diseño y analisis en hornos de induccion
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7/21/2019 Diseño y Analisis en Hornos de Induccion
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i
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA“JOSÉ MARÍA MORELOS Y PAVÓN”
Departamentode Ingeniería Electrónica del
Intit!to Tecnológico de Morelia
"ANALISIS # DISE$O DE UNIN%ERSOR RESONANTE
&ARA 'ORNO DE INDUCCIÓN(
Morelia, Michoacán, México
7/21/2019 Diseño y Analisis en Hornos de Induccion
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Índice ii
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
)NDICE
Páina
LISTA DE *IGURAS+!!""""""""""""""""""""""!"" iv
LISTA DE TA,LAS+""""""""""""""""""""""!!""!!! viii
GLOSARIO DE T-RMINOS+!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ix
O,.ETI%O+!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! xiv
.USTI*ICACIÓN+"!!!""""""""""""""""""""""""!! xv
MOTI%ACIÓN+""!!!""""""""""""""""""""""""!! xvi
RESUMEN+"!!!"""""""""""""""""""""""""""! xvii
CA&)TULO /+
/ INTRODUCCIÓN+""""""!!!""""""""!!"""""""""! #
CA&)TULO 0+
0 MARCO TEÓRICO+"""""""""""""!!!"""""""""" $
%!# Calenta&iento por inducción"""""""""""""""""""!!! $
%!% Pérdidas por histéresis""""""""""""""""""""""!!#'
%!( Pérdidas por corrientes de )ddy""""""""""""""""""!! #(
%!* +plicaciones del calenta&iento por inducción""""""""""""" #*
%! Caracter-sticas del calenta&iento por inducción""""""""""""!!#.%!. )l e/ecto Piel y la pro/undidad de penetración""""""""""""" #$
%!$ Resistencias e0uivalentes"""""""""""""""""""""! %%
%!1 )0uipos para calenta&iento por inducción""""""""""""""!! %
CA&)TULO 1+
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Índice iii
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
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 convertidor"""""""""""""""! $
(! )structura de los convertidores estáticos"""""""""""""""! $#
(!. Celdas ele&entales de con&utación""""""""""""""""!!! $(
(!$ Inversores resonantes""""""""""""""""""""""!! $1
(!1 4eneradores con circuitos resonantes serie"""""""""""""" 1
(!2 +nálisis del inversor resonante serie en puente""""""""""""!!! 2'
CA&)TULO 2+
2 ARMÓNICOS # *ACTOR DE &OTENCIA EN SISTEMAS
CONMUTADOS+!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 2$
*!# 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"""""""""""!!! #'%*!* Medidas correctivas"""""""""""""""""""""""! #'(
*! Distorsión ar&ónica total"""""""""""""""""""""! #'(
*!. 6actor de potencia"""""""""""""""""""""""!!! #'*
*!$ +nálisis para la señal &ono/ásica senoidal""""""""""""""! #'$
*!1 +nálisis para siste&as de tres hilos"""""""""""""""""!! ##(
CA&)TULO 3+3 Die4o del in5eror reonante+!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ##1
!# Co&ponentes del siste&a"""""""""""""""""""""! ##1
!% )tapa de ali&entación del inversor"""""""""""""""""!! ##2
!( Inversor resonante"""""""""""""""""""""""!!!! #%$
!* Circuito de disparo de los M786)3"!!!!!!""""""""""""""!! #((
! Módulo de sensado de corriente y control de a&arre de /ase""""""""" #($
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Índice iv
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
!. )s0ue&a de control del &icrocontrolador""""""""""""""""! #*#
CA&)TULO 6+
6 &RUE,AS # RESULTADOS+!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! #*
CA&)TULO 7+
7 CONCLUCIONES+!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ##
,I,LIOGRA*)A+""""!!!""""""""""""""""!""""!!!!!! #(
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iv
LISTA DE *IGURAS
Páina
6iura #!# )/iciencia de los hornos de inducción para di/erentes /uentes! (
6iura #!% Co¶ción de tie&pos de calenta&iento de hornos!
6iura #!( Desarrollo del costo por 9ilovatio de los siste&as de inducción! .
6iura %!# Principio del calenta&iento por inducción! 1
6iura %!% Circuito e0uivalente del inductor: cara! 2
6iura %!( ;a<o de histéresis de di/erentes &ateriales! #'
6iura %!* Ciclo de histéresis! #%
6iura %! Distri5ución de la corriente en /unción de la pro/undidad! %'
6iura %!. Curva de la pro/undidad de penetración contra /recuencia! %#
6iura %!$ )s0ue&a de una aplicación de calenta&iento por inducción! %.
6iura %!1 )s0ue&a de un enerador rotativo! %$6iura %!2 Diara&a de 5lo0ues de los eneradores con válvula! %2
6iura %!#' Diara&a de 5lo0ues de los eneradores paralelo! (#
6iura %!## Diara&a de 5lo0ues de los eneradores de serie! ((
6iura %!#% Capacidad actual de eneradores con tiristores y transistores! (*
6iura (!# Circuito e0uivalente al inductor con la pie<a a calentar! ($
6iura (!% Circuito resonante serie de puente co&pleto y su e0uivalente! *'
6iura (!( 6or&as de onda del circuito resonante serie de puente co&pleto! *'6iura (!*
' Z Z co&o una /unción de
' f
f y !#' LQ Z R = *
6iura (! =alores constantes de !#' LQ Z R = *
6iura (!. +&plitud nor&ali<ada de la corriente a través del circuito *$
6iura (!$ +&plitud nor&ali<ada del volta>e en el inductor resonante L ! *1
6iura (!1 +&plitud nor&ali<ada del volta>e en el capacitor resonante C ! '
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;ista de /iuras v
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
6iura (!2 +&plitud nor&ali<ada del volta>e en ter&inales del inductor L ! #
6iura (!#' +&plitud nor&ali<ada del volta>e en el inductor de resonancia L ! %6iura (!## Circuito resonante serie con trans/or&ador de aisla&iento!
6iura (!#% Circuito resonante paralelo con trans/or&ador de adaptación! .
6iura (!#( Di/erentes tipos de /uentes! .'
6iura (!#* Caracter-stica estática de un con&utador! .(
6iura (!# Caracter-stica estática de los con&utadores de dos se&entos! .(
6iura (!#. Caracter-stica estática de los con&utadores de tres se&entos! .*
6iura (!#$ Caracter-stica está tica de los con&utadores de cuatro se&entos! .*
6iura (!#1 Con&utador de dos se&entos! .$
6iura (!#2 Con&utador tipo 3, un solo ter&inal para con&utación suave! .1
6iura (!%' Con&utador de tres se&entos 5idireccional en corriente! .1
6iura (!%# Con&utador de tres se&entos 5idireccional en tensión! $'
6iura (!%% Conexiones entre /uentes en convertidores estáticos directos! $%
6iura (!%( Convertidores directos duales con topolo-a puente co&pleto $%
6iura (!%* Celda ele&ental de dos con&utadores! $*
6iura (!% Convertidores con una celda ele&ental! $.6iura (!%. Diversas conexiones de celdas ele&entales en puentes co&pletos! $.
