proceso del calenta&iento por inducción sonJ • ;a /recuencia de la corriente! • ;a naturale
;a distri5ución de la corriente y la ener-a disipada en la pie
∇ E  = r

r

 ρ c ε 

B%!

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Cap-tulo #

Introducción #$

∇ H  = ' r

r

B%!. ∂ B ∇ × E  = − ∂"  r

r

r

B%!$ ∂ B E  ∇ × H  =  J  + ε  ≈  J  =  ρ  ∂"  r

r

r

r

r

r

B%!1 Donde  E  es el ca&po eléctrico,  B  la inducción &anética,  H   el ca&po &anético,  J   la densidad de corriente,  ρ c  la densidad de cara, ε   la constante dieléctrica del &edio  ρ  la resistividad eléctrica! ;a aproxi&ación reali
Con alunas aproxi&aciones, es posi5le encontrar soluciones anal-ticas aun0ue en la &ayor-a de las ocasiones es &e>or o5tener soluciones nu&éricas!

0+6 El e;ecto &iel : la pro;!ndidad de penetración ;a pro/undidad de penetración está deter&inada por el e/ecto Piel cuyo enunciado se puede resu&ir de la &anera siuienteJ SCuanto &ás rande sea la /recuencia de las corrientes en un conductor &ás se concentran estas corrientes en su super/icie!T )sto es consecuencia del e/ecto de di/usión del ca&po &anético y se puede decir 0ue es la noción /unda&ental 0ue rie el calenta&iento por inducción! )n una pri&era aproxi&ación,  para un cilindro la distri5ución del ca&po &anético se puede dar co&oJ

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Cap-tulo #

Introducción #1

B#+ %  x

 H B x =  H ' e r

r

δ 

B%!2 r

donde  x   representa la coordenada radial del cilindro,  H '   es la intensidad del ca&po &anético en la super/icie y δ   es la pro/undidad de penetración de/inida co&oJ %

δ  =

ϖ δ µ 

!

B%!#' 8iendo

la /recuencia de variación del ca&po &anético, σ  la conductividad y

la

 per&ea5ilidad &anética del &aterial conductor! )l valor &edio te&poral de la potencia disipada por unidad de volu&en en el conductor está dada por la expresiónJ

dP  dV 

=

σ 

%

%

 E  = r

σ 

%

%

r

% −

%x

 Z  s  H ' e

δ 

B%!## donde  E  es la intensidad del ca&po eléctrico y  Z  s   es la i&pedancia super/icial de/inida co&oJ

 Z  s =

# +  % σ δ 

!

B%!#% ;a potencia disipada por unidad de super/icie esJ %

dP  dS 

=

r

σ  Z  s  H '

%

% ∞ −

∫' e

% x σ 

 R s  

# − e dx = %  

−

  %  H '   

% r 

r

σ 

B%!#( donde r  es el radio del cilindro y  R s  su resistencia super/icial dada porJ

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Cap-tulo #

 R s = ReB Z s  =

#

Introducción #2

=

σ δ 

 ρ  δ 

B%!#* A  ρ   la resistividad del &aterial! ;a distri5ución de potencia en la pie
 P B x  =  P 'e

−

% x δ 

B%!# donde  P '  es la potencia disipada en la super/icie! +de&ás la densidad de corriente en el cilindro se expresa conJ  x

 J B x =  J 'e

−

δ 

B%!#. donde  J ' es la densidad de corriente en la super/icie! Para un cilindro de radio su/iciente&ente rande, se puede calcular la potencia total disipada  P  con la ecuación %!#$ y la densidad de corriente total 0ue atraviesa la pie
 P  =

% x

∞

∫'

 P 'e δ  dx =  P '

δ 

%

B%!#$

 J  =

∞

∫'  J 'e

−

 x δ 

dx =  J 'δ !

B%!#1

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Cap-tulo #

Introducción %'

A para  x = δ   se tiene 0ueJ

 P Bδ  =  P '

# ≈ '!#(P ' %e

B%!#2

 J Bδ  =  J '

# e

≈ '!($ P ' !

B%!%' Por lo tanto, en la capa de espesor δ   se tiene un 1$Q de la potencia total disipada de5ida a un .(Q de la densidad total de corriente! )n consecuencia, se puede decir 0ue el e/ecto calor-/ico se concentra en esta
6iura %! Distri5ución de la corriente en /unción de la pro/undidad!

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Cap-tulo #

Introducción %#

;as expresiones anteriores conducen a la siuiente de/inición de δ !  S3odo ocurre co&o si se re&pla
δ  =

 ρ  π  f  µ ' µ r 

B%!%# donde se tieneJ  ρ   V Resistividad del &aterial! µ '  V Per&ea5ilidad &anética del vac-o

*π  ×#'−$!

