ES2348506T3 - Aparato de calentamiento por inducción. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de calentamiento por inducción que comprende: un circuito de resonancia que comprende: una bobina (59) de calentamiento que se acopla magnéticamente a una carga y que tiene sustancialmente un número fijo de vueltas; y un condensador resonante (60) que tiene sustancialmente una capacidad fija; un inversor (70) que incluye elementos (74, 75, 76, 77) de conmutación que forman un circuito de puente completo, y suministra energía eléctrica al circuito de resonancia; un controlador de salida de calentamiento para accionar los elementos (74, 75, 76, 77) de conmutación y controlar la salida de calentamiento de la bobina (59) de calentamiento; un rectificador (52) para rectificar una corriente alterna comercial; una parte mejoradora (71) del factor de potencia para elevar la salida rectificada del rectificador (52), suministrar un voltaje de salida al inversor (70); y mejorar un factor de potencia de la corriente alterna comercial; y un detector (72) de material de carga para detectar un material de la carga, en el que el controlador de salida de calentamiento conmuta una frecuencia de accionamiento de los elementos (74, 75, 76, 77) de conmutación entre una frecuencia sustancialmente igual a un múltiplo entero de una frecuencia de resonancia del circuito de resonancia y una frecuencia sustancialmente 1/n veces (siendo n un entero igual a o mayor que dos) la primera, según un resultado de detección de material de carga del detector (72) de material de carga; y la parte mejoradora (71) del factor de potencia tiene la capacidad de cambiar una magnitud del voltaje de salida.
Description
Aparato de calentamiento por inducción.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de calentamiento por inducción. Los ejemplos del
dispositivo de calentamiento por inducción incluyen una cocina de
calentamiento por inducción capaz de aplicar un calentamiento por
inducción eficaz sobre un objetivo a calentar que presente una
conductividad elevada y una baja permeabilidad magnética, tal como
una cacerola de aluminio, y un calentador de agua, un humidificador,
y una plancha de calentamiento por inducción.
En lo sucesivo en la presente memoria, como
ejemplo de un dispositivo convencional de calentamiento por
inducción, se proporciona una descripción de una cocina de
calentamiento por inducción en la que una bobina de calentamiento
genera un campo magnético de alta frecuencia y la corriente de
Foucault producida por inducción electromagnética calienta una
carga, tal como una cacerola, haciendo referencia a la Fig. 6.
La Fig. 6 es un diagrama que muestra la
estructura de un circuito de una cocina convencional de
calentamiento por inducción dado a conocer en el Documento de
Patente 1. La fuente 51 de alimentación es una fuente de
alimentación comercial de 200 V, es decir, una fuente de
alimentación AC de baja frecuencia, conectada al extremo de entrada
del circuito rectificador 52, es decir, un diodo puente. Entre los
extremos de salida del circuito rectificador 52 está conectado un
primer condensador 53 de suavización. Entre los extremos de salida
del circuito rectificador 52 está conectado también un cuerpo
conectado en serie de una bobina 54 de choque y un segundo elemento
57 de conmutación. La bobina 59 de calentamiento está encarada a la
cacerola 61 de aluminio, es decir, un objeto a calentar.
Tal como se muestra en la Fig. 6, la pieza
rodeada por la línea de trazos es el inversor 50. El terminal en el
lado de bajo potencial del segundo condensador 62 de suavización
está conectado al terminal negativo del circuito rectificador 52.
El terminal en el lado de alto potencial del segundo condensador 62
de suavización está conectado al terminal del lado de alto
potencial (colector) del primer elemento de conmutación (transistor
bipolar de puerta aislada, al que se hará referencia en lo sucesivo
como IGBT) 55. El terminal en el lado de bajo potencial del primer
elemento de conmutación (IGBT) 55 está conectado al punto de unión
entre la bobina 54 de choque y el terminal del lado de alto
potencial (colector) del segundo elemento de conmutación (IGBT) 57.
Un cuerpo conectado en serie de bobina 59 de calentamiento y
condensador resonante 60 está conectado en paralelo con el segundo
elemento 57 de conmutación.