6iura (!%$ Celdas ele&entales para puentes con /uente de tensión! $$
6iura (!%1 Celdas ele&entales para puentes con /uente de corriente! $$
6iura (!%2 Co&porta&iento del circuito resonante serie! 1'
6iura (!(' 7ndas asociadas a los distintos &odos de con&utación! 1#
6iura (!(# 3opolo-a de inversores resonantes serie en con&utación suave! 1#
6iura (!(% Co&porta&iento del circuito resonante paralelo! 1(6iura (!(( 7ndas asociadas para los distintos &odos de con&utación! 1(
6iura (!(* 3opolo-a del inversor resonante paralelo en con&utación suave! 1(
6iura (!( 3roceador de un enerador resonante paralelo! 1.
6iura (!(. Recti/icador controlado de un enerador resonante paralelo! 1.
6iura (!($ 8iste&a de reulación para eneradores serie de reulación 12
6iura (!(1 Diara&a del inversor! 2'
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;ista de /iuras vi
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
6iura (!(2 Corriente de cara para el circuito del caso #! 2%
6iura (!*' Corriente en el circuito para el caso %! 2*6iura (!*# Corriente en el circuito para el caso (! 2
6iura *!# Distri5ución de las corrientes ar&ónicas! 22
6iura *!% Distri5ución de las corrientes ar&ónicas en las ra&as! 22
6iura *!( Distri5ución de las corrientes ar&ónicas en el neutro! #''
6iura *!* 3riánulo de potencia! #'*
6iura *! Paralelep-pedo de potencia! #'
6iura !# Diara&a de 5lo0ues del siste&a! ##1
6iura !% Diara&a de la /uente de tensión! ##2
6iura !( Diara&a de la /uente de tensión con valores! #%'
6iura !* Circuito d e precara del recti/icador! #%'
6iura !. Resistencias de precara del capacitor de salida de la /uente! #%#
6iura !$ Circuito del /iltro de la /uente de ali&entación! #%%
6iura !1 6unción de trans/erencia del /iltro LC ! #%%
6iura !2 Circuito del /iltro de la /uente de tensión, para la si&ulación! #%(
6iura !#' 8i&ulación del /iltro de la /uente de ali&entación! #%(6iura !## 6uente de tensión y conexión de las resistencias de descara! #%*
6iura !#% ?o5ina de /iltrado de la /uente de tensión! #%*
6iura !#( 6iltro de salida de la /uente de tensión! #%
6iura !#* 8i&ulación del /iltro de la /uente de ali&entación! #%.
6iura !# 6uente de ali&entación de tensión! #%.
6iura !#. Inversor puente co&pleto! #%$
6iura !#$ 8-&5olo y encapsulado de M786)3! #%$6iura !#1 Respuesta de la señal de corriente del inversor resonante! #('
6iura !#2 Capacitor de resonancia! #(#
6iura !%' Inductor de resonancia! #(#
6iura !%# Diara&a eléctrico del &ódulo del inversor resonante! #(%
6iura !%% Diara&a del circuito opto:acoplador 3;P%'! #((
6iura !%( Circuito de disparo de M786)3! #((
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;ista de /iuras vii
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
6iura !%* Circuito de con&utación de los M786)38! #(
6iura !% )tapa de disparo de los M786)38! #(.6iura !%. 3rans/or&ador de corriente! #($
6iura !%$ Diara&a del circuito &icrocontrolador MC.1HC2'1@A*! #(1
6iura !%1 Circuito de a&arre de /ase BP;;! #(1
6iura !%2 6or&as de onda para ala detección de cruce por cero! #(2
6iura !(' Circuito de control! #(2
6iura !(# )tapa del circuito detector de cruce por cero! #*'
6iura !(% )tapa de control de potencia y sensado de corriente! #*#
6iura !(( Diara&a de /lu>o del prora&a de control! #*%
6iura !(* 6uente de ali&entación del circuito de control! #*(
6iura !( 6uente de ali&entación para los disparos de los M786)38! #**
6iura .!# Conexión del &icrocontrolador! #*
6iura .!% Circuito resonante en serie! #*.
6iura .!( 8eñales de disparo y /or&as de onda en el circuito serie! #*.
6iura .!* Corriente en la 5o5ina de inducción a ##!$H< y #%!'.H<! #*$
6iura .! Corriente en la 5o5ina de inducción a #(!H< y #(!2$H<! #*$6iura .!. Corriente en la 5o5ina de inducción a #*!$2H< y #!2%H<! #*1
6iura .!$ Corriente en la 5o5ina de inducción a #.!.#H< y #$!(.H<! #*1
6iura .!1 Corriente en la 5o5ina de inducción a #1!2H< y #2!**H<! #*1
6iura .!2 Corriente en la 5o5ina de inducción a %'!(2H< y %#!(H<! #*2
6iura .!#' Corriente en la 5o5ina de inducción a %.!*2h< y ((!##H<! #*2
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viii
LISTA DE TA,LAS
Páina
3a5la %!# Coe/icientes de te&peratura de resistencia a %'EC! %*
3a5la %!% 3ipos de eneradores con a&as de potencia y /recuencia! (.
3a5la *!# Distri5ución de las co&ponentes si&étricas y su ánulo! #'#
3a5la *!% +r&ónicas y su u5icación en co&ponentes de secuencia F, : ó '! #'#
3a5la *!( )cuaciones para siste&as tri/ásicos con ondas no senoidales! ##$
3a5la !# Caracter-sticas principales del transistor M786)3 IR6P*.'! #%1
3a5la .!# Prue5as de calenta&iento para di/erentes &ateriales! #'
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xiii
GLOSARIO DE T-RMINOS
)n este apartado se presentan las a5reviaturas utili<adas, al tie&po 0ue se reali<a una 5reve
descripción de las &is&as! )stas a5reviaturas representan la no&enclatura usada en la
tesis!
dS
dP
Densidad de potencia por unidad de super/icie!
dV
dP Densidad de potencia por unidad de volu&en!
σ Conductividad del &aterial conductor!
φ 6lu>o del ca&po &anético!
6recuencia en radianes seundo de variación de ca&pos y corrientes!
ρ Resistividad eléctrica!
c ρ Densidad de cara!
δ Pro/undidad de penetración!
Per&ea5ilidad &anética del &aterial conductor!
'µ Per&ea5ilidad &anética del vac-o $#'* −×π !
r µ Per&ea5ilidad &anética relativa del &aterial!
B Inducción &anética!
E Ca&po eléctrico!
f 6recuencia de tra5a>o!
fem 6uer<a electro&otri<!
H Ca&po &anético!
' H Ca&po &anético en la super/icie!
i I , Corriente por el inductor!
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4losario de 3ér&inos xiv
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
pi Corrientes inducidas en las pie<as!
J Densidad de corriente!
' J Densidad de corriente en la super/icie!
R K 6actor de corrección de la resistencia e0uivalente!
l ;onitud del circuito &anético o inductor!
N G&ero de espiras del inductor!
P Potencia disipada en la resistencia e0uivalente de la pie<a a calentar!
' P Potencia disipada en la super/icie de la pie<a!
r Radio del cilindro!
eq R Resistencia e0uivalente por la 0ue circula la corriente inducida!
s R Resistencia super/icial!