µ r   V Per&ea5ilidad &anética relativa del &aterial!

 f   V 6recuencia de tra5a>o!

;a pro/undidad de penetración dis&inuye cuando la /recuencia au&enta o cuando la  per&ea5ilidad &anética del &aterial au&enta, &ientras 0ue la pro/undidad de penetración au&enta cuando lo hace la resistividad del cuerpo conductor a calentar! )n la /iura %!. se encuentra las curvas de evolución de la pro/undidad de penetración en /unción de la /recuencia para alunos &ateriales!

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Cap-tulo #

Introducción %%

6iura %!. Curva de la pro/undidad de penetración en /unción de la /recuencia para diversos &ateriales! Por lo tanto la elección de la /recuencia de /unciona&iento es uno de los pará&etros &ás i&portantes 0ue se ha de tener en cuenta en el diseño de una aplicación de calenta&iento  por inducción! +s-, por e>e&plo, para la /or>a de &etales con si&etr-a cil-ndrica donde se pretende un calenta&iento ho&oéneo de la pie
0+7 Reitencia e
 NI  l 

  y se intera para toda la super/icie se puede o5tener la

 potencia total disipada dada porJ Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Cap-tulo #

Introducción %(

#  H   P  =  R s K  R S  %  I % % l  B%!%% donde  N   es el n&ero de espiras de la 5o5ina de inducción, l   su lonitud,  I   la corriente 0ue lo atraviesa y S   la super/icie total calentada de la pie
 K  R = # − e

−

% R δ 

!

B%!%( De la ecuación %!%( se deduce 0ue, a e/ectos de disipación, la pie
B%!%* siendo r  el radio de la pie
;os inductores con &ayor n&ero de espiras o5tienen una disipación &ayor de ener-a!

•

;a potencia disipada au&enta cuando se incre&enta la resistividad del &aterial! +sse explica 0ue en &ateriales co&o el acero se disipa &ayor ener-a a &edida 0ue au&enta la te&peratura Bdentro de un rano li&itado por la te&peratura de Curie  puesto 0ue ta&5ién au&enta su resistividad!

8e disipa &ayor ener-a cuando dis&inuye la pro/undidad de penetración de las corrientes inducidas, ello explica 0ue para au&entar la e/icacia del calenta&iento por inducción de alunos &ateriales co&o el co5re o el alu&inio de 5a>o valor de resistividad y

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Cap-tulo #

Introducción %*

 per&ea5ilidad &anética, haya 0ue au&entar la /recuencia de la corriente con el o5>eto de dis&inuir δ   y con ello au&entar la potencia disipada! 3a&5ién se puede explicar 0ue en el acero caia 5rusca&ente la potencia cuando se alcan
0+7+/ Coe;iciente de temperat!ra de reitencia +lunos &ateriales conductores co&o el co5re y el alu&inio, la resistencia crece de /or&a lineal con incre&entos d e te&peratura por enci&a de los ranos de te&peratura nor&ales! )n contraste con alunas aleaciones co&o co5re .'Q y n-0uel *'Q cuya resistencia es a/ectada por pe0ueños ca&5ios de te&peratura! 6inal&ente en alunos ele&entos co&o el car5ono, el er&anio o el silicio, hay una reducción de resistencia con incre&entos de te&peratura N!

)l ca&5io de resistencia con la te&peratura es &edido por el coe/iciente de te&peratura de la resistencia α !   )sto nor&al&ente se de/ine co&o una variación de    por



E C 

  a una

te&peratura de %'EC y con un au&ento de te&peratura en rados cent-rados BCelsius, esto es

 

, en la ta5la %!# se &uestran los coe/icientes de te&peratura de resistencias a %'EC N!

EC 

3a5la %!# Coe/icientes de te&peratura de resistencias a %'EC! Material conductor

=ariación de   por

Plata

'!''(1

+lu&inio

'!''(2

Co5re

'!''(2(



E C 

 a %' EC

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Cap-tulo #

Introducción %

3unsteno

'!''*

Hierro

'!''

 G-0uel

'!''.

Constantan

'!''''''1

Car5ón

:'!'''

;a resistencia  R  a una te&peratura ' ,  está dada porJ  RB"  =  R' ref   B# + α ' B'  − ' ref   + β B'  − ' ref   % !

B%!%. Donde α  y  β    son constantes y  R'  es el valor de resistencia dado por la re/erencia de ref  

te&peratura ' ref    N!