El primer diodo 56 (un primer elemento de
conducción inversa) está conectado en antiparalelo con el primer
elemento 55 de conmutación. El segundo diodo 58 (un segundo elemento
de conducción inversa) está conectado en antiparalelo con el
segundo elemento 57 de conmutación.
El condensador amortiguador 64 está conectado en
paralelo con el segundo elemento 57 de conmutación. Un cuerpo
conectado en serie del condensador resonante 65 de corrección y el
relé 66 está conectado en paralelo con el condensador resonante 60.
Alimentadas hacia el circuito 63 de control se encuentran una señal
de detección del transformador 67 de corriente para detectar la
corriente de entrada de la fuente 51 de alimentación y una señal de
detección del transformador 68 de corriente para detectar la
corriente a través de la bobina 59 de calentamiento. El circuito 63
de control suministra también señales a las puertas del primer
elemento 55 de conmutación y el segundo elemento 57 de conmutación
y a la bobina de accionamiento (no mostrada) del relé 66.
Se proporciona una descripción del
funcionamiento de la cocina convencional de calentamiento por
inducción estructurada según se ha mencionado anteriormente. La
fuente 51 de alimentación se rectifica en onda completa por medio
del circuito rectificador 52 y la potencia rectificada se suministra
al primer condensador 53 de suavización conectado entre los
extremos de salida del circuito rectificador 52. El primer
condensador 53 de suavización funciona como una fuente de
alimentación para suministrar corriente de alta frecuencia al
inversor 50.
Las Figs. 7A y 7B son diagramas que muestran las
formas de onda en las partes respectivas del circuito del
dispositivo convencional de calentamiento por inducción. La Fig. 7A
muestra las formas de onda con una salida elevada de 2 kW. La forma
de onda A1 muestra una forma de onda de corriente Ic1 que fluye a
través del primer elemento 55 de conmutación y el primer diodo 56.
La forma de onda B1 muestra una forma de onda de corriente Ic2 que
fluye a través del segundo elemento 57 de conmutación y el segundo
diodo 58. La forma de onda C1 muestra el voltaje Vce2 generado
entre el colector y el emisor del segundo elemento 57 de
conmutación. La forma de onda D1 muestra el voltaje de
accionamiento Vg1 aplicado a la puerta del primer elemento 55 de
conmutación. La forma de onda E1 muestra el voltaje de
accionamiento Vg2 aplicado a la puerta del segundo elemento 57 de
conmutación. La forma de onda F1 muestra la corriente I_{L} que
fluye a través de la bobina 59 de calentamiento.
Tal como se muestra en la Fig. 7A, con una
salida de 2 kW, el circuito 63 de control da salida a una señal ON
que presenta un periodo de accionamiento de T_{2} (aproximadamente
24 \mus) hacia la puerta del segundo elemento 57 de conmutación
desde el instante de tiempo t0 al instante de tiempo t1, tal como se
muestra mediante la forma de onda E1. Durante este periodo de
accionamiento T_{2}, se produce una resonancia en un circuito
cerrado formado por el segundo elemento 57 de conmutación, el
segundo diodo 58, la bobina 59 de calentamiento, y el condensador
resonante 60. El número de vueltas (40 T) de la bobina 59 de
calentamiento y la capacidad (0,04 \muF) del condensador
resonante 60 se fijan de manera que el ciclo de resonancia, cuando
la cacerola 61 está realizada con aluminio, sea aproximadamente 2/3
el tiempo del periodo de accionamiento T_{2} (aproximadamente 16
\mus). Cuando la frecuencia de resonancia se fija como f, el ciclo
de resonancia es 1/f, el cual se muestra en la Fig. 7A. La bobina
54 de choque almacena la energía electrostática del condensador 53
de suavización, como energía magnética, en el periodo de
accionamiento T_{2} del segundo elemento 57 de conmutación.