S 8uper/icie total calentada de la pie<a!
x Coordenada radial del cilindro!
s Z I&pedancia super/icial de la pie<a!
β Parte i&ainar-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 seundo!
P 'ϖ 6recuencia de resonancia en paralelo del circuito ;CC!
oS ϖ 6recuencia de resonancia serie del circuito C;C!
#ϖ 6recuencias 0ue de/inen el ancho de 5anda del circuito!
%ϖ 6recuencia en seg rad nor&ali<ada a la /recuencia de resonancia!
nϖ +ncho de 5anda del circuito!
B =alor del capacitor!
C Capacitor e0uivalente en el circuito C;C!
eqC Capacitor en paralelo en el circuito C;C!
P C Capacitor en serie en el circuito C;C!
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4losario de 3ér&inos xv
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
S C 6actor de disipación!
! 6unción de trans/erencia!B s H 4anancia de corriente!
i H 4anancia de corriente en el capacitor!
iC H 4anancia de corriente en el inductor!
iL H 4anancia de tensión!
VL H 4anancia de tensión en el capacitor!
K i 4anancia de tensión en el inductor!B" i Corriente alterna del circuito!
C i Corriente por el capacitor!
K i Corriente por el con&utador!
Li Corriente por el inductor!
L Inductancia en la 5o5ina!
eq L Inductancia e0uivalente en el circuito ;;C!
P L Inductancia paralelo en el circuito ;;C!
s L Inductancia serie en el circuito ;;C!
N Relación de trans/or&ación!
ac" P Potencia activa!
i P Polo de la /unción de trans/erencia!
reac" P Potencia reactiva!
P# Modulación por anchura de pulso!Q 6actor de calidad!
P Q 6actor de calidad del circuito resonante paralelo!
S Q 6actor de calidad del circuito resonante serie!
eq R Resistencia e0uivalente conectada en serie!
P R Resistencia e0uivalente conectada en paralelo!
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4losario de 3ér&inos xvi
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
s =aria5le de la trans/or&ada de ;aplace!
N s =aria5le de la trans/or&ada de ;aplace nor&ali<ada!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!
B % Z 6unción i&pedancia!
ZCS Con&utación con corriente nula!
ZVS Con&utación con tensión nula!
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xiv
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!
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xv
.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 rano de /recuencia de #''H< y
%''H< ha sido de ran interés de5ido a la rapide< de calenta&iento 0ue se o5tiene! 8in
e&5aro para esas /recuencias se re0uiere usar dispositivos se&iconductores de alta
velocidad, estos dispositivos de con&utación a5sor5en potencia cuando se encienden o se
apaan 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&utaciónresonantes, la con&utación tiene luar cuando la tensión yo 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!
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xvi
MOTI%ACIÓN
)l &otivo para reali<ar este proyecto es por la i&portancia 0ue tienen los hornos de
inducción en la industria y 0ue per&iten el calenta&iento de &ateriales /erro&anéticos
conductores sin contacto /-sico con ellos! ;a li&pie<a y la alta velocidad de calenta&iento
0ue se consiue con siste&as de calenta&iento por inducción, hacen 0ue este proceso
encuentre un ran n&ero de aplicaciones industriales! )ntre ellas se pueden &encionarJ
• Cocinas de inducción!
• 6undición industrial!
• 6undición en >oyer-a!
• 6undición en la5oratorios!
• 8oldadura de di/-cil acceso!
•
3e&ple de pie<as de &a0uinaria!
• Revenido de pie<as &etálicas!
• 6or>a de pie<as &etálicas!
)l interés /unda&ental para la reali<ación de este proyecto /ue incursionar en los hornos de
inducción, tanto en su diseño co&o en su construcción!
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xvii
RESUMEN
)l presente tra5a>o está orani<ado de la siuiente /or&aJ )n la pri&era parte de la tesis se da
una introducción al calenta&iento por inducción y se descri5e sus conceptos 5ásicos! De iual
/or&a se descri5en las aplicaciones de los hornos de inducción y las caracter-sticas 0ue tiene el
calenta&iento por inducción! 3a&5ién se da una relación de los di/erentes tipos de
convertidores sen aparecieron en el transcurso de los lti&os años, para posterior&ente
descri5ir los tipos de eneradores en relación con la aplicación! )n el cap-tulo % se descri5e el
circuito resonante tipo serie de/iniendo sus conceptos 5ásicos 0ue lo caracteri<an, as- ta&5ién
se dan las caracter-sticas de las /uentes de tensión y de corriente, de iual &anera se
&encionan la de los con&utadores, al /inal de esta parte se da un análisis del inversor
resonante serie en puente! Por otra parte en el cap-tulo * se &encionan los /unda&entos
5ásicos para estudiar el pro5le&a del 5a>o /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 lasecuaciones 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<ación del prototipo utili<ado! 8on descritas las di/erentes etapas de las 0ue se co&pone el
siste&a as- co&o las consideraciones necesarias para cada una de ellas! 6inal&ente, en el
cap-tulo . se presentan las prue5as reali<adas para di/erentes valores de potencia y los
resultados experi&entales o5tenidos so5re el inversor resonante serie con transistores
M786)3 para calenta&iento por inducción!
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#
CA&)TULO /
INTRODUCCIÓN
)l naci&iento de la tecnolo-a de la inducción electro&anética 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
investiadores tra5a>aron en este e/ecto concentrándose en el desarrollo de e0uipos de
corriente alterna de alta /recuencia!
6ue en el silo KIK, cuando se lora 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 noconductores, en estos diseños las corrientes eléctricas se induc-an directa&ente en la cara,
nor&al&ente a la /recuencia de la l-nea /unda&ental de .' H<! De5e notarse 0ue los
pri&eros hornos para /undición, usa5an crisoles en /or&a de anillo 0ue ayuda5a a reali<ar
la /undición! )sta práctica /unda&ental ten-a las di/icultades inherentes de provocar
es/uer<os &ecánicos en la /undición de5ido a la interacción entre las corrientes de )ddy en
la cara y las corrientes 0ue /luyen en la 5o5ina de inducción! Ln caso extre&o, es el
e/ecto causado por los es/uer<os en la /undición donde la rotura del circuito eléctriconecesario para la inducción es posi5le en el horno de inducción! ;os pro5le&as de este tipo
eran &uy raves en la /undición de &ateriales no /errosos!
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Cap-tulo # Introducción %
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
;os anillos en los hornos de inducción se re&pla<aron a principios de #2'', por Gorthrup
0uien diseñó y construyó e0uipos 0ue consisten en un crisol cil-ndrico y una /uente de poder 5asado en válvulas de vac-o, operando a &ayor /recuencia! )ste e0uipo se usó
pri&ero por co&pañ-as para /undir platino y por la Co&pañ-a de ;atón +&ericana para
/undir otras aleaciones no /errosas %N! 8in e&5aro, el potencial de aplicaciones de estos
ncleos en los hornos de inducción esta5an li&itados por la potencia de los eneradores!