0+= E
Lno o varios inductores de calenta&iento! Co&o se &enciono anterior&ente, el inductor es el responsa5le directo de la eneración de ca&pos &anéticos en las  proxi&idades del &aterial a calentar!

•

8iste&a de ali&entación eléctrica! )s necesario una /uente eléctrica para la ali&entación del inductor con la /recuencia y potencia 0ue re0uiere la aplicación!

•

?ater-a de capacitores de co&pensación! 8e re0uiere para conseuir 0ue el /actor de  potencia de la cara sea próxi&o a la unidad a la /recuencia de /unciona&iento!

•

)0uipo de re/rieración! )l inductor y de&ás co&ponentes Bcapacitores y ele&entos de potencia necesitan disipar ran ener-a! )l ele&ento re/rierante usado suele ser aua en la &ayor-a de los casos! Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Cap-tulo # •

Introducción %.

8iste&a de control de la aplicación! Co&prende un &anipulador de las pie
;os inductores se construyen eneral&ente con co5re electrol-tico para reducir al &áxi&o las pérdidas por e/ecto oule! +n as-, estas pérdidas son randes y es necesario utili
6iura %!$ )s0ue&a de una aplicación de calenta&iento por inducción! ;a concepción eo&étrica del inductor está en /unción de la aplicación del calenta&iento y su diseño es, en ciertos casos, di/-cil co&o en hornos de alta potencia Barri5a de $=+! )l siste&a de ali&entación eléctrica está constituido por un convertidor 0ue a partir de corrientes a la /recuencia de red enera otra corriente de la /recuencia deseada destinada a la ali&entación del inductor de calenta&iento! + continuación se da una relación de los di/erentes tipos de convertidores sen aparecieron en el transcurso de los lti&os años!

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Cap-tulo #

Introducción %$

0+=+/ Con5ertidore rotati5o 8u utilia ya 0ue el acoplo entre el &otor y el alternador as- lo es! ;a nica &isión de la 5ater-a de capacitores es conseuir un /actor de potencia en la cara cercano a la unidad! )n &uchas aplicaciones la i&pedancia de la cara var-a durante el calenta&iento y es necesario un siste&a electro&ecánico capa< de 0uitar o añadir capacidad en la 5ater-a para &antener la co&pensación durante el proceso! )n la /iura %!1 se &uestra un es0ue&a del enerador rotativo!

6iura %!1 )s0ue&a de un enerador rotativo! ;os dispositivos de excitación varia5le per&iten variar proresiva&ente la tensión de salida del alternador con lo 0ue se puede reular la potencia en la cara!

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Cap-tulo #

Introducción %1

;os convertidores rotativos tienen rendi&ientos a potencia no&inal del orden del 1Q en la a&a de /recuencia de # a ( H< y del $Q al 1'Q en la a&a de ( a #'Ho de su valor no&inal los rendi&ientos  5a>an! )n la actualidad los convertidores rotativos han 0uedado práctica&ente en desuso ya 0ue han sido a&plia&ente superados por otros tipos de convertidores estáticos de ran cantidad calidad y rendi&iento!

0+=+0 Generador con t!>o electrónico Hasta la aparición de los eneradores a transistores las aplicaciones de /recuencias por enci&a de #' H< se han resuelto &ediante el uso de eneradores con tu5os electrónicos 0ue pueden /uncionar desde * H< hasta % MH< con potencias entre # O y # MO #N! 8e co&ponen esencial&ente de las siuientes partesJ •

Lna /uente de tensión continua de  = a # = co&puesta por un trans/or&ador tri/ásico elevador y un recti/icador de alta tensión! Gor&al&ente la reulación de la tensión de salida se reali
•

Lna etapa osciladora co&puesta por un circuito de uno o varios triodos Btu5o electrónico!

•

Ln trans/or&ador de acopla&iento para el circuito de cara!

Dentro de este es0ue&a eneral existen dos variantes dependiendo de cual es la conexión de los capacitores de co&pensación! ;os eneradores clásicos tienen estos capacitores en el circuito de alta tensión &ientras 0ue en los eneradores aperiódicos van conectados en el secundario del trans/or&ador de adaptación, en el circuito de 5a>a tensión!