)sta li&itación se solucionó hasta #2%% por el desarrollo del con>unto &otor:enerador,
donde se pod-an o5tener niveles de varios cientos de iloOatts de potencia a /recuencias
de hasta 2.' H<! )n #2.' las /uentes de poder &otor:enerador /ueron re&pla<adas por
los pri&eros convertidores estáticos o de estado sólido, pero operando a /recuencias de
&ediana /recuencia %N!
8iuiendo la aceptación de los hornos de inducción para calenta&iento de &etales, se
dedicaron a investiar nuevos desarrollos i&portantes para su aplicación e incluyeron el
desarrollo de incre&entar la dure<a de la super/icie de pie<as &etálicas, lo cual /ue
introducido por Midvale 8teel B#2%$ y la Co&pañ-a 7hio Cieñal B#2('! ;a Co&pañ-a
7hio Cieñal usó un &otor:enerador para el calenta&iento de la super/icie de rollos,Buna práctica todav-a hoy usada de &anera universal para re/or<ar la resistencia &ecánica
de pie<as 0ue se so&eten a randes es/uer<os &ecánicos!
;a Co&pañ-a 7hio Cieñal Buno de los /a5ricantes &ás randes de cieñales de &otores
diesel, ta&5ién se 5ene/ició con el e/ecto de calenta&iento de super/icies de randes
pie<as usando /uentes de poder de &otor:enerador de #2%' y (''' H<, donde su uso es
para endurecer las partes de un cieñal! )sta co&pañ-a /ue la pri&era en usar elcalenta&iento por inducción para el trata&iento de ciertas super/icies de una pie<a
&etálica en aplicaciones de alta producción! 8e usaron ta&5ién aplicaciones para &ayores
áreas, co&o por e>e&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!
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Cap-tulo # Introducción (
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
)n la seunda uerra &undial se proporcionó un ran i&pulso al uso de la tecnolo-a de lainducción, particular&ente para tratar pie<as de artiller-a co&o los proyectiles y las 5alas!
)n los años recientes, la aplicación del calenta&iento y la /undición por inducción se han
incre&entado nota5le&ente, en donde &ás industrias e inenieros en las áreas de la
&etaluria se /a&iliari<an con la práctica de los hornos de inducción y tienen &ás ideas de
aplicaciones potenciales!
Muchos de los recientes desarrollos se han reali<ado por la alta e/iciencia de las /uentes de
poder de estado sólido, introducidas en #2.$! Durante las lti&as décadas la e/iciencia de
las unidades de poder se ha incre&entado a casi 2Q en lo 0ue se re/iere a la conversión
de alta /recuencia, co&o se representa en la /iura #!# %N!
6iura #!# )/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!
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Cap-tulo # Introducción *
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
)l calenta&iento por inducción o/rece hoy varias venta>as por enci&a de otras técnicas decalenta&iento co&o son %NJ
• =elocidad de calenta&iento! ;a eneración de calenta&iento en el interior de las pie<as
por inducción proporciona ranos 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<a en los hornos
de inducción eli&ina este pro5le&a per&itiendo tener un inicio de calenta&iento &ás
rápido!
• +horro de ener-a! )n hornos 0ue usan co&5usti5le no es posi5le estar apaando
continua&ente el horno en tie&pos cortos, &ientras 0ue en los hornos de inducción
pueden tener control de encendido y apaado 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, enseuida se presentan otras para los siste&as de
calenta&iento por inducción #N!
• 6acilidad de auto&ati<ación y control!
• Re0uisitos de espacio reducido!
• Condiciones de /unciona&iento silenciosa, seuras y li&pias!
•
?a>os re0ueri&ientos de &anteni&iento!
)n la /iura #!%, se &uestran los tie&pos de calenta&iento para el horno de inducción y para el
horno de as!
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Cap-tulo # Introducción
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
Hoy en d-a el rano de /recuencias para las aplicaciones de calenta&iento por inducción está
cu5ierta &ediante convertidores cuyas tecnolo-as han sido eleidas opti&i<ando criterios decosto, /ia5ilidad y rendi&iento!
6iura #!% 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 seuridad 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! ;oshornos 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!
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Cap-tulo # Introducción .
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
)n la /iura #!( se &uestran dos rá/icos en los 0ue el e>e hori<ontal representa la /recuencia
de tra5a>o re0uerida por la aplicación y el e>e vertical &uestra el costo por unidad de potencia!
6iura #!( Desarrollo del costo por iloOatt de los siste&as de calenta&iento por inducción!
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Cap-tulo # Introducción$
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
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 &anético, es introducido en un ca&po&anético 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 &anético cuya a&plitud y distri5ución viene dada por la
ley de +&pere #N!
∫ == →→
! Hl dl H Ni
B%!#
Donde N es el n&ero de espiras del inductor, i la corriente 0ue lo atraviesa, H el
ca&po &anético y l la lonitud del circuito &anético!
8i la corriente en el inductor es alterna se consiue crear un ca&po &anético varia5leen el tie&po y en la sección especi/icada 0ue enera un /lu>o &anético ta&5ién
alterno! 8en la ley de 6araday en todo conductor 0ue se encuentre en el interior de un
ca&po &anético varia5le se enerara una /uer<a electro&otri< cuyo valor esJ
d"
d N
φ ε −=
B%!%
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Cap-tulo # Introducción1
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
donde ε es la /uer<a electro&otri< B fem inducida, N el n&ero de espiras del
inductor y φ el /lu>o del ca&po &anético!
+ 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
!%
eq & Ri P =
B%!(
Donde P es la potencia disipada en la resistencia e0uivalente de la pie<a a calentar eq R
Por la 0ue circula la corriente inducida ! & i )n la /iura %!# se &uestra el concepto de
calenta&iento por inducción!
6iura %!# 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<a representa un secundario de una
sola espira!
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Cap-tulo # Introducción2
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
;a resistencia e0uivalente de la pie<a es de valor &uy pe0ueño por lo 0ue, para enerar
pérdidas aprecia5les por e/ecto oule ( ) Ri% es necesario ran cantidad de corriente
inducida!
;a disipación de calor por e/ecto oule se reali<a en el interior del conductor donde se
ha creado la corriente inducida con lo 0ue el calenta&iento por inducción se convierte
en un &étodo de calenta&iento de &ateriales conductores en el 0ue no hay
trans/erencia de calor desde una /uente externa Bpor conducción de &odo 0ue no hay
pérdidas de ener-a por este proceso de trans&isión! )s decir, desde el inductor se
trans/iere ener-a electro&anética 0ue se convierte en ener-a calor-/ica directa&enteen el &aterial a calentar! )n la /iura %!% se &uestra el e0uivalente del inductor!
6iura %!% Circuito e0uivalente del inductor:cara
Por lo tanto, en el calenta&iento del &aterial no hay pie<as de la /uente de ener-a en
contacto con la pie<a a tratar tér&ica&ente, ases en co&5ustión, ni cual0uier otro
ele&ento 0ue li&ite la posición o /or&a del &aterial a calentar y puede estar en un
entorno aislado de la /uente, su&erido en un l-0uido, cu5ierto por sustancias aislantes,
en at&ós/eras aseosas o incluso en el vac-o!
0+0 &8rdida por 'it8rei
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Cap-tulo # Introducción#'
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
8e conoce con el no&5re de histéresis &anética a la propiedad 0ue tienen los
&ateriales &anéticos, tales co&o el acero, el n-0uel y alunos 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 &anético externo 0ue acta so5re ellos #N!
;a histéresis presenta pérdidas y pueden ser representadas rá/ica&ente por el la<o de
Histéresis, 0ue en la curva resultante de tra<ar el /lu>o &anético Bφ contra la
intensidad &anética !B H )n la /iura %!( 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 &anético interno es proporcional al área encerrada por el la<o de la curva dehistéresis!
;os &ateriales con un la<o rueso Brá/ica c tienen altas pérdidas por histéresis y
viceversa, los &ateriales con un la<o delado Bra/ica 5 tienen pocas pérdidas! )l calor
enerado por histéresis ayuda a incre&entar la te&peratura del &aterial y depende del
área interna del la<o de histéresis!
6iura %!( ;a<o de histéresis para di/erentes &ateriales
0+0+/ Ciclo de 9it8rei
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Cap-tulo # Introducción##
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
)n &uchos dispositivos prácticos, co&o &otores y trans/or&adores, se usan &ateriales
/erro&anéticos, 0ue se caracteri<an por tener randes valores de per&ea5ilidad
&anética! +s- cuando estos &ateriales /or&an parte de un circuito &anético, las
l-neas de /lu>o tienden a concentrarse dentro del &aterial /erro&anético!
)stos &ateriales ade&ás presentan las siuientes caracter-sticasJ
;a relación entre la intensidad del ca&po &anético H y la densidad de /lu>o
&anética B no es una relación lineal, por lo 0ueJ
! H B ×≠
B%!*
8iendo la per&ea5ilidad &anética! ;os &ateriales /erro&anéticos co&prenden
reiones o do&inios &anéticos, dentro de los cuales, los &o&entos 5ipolares
&anéticos se ordenan en una dirección co&n! 8in e&5aro en una &uestra no
&aneti<ada de &ateriales /erro&anéticos, las orientaciones de los do&inios son
aleatorias, de &odo 0ue la &uestra no presenta un &o&ento 5ipolar &anético neto! 8i
la &uestra de la /iura %!* se encuentra en un principio no &aneti<ada y si la corriente
0ue se su&inistra a la 5o5ina va de cero a cierto valor &áxi&o, entonces los do&inios
&anéticos tienden a alinearse en la dirección del ca&po &anético aplicado! )n la
/iura %!* se proporciona una rá/ica Bcurva &arcada co&o # de B contra H durante
la /or&ación inicial del ca&po &anético!
;a curva # de la /iura %!* se conoce co&o Scurva de &aneti<aciónT! +l au&entar el
ca&po &anético desde cero, la pendiente de la curva es a5rupta! Con/or&e el ca&po
&anético siue creciendo dentro del &aterial /erro&anético Bo sea &ientras la
corriente va au&entando se di/iculta cada ve< &ás la alineación de los do&inios
&anéticos restantes con el ca&po &anético aplicado y la curva de &aneti<ación se
alisa! ;a pendiente de la curva dis&inuye y se dice 0ue el &aterial /erro&anético se
encuentra en saturación! Lna ve< 0ue esto sucede, los au&entos de la intensidad del
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Diseño y Construc
ca&po &anético prod
s# en la /iura %!*!
Cuando se ha alcan<a
corriente, tanto H co
ve< de recorrer la curv
/or&an una nueva curv
7tra caracter-stica 0ue
&aneti<ación inicial
&anética al&acenada
ca&po &anético dent
su&inistra durante la
&aneti<ación inicial
parte de la ener-a &a
recta &ax B B = y la cur
Con/or&e la corriente
siuen dis&inuyendo!
Cap-tulo #
ción de un Inversor Resonante para Horno d
cen ca&5ios pe0ueños en la densidad de /lu
do el &áxi&o ca&po &anético ,B &ax H
o B co&ien<an a dis&inuir desde sus valor
de &aneti<ación inicial, la variación de
Bcurva % /iura %!*!
6iura %!* Ciclo de histéresis
resulta de esta nueva curva 0ue co&ien<a a
curva # se re/iere a la recuperación inco
! Durante la &aneti<ación inicial se al&
o del &aterial /erro&anético! ;a ener-a &
&aneti<ación inicial es proporcional al á
el e>e vertical !B B Cuando la corriente
nética! ;a ener-a li5erada es iual al áre
a % de la /iura %!* Bpri&er cuadrante!
iue dis&inuyendo Bal convertirse neativa
8i se supone 0ue la corriente var-a e
Introducción#%
Inducción
o &anético Bpunto
si se dis&inuye la
s &áxi&os! Pero en
con respecto a H
artir de la curva de
pleta de la ener-a
cena ener-a en el
nética total 0ue se
rea de la curva de
is&inuye, se li5era
encerrada entre la
, tanto B co&o , H
n /or&a si&étrica
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Cap-tulo # Introducción#(
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
,B &in&in I I −= la intensidad del ca&po &anético y la densidad de /lu>o &anético
alcan<an con el tie&po valores &-ni&os en &ax B B = y &ax H H = en el punto 8%!
6inal&ente cuando la corriente co&ien<a a au&entar de nuevo, la intensidad de ca&po
&anético y la densidad de /lu>o au&enta a través de la curva (! +l llear a su valor
&áxi&o, tanto H co&o B alcan<an su &áxi&o de nuevo en el punto s#! 8i la corriente
siue variando de &anera c-clica entre sus valores &áxi&os y &-ni&os, entonces se
vuelve a tra<ar el ciclo co&pleto! )ste es el ciclo de histéresis del &aterial
/erro&anético y el área dentro de él representa la pérdida de ener-a 0ue tiene luar en
cada variación c-clica de la corriente! )n los dispositivos prácticos, estas pérdidas de
histéresis se co&5inan con otros tipos de pérdidas de ener-a Bco&o la provocada por la
resistencia de la 5o5ina 0ue rodea el &aterial /erro&anético y li&itan la e/iciencia
total del circuito!
)n resu&en, la relación entre B y H en los &ateriales /erro&anéticos no se descri5e
con una relación si&ple entre B y ! H ;a relación entre B y H en los &ateriales
/erro&anéticos no es lineal de5ido a la saturación &anética!
0+1 &8rdida por corriente de Edd:
Mientras 0ue las pérdidas por Histéresis ocurren sólo en &ateriales &anéticos, las
pérdidas por corrientes de )ddy ocurren en cual0uier &aterial conductor 0ue se
encuentre dentro en un ca&po &anético varia5le! )sto provoca calenta&iento, an
cuando el &aterial no tena propiedades &anéticas, 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 ,% R I esto es, el &is&o
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Cap-tulo # Introducción#*
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
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 &anéticos, 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
&anéticas 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 inorada! Para propósitos prácticos, el calenta&iento de R I % 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<adas /unda&ental&ente en la
industria de trans/or&aciones &etálicas! + continuación se dá una relación de las &ás
i&portantes %N!
•
6usiónJ ;os &ateriales son llevados a su te&peratura de /usión en el interior de un
crisol!