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Cap-tulo #

Introducción %2

Lna de las &ayores venta>as de estos eneradores es 0ue son circuitos auto oscilantes y por lo tanto, su /unciona&iento es, en principio, independiente de la /recuencia de resonancia de la cara! )l rendi&iento de estos eneradores es del orden del $'Q con /recuencias de /unciona&iento de hasta #'' Ha al Q! Con el uso de los trans/or&adores aperiódicos los capacitores están en el secundario y sólo se transporta potencia activa desde el enerador al circuito de cara! )n este caso el rendi&iento &e>ora de  a #' puntos #N! Lna desventa>a de estos eneradores es la li&itada duración del tr-odo cuya vida está co&prendida eneral&ente entre $''' y #'''' horas! 7tro pro5le&a de estos e0uipos está relacionado con la seuridad de las personas de5ido a la presencia de alta tensión! )n alunas aplicaciones clásicas con eneradores de tu5os electrónicos, los capacitores de la etapa oscilante están en la estación de calenta&iento con lo 0ue aparece alta tensión en los ca5les de transporte y capacitores! )n cual0uier caso, el triodo sie&pre se ali&enta con alta tensión! )n la /iura %!2 se &uestran diara&as a  5lo0ues de eneradores con tu5os electrónicos!

Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Cap-tulo #

Introducción ('

6iura %!2 Diara&a de 5lo0ues de los eneradores con tu5os electrónicos!

0+=+1 Generadore et?tico con tiritore )ste tipo de eneradores tra5a>a en &ediana /recuencia de #' H< a #' H
4eneradores con cara paralelo!

•

4eneradores con cara serie!

Generadore con carga paralelo 8e co&ponen /unda&ental&ente de lo siuienteJ

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Cap-tulo #

Introducción (#

•

Ln trans/or&ador de entrada destinado a adaptar la tensión de la red a la salida!

•

Ln recti/icador tri/ásico co&pleto controlado con una inductancia de /iltro con lo 0ue este con>unto se convierte en una /uente de corriente continua reulada!

•

Ln puente inversor &ono/ásico destinado a trans/or&ar la corriente continua del recti/icador en corriente de &ediana /recuencia!

•

)l circuito de cara /or&ado por el paralelo del inductor y los capacitores de co&pensación!

+nte un pulso de corriente, este circuito de cara tiende a oscilar a su /recuencia de resonancia! De está &anera con un control adecuado de la secuencia de conducción de los tiristores, el inversor puede /uncionar auto&ática&ente a la /recuencia de resonancia de la cara! ;a /recuencia de /unciona&iento es por lo tanto varia5le y autoa>usta5le dentro de un rano aproxi&ado del %Q alrededor de la /recuencia no&inal de /unciona&iento! ;a tensión de salida del inversor es directa&ente proporcional a la del recti/icador para un /actor de potencia e la cara, con lo 0ue se puede reular /ácil&ente la potencia entreada a la cara &ediante el control del recti/icador! )n la /iura %!#' se &uestra el diara&a de un enerador paralelo!

6iura %!#' Diara&a de 5lo0ues de los eneradores paralelo! ;a posi5ilidad de disponer de tiristores de ran capacidad de corriente per&ite 0ue la a&a de potencia de este tipo de eneradores vaya desde alunas decenas de O hasta ( MO!

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Cap-tulo #

Introducción (%

;os rendi&ientos son 5uenos incluso a 5a>as caras &uy por de5a>o de la potencia no&inal! Desde #'' H< hasta * H< los rendi&ientos son superiores al 2Q y de * H< a #' H< al 2'Q! +l ser un circuito controlado por corriente, los inversores con cara paralela tienen una ran /ia5ilidad en caso de cortocircuito en la salida, &uy usada en ciertas aplicaciones de calenta&iento por inducción! 8e puede esta5lecer la siuiente lista de venta>as de estos e0uipos /rente a los convertidores rotativosJ •  Go hay pie
se reduce! •

Por la &is&a ra<ón el ruido acstico producido es pe0ueño!

•

)l rendi&iento es &e>or incluso en vac-o!

•

;a adaptación de la /recuencia es auto&ática con lo 0ue se consiue en todo &o&ento una 5uena adaptación del enerador a la cara sin necesidad de ca&5iar la capacidad de co&pensación!

•

;a reulación de potencia es precisa con lo 0ue se &e>ora la calidad del calenta&iento!

3al ve< el inconveniente de estos eneradores radica en la necesidad de un circuito o secuencia especial de arran0ue para llevar la /recuencia de disparo de los tiristores del inversor cerca de la de resonancia de la cara! 8in e&5aro, con 5uenas técnicas de control se puede lorar 0ue el proceso de arran0ue sea seuro y práctica&ente instantáneo con lo 0ue no supone una li&itación i&portante!

0+=+2 Generadore con carga erie )stos eneradores estáticos con tiristores se co&pone deJ •

Ln con>unto de 5o5inas 0ue aseuren el /iltrado correcto de la red! Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Cap-tulo # •

Introducción ((

Ln recti/icador tri/ásico co&pleto no controlado con un capacitor de /iltrado! De esta &anera el con>unto recti/icador y capacitor constituye una /uente de tensión!