• 6or>aJ 8e consiue un calenta&iento ho&oéneo 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<ado de pie<as de acero! )n el te&ple, la super/icie de la pie<a es so&etida a
un calenta&iento rápido y a un posterior en/ria&iento con lo 0ue se consiue una
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Cap-tulo # Introducción#
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
trans/or&ación de la estructura y co&posición del acero con o5>eto de au&entar su
dure<a! )n el revenido y en el nor&ali<ado, el calenta&iento controlado de la pie<a
reduce las tensiones &ecánicas o de/ectos de estructura del acero!
• 8oldaduraJ Mediante un calenta&iento a alta te&peratura de partes de una &is&a
pie<a o pie<as distintas se consiuen soldaduras de alta calidad! Lna aplicación
especial de soldadura, en la 0ue es i&prescindi5le el uso del calenta&iento por
inducción, es la soldadura de tu5os en la 0ue los 5ordes de una 5anda de acero
previa&ente con/or&ado se sueldan, en la 0ue es i&prescindi5le el uso del
calenta&iento por inducción, es la soldadura de tu5os en la 0ue los 5ordes de una
5anda de acero previa&ente con/or&ado se sueldan de &anera lonitudinal para producir un tu5o continuo de alta calidad!
)xisten ade&ás otras posi5les aplicaciones co&o sonJ
• 8ellado de envasesJ ;a e&5ocadura de alunos envases de plástico se consiue
sellar añadiendo una /ina cu5ierta &etálica 0ue se caliente por inducción
consiuiéndose un posterior peado de5ido a la /usión del plástico del envase 0ue
está en contacto con la lá&ina &etálica!
• Curado de adhesivos y pastas sellantes B5ondinJ )n el sector auto&otri< se suelen
usar pastas especiales para aseurar el per/ecto sellado y unión de diversas pie<as
so5re todo de carrocer-a de los veh-culos! Mediante calenta&iento por inducción de
las super/icies &etálicas donde han sido depositadas las pastas se o5tiene una ran
&e>ora del curado de las &is&as, opti&i<ando su distri5ución y acelerando su
/rauado!
• Cocinas de inducciónJ Mediante la inducción es posi5le construir cocinas con las
0ue se consiue calentar ciertos utensilios &etálicos de cocina con ran rapide<,
seuridad y rendi&iento!
• 8o5recalentado de ases ioni<ados! )n la eneración de plas&as aseosos de alta
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#.
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
• 6a5ricación de se&iconductores! )l calenta&iento por inducción se utili<a ta&5ién
en procesos de creci&iento de cristales de er&anio y silicio, dopa>e y deposición
epitaxial!
0+3 Caracterítica 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 enerética del proceso %NJ
• )l e/ecto Piel 0ue caracteri<a la distri5ución de las corrientes inducidas en la pie<a,
por0ue la intensidad del ca&po &anético alterno 0ue penetra en el &aterial decrecerápida&ente al au&entar su penetración y por lo tanto ta&5ién las corrientes
inducidas!
• ;a potencia disipada en la pie<a 0ue caracteri<a el rendi&iento del proceso
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 del &aterial a calentar y su estado!
• ;a intensidad del ca&po &anético inductor!
• )l acopla&iento entre el inductor y sus caracter-sticas eo&étricas!
• ;a naturale<a del &aterial conductor del inductor!
;a distri5ución de la corriente y la ener-a disipada en la pie<a pueden ser deter&inadas
usando las leyes de MaxUell 0ue resu&en las leyes /unda&entales del electro&anetis&o
%N!
ε
ρ c E =∇rr
B%!
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Cap-tulo # Introducción#$
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
'=∇ H rr
B%!.
"
B E
∂
∂−=×∇
r
rr
B%!$
ρ ε
E J
"
B J H
r
r
r
rrr
=≈∂
∂+=×∇
B%!1
Donde E es el ca&po eléctrico, B la inducción &anética, H el ca&po &anético, J ladensidad de corriente, c ρ la densidad de cara, ε la constante dieléctrica del &edio ρ la
resistividad eléctrica! ;a aproxi&ación reali<ada en la ecuación %!1 se de5e a 0ue en
calenta&iento por inducción los &ateriales son 5uenos conductores y presentan un valor de
ε desprecia5le!
Con alunas 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 siuienteJ
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 &anético y se puede decir 0ue es la
noción /unda&ental 0ue rie el calenta&iento por inducción! )n una pri&era aproxi&ación,
para un cilindro la distri5ución del ca&po &anético se puede dar co&oJ
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Cap-tulo # Introducción#1
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
δ
x %
e H x H
#B
'B+
= rr
B%!2donde x representa la coordenada radial del cilindro, ' H
r
es la intensidad del ca&po
&anético en la super/icie y δ es la pro/undidad de penetración de/inida co&oJ
!%
µ δ ϖ δ =
B%!#'
8iendo la /recuencia de variación del ca&po &anético, σ la conductividad y la per&ea5ilidad &anética 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
δ σ σ
x
s e H Z E
dV
dP %
%
'
%%
%%
−
== rr
B%!##
donde E es la intensidad del ca&po eléctrico y s Z es la i&pedancia super/icial de/inida
co&oJ
!#
δ σ
% Z s
+=
B%!#%
;a potencia disipada por unidad de super/icie esJ
%
'
%
'
%%
'
%
#%%
H e R
dxe H Z
dS
dP r
s
x s r
r
−==
−∞ −
∫ σ σ σ
B%!#(
donde r es el radio del cilindro y s R su resistencia super/icial dada porJ
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Cap-tulo # Introducción#2
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
δ
ρ
δ σ
===#
ReB s s Z R
B%!#*
A ρ la resistividad del &aterial!
;a distri5ución de potencia en la pie<a cil-ndrica viene dada porJ
δ
x
e P x P
%
'B −
=
B%!#
donde ' P es la potencia disipada en la super/icie!
+de&ás la densidad de corriente en el cilindro se expresa conJ
δ
x
e J x J −
= 'B
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<a J
con la ecuación %!#1!
∫∞
==' '
%
' %δ δ P dxe P P
x
B%!#$
!'' ' δ δ J dxe J J
x
== ∫∞ −
B%!#1
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Cap-tulo # Introducción%'
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
A para δ = x se tiene 0ueJ
'' #(!'%#B P e
P P ≈=δ
B%!#2
!($!'#
B '' P e
J J ≈=δ
B%!%'
Por lo tanto, en la capa de espesor δ se tiene un 1$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 <ona!
)n la /iura %! se &uestra la distri5ución de la corriente en /unción de la distancia desde la
super/icie al centro del &aterial!
6iura %! Distri5ución de la corriente en /unción de la pro/undidad!
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Cap-tulo # Introducción%#
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
;as expresiones anteriores conducen a la siuiente de/inición de !δ S3odo ocurre co&o si
se re&pla<ara la distri5ución decreciente real de la corriente por otra corriente uni/or&e 'i
Bcorriente en la super/icie en el espesor δ Bpro/undidad de penetración!T
Recordando 0ue el valor de pro/undidad de penetración esJ
r f µ µ π
ρ δ
'
=
B%!%#
donde se tieneJ
ρ V Resistividad del &aterial!
'µ V Per&ea5ilidad &anética del vac-o !#'* $−×π
r µ V Per&ea5ilidad &anética 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 &anética 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 /iura %!. se encuentra las curvas de evolución de la pro/undidad de penetración en
/unción de la /recuencia para alunos &ateriales!
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Cap-tulo # Introducción%%
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
6iura %!. 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&oéneo de la pie<a en todo su diá&etro, se ha de utili<ar una /recuencia
tal 0ue se aseure 0ue la pro/undidad de penetración sea &ayor 0ue el radio de la pie<a!
De ah- 0ue en &uchas aplicaciones sea necesario 0ue el inductor enere altas corrientes a
altas /recuencias por lo 0ue es i&portante el análisis de los circuitos electrónicos capaces de
hacerlo!
0+7 Reitencia e<!i5alente
8i en la ecuación %! se incluye el valor de la a&plitud del ca&po &anético en la
super/icie de la pie<al
NI H =' y se intera para toda la super/icie se puede o5tener la
potencia total disipada dada porJ
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Cap-tulo # Introducción%(
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
%
%%
# I
l
H S K R P R s=
B%!%%
donde N es el n&ero de espiras de la 5o5ina de inducción, l su lonitud, I la corriente
0ue lo atraviesa y S la super/icie total calentada de la pie<a! )l valor de R K viene dado
porJ
!#%
δ
R
R e K −
−=
B%!%(
De la ecuación %!%( se deduce 0ue, a e/ectos de disipación, la pie<a a calentar por
inducción se co&porta co&o una resistencia de valorJ
%
%
l
N S K R R R seq =
B%!%*
siendo r el radio de la pie<a cil-ndrica!
3eniendo en cuenta 0ue la potencia disipada, para un valor de corriente del inductor , I es
directa&ente proporcional a la ,eq R se pueden indicar los siuientes conceptosJ
• ;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! +s-
se explica 0ue en &ateriales co&o el acero se disipa &ayor ener-a a &edida 0ueau&enta la te&peratura Bdentro de un rano 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
alunos &ateriales co&o el co5re o el alu&inio de 5a>o valor de resistividad y
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Cap-tulo # Introducción%*
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
per&ea5ilidad &anética, 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 caia 5rusca&ente la potencia cuando se alcan<a la te&peratura de Curie puesto 0ue
en esas condiciones la per&ea5ilidad &anética desciende y por lo tanto la pro/undidad de
penetración au&enta!
0+7+/ Coe;iciente de temperat!ra de reitencia
+lunos &ateriales conductores co&o el co5re y el alu&inio, la resistencia crece de /or&alineal con incre&entos d e te&peratura por enci&a de los ranos de te&peratura nor&ales!
)n contraste con alunas aleaciones co&o co5re .'Q y n-0uel *'Q cuya resistencia es
a/ectada por pe0ueños ca&5ios de te&peratura! 6inal&ente en alunos 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 porC E
a una
te&peratura de %'EC y con un au&ento de te&peratura en rados cent-rados BCelsius, esto
esC E
, en la ta5la %!# se &uestran los coe/icientes de te&peratura de resistencias a %'EC N!
3a5la %!# Coe/icientes de te&peratura de resistencias a %'EC!
Material conductor=ariación de por
C E
a %' EC
Plata '!''(1
+lu&inio '!''(2
Co5re '!''(2(
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Cap-tulo # Introducción%
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
3unsteno '!''*
Hierro '!''
G-0uel '!''.
Constantan '!''''''1
Car5ón :'!'''
;a resistencia R a una te&peratura ,' está dada porJ
!BB#BB %' ref ref ' ' ' ' ' R" R
ref −+−+= β α
B%!%.
Donde α y β son constantes yref ' R es el valor de resistencia dado por la re/erencia de
te&peratura ref ' N!
0+= E<!ipo para calentamiento por ind!cción
Ln e0uipo de calenta&iento por inducción se co&pone esencial&ente de los siuientes
co&ponentesJ
• 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 &anéticos 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 conseuir 0ue el /actor de
potencia de la cara sea próxi&o a la unidad a la /recuencia de /unciona&iento!
• )0uipo de re/rieración! )l inductor y de&ás co&ponentes Bcapacitores y ele&entos
de potencia necesitan disipar ran ener-a! )l ele&ento re/rierante usado suele ser
aua en la &ayor-a de los casos!
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Cap-tulo # Introducción%.
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
• 8iste&a de control de la aplicación! Co&prende un &anipulador de las pie<as a
calentar y un control de los pará&etros del calenta&iento Bpotencia y tie&po de
calenta&iento!
;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<ar
per/iles de co5re 0ue per&itan el paso de aua de re/rieración ya 0ue en la &ayor-a de los
casos la re/rieración por aire es insu/iciente! )n la /iura %!$ se &uestra el diara&a a
5lo0ues de una aplicación de calenta&iento por inducción %N!
6iura %!$ )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 $=+!
)l siste&a de ali&entación eléctrica está constituido por un convertidor 0ue a partir de
corrientes a la /recuencia de red enera otra corriente de la /recuencia deseada destinada a
la ali&entación del inductor de calenta&iento! + continuación se da una relación de los
di/erentes tipos de convertidores sen aparecieron en el transcurso de los lti&os años!
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Cap-tulo # Introducción%$
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
0+=+/ Con5ertidore rotati5o
8u utili<ación corresponde a las aplicaciones de &edia /recuencia B%' H< a #' H<! 8e
co&pone esencial&ente de un &otor as-ncrono tri/ásico ali&entado por la red de .' H<
acoplado &ecánica&ente a un alternador &ono/ásico de la /recuencia re0uerida!
)ste alternador ali&enta la cara /or&ada por el inductor y los capacitores de
co&pensación!
;a /recuencia de /unciona&iento es, por lo tanto, /i>a ya 0ue el acoplo entre el &otor y el
alternador as- lo es!
;a nica &isión de la 5ater-a de capacitores es conseuir un /actor de potencia en la cara
cercano a la unidad! )n &uchas aplicaciones la i&pedancia de la cara 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 /iura %!1 se &uestra
un es0ue&a del enerador rotativo!
6iura %!1 )s0ue&a de un enerador rotativo!
;os dispositivos de excitación varia5le per&iten variar proresiva&ente la tensión de salida
del alternador con lo 0ue se puede reular la potencia en la cara!
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Cap-tulo # Introducción%1
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
;os convertidores rotativos tienen rendi&ientos a potencia no&inal del orden del 1Q en
la a&a de /recuencia de # a ( H< y del $Q al 1'Q en la a&a de ( a #'H<! 8in
e&5aro, cuando se utili<an con potencias por de5a>o 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 siuientes 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 reulación de la
tensión de salida se reali<a &ediante un control de /ase en el pri&ario del
trans/or&ador!
• 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 cara!
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!
7/21/2019 Diseño y Analisis en Hornos de Induccion
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Cap-tulo # Introducción%2
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
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 cara!
)l rendi&iento de estos eneradores es del orden del $'Q con /recuencias de
/unciona&iento de hasta #'' H<! Para /recuencias &ayores el rendi&iento 5a>a 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 cara! )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 seuridad de las personas de5ido a
la presencia de alta tensión! )n alunas 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 /iura %!2 se &uestran diara&as a
5lo0ues de eneradores con tu5os electrónicos!