•

Ln puente inversor &ono/ásico con tiristores!

•

)l circuito de cara /or&ado por la 5o5ina de inducción y los capocitores de co&pensación!

Mediante el disparo correcto de los tiristores se o5tiene una corriente senoidal a través de la cara! ;a /recuencia de la oscilación está, /i>ada por el control del inversor y se puede reular la potencia de salida acercando esta /recuencia a la de resonancia serie de la cara! ;a venta>a de este tipo de eneradores estri5a esencial&ente en 0ue no es necesario ninn circuito auxiliar de arran0ue! )sta cualidad es particular&ente interesante para las aplicaciones de calenta&iento de alta cadencia, ya 0ue se puede entrear la potencia &áxi&a casi instantánea&ente! +de&ás, la /uente de tensión está /or&ada por un recti/icador no controlado y un capacitor de /iltro cuyo costo y co&ple>idad es &ucho &enor 0ue la del recti/icador controlado y la volu&inosa inductancia de alisa&iento 0ue constituye la /uente de corriente en un enerador paralelo! )n la /iura %!## se &uestra un enerador serie!

6iura %!## Diara&a de 5lo0ues de los eneradores serie! 8in e&5aro, existen alunos inconvenientes /rente al enerador paralelo co&o sonJ •

;a reulación de la potencia de salida es &enos precisa so5re todo a 5a>as caras! Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción

Cap-tulo #

Introducción (*

•

;a protección para cortocircuitos en la cara es &ás co&plicada!

•

)l rendi&iento es alo &enor Bdel orden del 2'Q a #' H< de5ido a 0ue la corriente reactiva atraviesa los tiristores!

0+=+3 Generadore con tranitore )l uso de transistores per&ite un &ayor control y rapide< de los procesos de con&utación de tal &odo 0ue estos eneradores pueden tra5a>ar a /recuencias &ayores 0ue los eneradores con tiristores! )n la actualidad existen di/erentes tipos de transistores tiles para las aplicaciones de calenta&iento por inducción y 0ue cu5ren las di/erentes a&as de potencia y /recuencia! )stos sonJ ;os transistores 5ipolares, usual&ente con estructura Darlinton, los transistores I4?3 y los transistores M786)3! )n la /iura %!#% se &uestra la capacidad actual de los eneradores transistori
6iura %!#% Capacidad actual de eneradores con tiristores y transistores!

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Cap-tulo #

Introducción (

8e o5serva 0ue en 5a>as /recuencias el uso de transistores no está reco&endado nica&ente  por raar randes corrientes y tensiones! +de&ás es en este se&ento de /recuencias donde las aplicaciones industriales de&andan &ayores  potencias B/usión y randes /or>as, entre otros! )n el se&ento co&prendido entre # 9H< y #' 9H< tanto el precio co&o las prestaciones técnicas de tiristores y transistores I4?3 son co¶5les! 8in e&5aro, a partir de #' 9H< los tiristores no pueden usarse y los transistores I4?3 cu5ren las necesidades hasta los #'' 9Has e inconvenientes! 3an solo hay 0ue reseñar 0ue la posi5ilidad de controlar tanto la conducción co&o el corte de los con&utadores con transistores /rente a los tiristores, per&ite el /unciona&iento de los eneradores con cara paralela sin necesidad de circuitos adicionales de arran0ue! Para los eneradores con cara serie el uso de transistores per&iten otros &odos de /unciona&iento y reulación de potencia ade&ás de la variación de /recuencia! Mediante

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Cap-tulo #

Introducción (.

los &odos de desplaora la precisión de la reulación de la potencia en cual0uier condición!

0+=+6 Tipo de generadore en relación con la aplicación Co&o ya se citó en el apartado #!(, las di/erentes aplicaciones del calenta&iento por inducción caracteri
3a5la %!% 3ipos de eneradores y a&as de potencia y /recuencia en /unción de su aplicación!  P  en O

 f  en HW

+plicación

3ipo de enerador

# a %''

% a %'

6usión en la5oratorio

3iristores, transistores, válvulas

% a #''''

'!# a #'

6usión en industria

3iristores, transistores

 a '''

'!% a #'

6or>a

3iristores, transistores

 a #'''

( a #'

3e&ple con penetración X

3iristores, 3ransistores,

%&&

válvulas

3e&ple con penetración Y

3ransistores, válvulas

 a ''

% a %'

%&& ' a #'''

' a ''

8oldadura de tu5os

3ransistores, válvulas

# a *''

%'' a #'''

+plicaciones especiales

3ransistores, válvulas

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