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Cap-tulo # Introducción('
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
6iura %!2 Diara&a de 5lo0ues de los eneradores con tu5os electrónicos!
0+=+1 Generadore et?tico con tiritore
)ste tipo de eneradores tra5a>a en &ediana /recuencia de #' H< a #' H<! )xisten en la
actualidad varias estructuras distintas de eneradores con tiristores de las 0ue se pueden
destacar dos randes /a&iliasJ• 4eneradores con cara paralelo!
• 4eneradores con cara serie!
Generadore con carga paralelo
8e co&ponen /unda&ental&ente de lo siuienteJ
7/21/2019 Diseño y Analisis en Hornos de Induccion
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Cap-tulo # Introducción(#
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
• 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 reulada!
• Ln puente inversor &ono/ásico destinado a trans/or&ar la corriente continua del
recti/icador en corriente de &ediana /recuencia!
• )l circuito de cara /or&ado por el paralelo del inductor y los capacitores de
co&pensación!
+nte un pulso de corriente, este circuito de cara tiende a oscilar a su /recuencia de
resonancia! De está &anera con un control adecuado de la secuencia de conducción de lostiristores, el inversor puede /uncionar auto&ática&ente a la /recuencia de resonancia de la
cara! ;a /recuencia de /unciona&iento es por lo tanto varia5le y autoa>usta5le dentro de un
rano 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 cara, con lo 0ue se puede reular /ácil&ente la potencia entreada a
la cara &ediante el control del recti/icador! )n la /iura %!#' se &uestra el diara&a de un
enerador paralelo!
6iura %!#' Diara&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 alunas decenas de O hasta ( MO!
7/21/2019 Diseño y Analisis en Hornos de Induccion
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Cap-tulo # Introducción(%
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
;os rendi&ientos son 5uenos incluso a 5a>as caras &uy por de5a>o de la potencia no&inal!
Desde #'' H< hasta * H< los rendi&ientos son superiores al 2Q y de * H< a #' H< al
2'Q!
+l ser un circuito controlado por corriente, los inversores con cara 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 siuiente lista de venta>as de estos e0uipos /rente a los convertidores
rotativosJ• Go hay pie<a en &ovi&iento con lo 0ue el &anteni&iento prora&ado de sus partes
se reduce!
• Por la &is&a ra<ón el ruido acstico 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 consiue en todo
&o&ento una 5uena adaptación del enerador a la cara sin necesidad de ca&5iar la
capacidad de co&pensación!
• ;a reulación 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 cara! 8in e&5aro, con 5uenas técnicas de control
se puede lorar 0ue el proceso de arran0ue sea seuro 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 aseuren el /iltrado correcto de la red!
7/21/2019 Diseño y Analisis en Hornos de Induccion
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Cap-tulo # Introducción((
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
• 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 cara /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
cara! ;a /recuencia de la oscilación está, /i>ada por el control del inversor y se puede
reular la potencia de salida acercando esta /recuencia a la de resonancia serie de la cara!
;a venta>a de este tipo de eneradores estri5a esencial&ente en 0ue no es necesario ninn
circuito auxiliar de arran0ue! )sta cualidad es particular&ente interesante para las
aplicaciones de calenta&iento de alta cadencia, ya 0ue se puede entrear 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 /iura %!## se &uestra un
enerador serie!
6iura %!## Diara&a de 5lo0ues de los eneradores serie!
8in e&5aro, existen alunos inconvenientes /rente al enerador paralelo co&o sonJ
• ;a reulación de la potencia de salida es &enos precisa so5re todo a 5a>as caras!
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Cap-tulo # Introducción(*
Diseño y Construcción de un Inversor Resonante para Horno de Inducción
• ;a protección para cortocircuitos en la cara es &ás co&plicada!
• )l rendi&iento es alo &enor Bdel orden del 2'Q a #' H< de5ido a 0ue la
corriente reactiva atraviesa los tiristores!
0+=+3 Generadore con tranitore
)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 Darlinton, los transistores
I4?3 y los transistores M786)3!
)n la /iura %!#% se &uestra la capacidad actual de los eneradores transistori<ados /rente a
los 0ue usan tiristores para el caso de cara paralelo!
6iura %!#% Capacidad actual de eneradores con tiristores y transistores!
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8e o5serva 0ue en 5a>as /recuencias el uso de transistores no está reco&endado nica&ente
por ra<ones de costo econó&ico del e0uipo, ya 0ue para este &aren de /recuencias, los
tiristores son &ás 5aratos y per&iten &ane>ar 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&5aro, a partir de #' 9H<
los tiristores no pueden usarse y los transistores I4?3 cu5ren las necesidades hasta los #''9H<!
;os transistores M786)3, de velocidades de con&utación &ayores 0ue los I4?3, se usan
para a&as de /recuencia superiores a #'' 9H<, &ientras 0ue en /recuencias in/eriores no
son reco&enda5les puesto 0ue, para tensiones altas, tienen &ayores pérdidas de conducción
0ue los I4?3 y por lo tanto el rendi&iento es in/erior!
)n eneral los rendi&ientos de estos e0uipos con transistores son superiores al 1'Q
teniendo en cuenta 0ue este dato depende de la /recuencia de /unciona&iento y del tipo de
transistor eleido!
;as topolo-as usadas para eneradores con transistores no di/ieren esencial&ente de las
utili<adas en los eneradores estáticos con tiristores! )xisten, por lo tanto, eneradores con
cara paralelo y cara serie con las &is&as venta>as 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 cara paralela sin necesidad de circuitos adicionales de arran0ue!
Para los eneradores con cara serie el uso de transistores per&iten otros &odos de
/unciona&iento y reulación de potencia ade&ás de la variación de /recuencia! Mediante
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los &odos de despla<a&iento de /ase Bphase shi/tin o &odulación de anchura de pulso
BPOM es posi5le reular la potencia de salida sin variar la /recuencia per&aneciendo todo
el tie&po cerca de /recuencia de resonancia con lo 0ue se &e>ora la precisión de la
reulación 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<an por si &is&as la potencia y /recuencia del enerador 0ue ha deinstalarse en cada caso! )n la siuiente ta5la se &uestran las a&as de potencia y
/recuencia 0ue re0uieren las distintas aplicaciones as- co&o el tipo de enerador usado, en
la ta5la %!% se &uestra los tipos de eneradores y a&as de potencia y /recuencia en
/unción de su aplicación!
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
a '' % a %' 3e&ple con penetración Y
%&&
3ransistores, válvulas
' a #''' ' a '' 8oldadura de tu5os 3ransistores, válvulas
# a *'' %'' a #''' +plicaciones especiales 3ransistores, válvulas
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Cap-tulo # Introducción($
;a utili<ación de eneradores con válvula o tu5o electrónico aparece indicada para ciertas
aplicaciones aun0ue hoy en d-a sean sustituidos en práctica&ente la &ayor-a de los casos
por eneradores transistori<ados!
Ln análisis &ás detallado de los inversores transistori<ados en paralelo y en especial en
serie, se estudia en el siuiente cap-tulo!
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