A continuación, en el instante de tiempo t1, es
decir, la sincronización entre el segundo pico de la corriente de
resonancia a través del segundo elemento 57 de conmutación y el
siguiente instante de tiempo en el que la corriente de resonancia
se sitúa a cero, en el que la corriente del colector está fluyendo
en el sentido directo del segundo elemento 57 de conmutación, se
detiene el accionamiento del segundo elemento 57 de conmutación.
Esta operación desactiva el segundo elemento 57
de conmutación, aumentando de este modo el potencial eléctrico del
terminal de la bobina 54 de choque conectado al colector del segundo
elemento 57 de conmutación. Cuando este potencial eléctrico supere
el potencial eléctrico del segundo condensador 62 de suavización, el
segundo condensador 62 de suavización se carga a través del primer
diodo 56, y la energía magnética almacenada en la bobina 54 de
choque se libera. El voltaje del segundo condensador 62 de
suavización aumenta a 500 V de manera que es mayor que el valor de
pico (283 V) del voltaje de salida DC Vdc del rectificador 52. El
nivel de elevación depende del periodo de conducción del segundo
elemento 57 de conmutación. Un periodo de conducción mayor tiende a
generar un voltaje más alto en el segundo condensador 62 de
suavización.
De esta manera, cuando se produce una resonancia
en un circuito cerrado formado por el segundo condensador 62 de
suavización, el primer elemento 55 de conmutación o el primer diodo
56, la bobina 59 de calentamiento, y el condensador resonante 60,
se incrementa el nivel de voltaje del segundo condensador 62 de
suavización que funciona como fuente de alimentación DC. Esta
operación cambia el valor de cresta (valor de pico) de la corriente
de resonancia que fluye a través del primer elemento 55 de
conmutación, mostrada mediante la forma de onda A1 en la Fig. 7A y
la ruta de resonancia de manera que el valor de cresta de la
corriente de resonancia que fluye a través del segundo elemento 57
de conmutación en el que se va a producir la resonancia sucesiva es
diferente de cero o un valor pequeño tal como se muestra en la forma
de onda B1. De este modo, sobre una cacerola de aluminio se aplica
un calentamiento de inducción de salida elevada, y la salida se
puede cambiar y controlar de manera continua.
A continuación, tal como se muestra mediante la
forma de onda D1 y la forma de onda E1 de la Fig. 7A, el circuito
63 de control da salida a una señal de accionamiento hacia la puerta
del primer elemento 55 de conmutación, en el instante de tiempo t2
después de una pausa proporcionada después del instante de tiempo t1
para evitar la conducción simultánea del primer elemento 55 de
conmutación y el segundo elemento 57 de conmutación. Como
consecuencia, tal como se muestra en la forma de onda A1, una
corriente de resonancia fluye a través de un circuito cerrado
formado por la bobina 59 de calentamiento, el condensador resonante
60, el primer elemento 55 de conmutación o primer diodo 56, y el
segundo condensador 62 de suavización, en una ruta diferente. El
periodo de accionamiento T_{1} de esta señal de accionamiento se
fija a un periodo sustancialmente igual a T_{2}. De este modo, de
manera similar a la conducción del segundo elemento 58 de
conmutación, fluye una corriente de resonancia que tiene un ciclo
de aproximadamente 2/3 del periodo de accionamiento T_{2}.
Por esta razón, la corriente I_{L} tal como se
muestra mediante la forma de onda F1 de la Fig. 7A fluye a través
de la bobina 59 de calentamiento. El ciclo de accionamiento del
primer y el segundo elementos de conmutación (la suma de T_{1},
T_{2}, y la pausa) es aproximadamente tres veces el ciclo de la
corriente de resonancia. Cuando la frecuencia de accionamiento del
primer y el segundo elementos de conmutación es aproximadamente 20
kHz, la frecuencia de la corriente de resonancia que fluye a través
de la bobina 56 de calentamiento es aproximadamente 60 kHz.
La Fig. 7B muestra las formas de onda con una
salida baja de 450 W. Aunque se omiten los detalles, el ciclo de
accionamiento se fija de manera que es más corto que el ciclo de
accionamiento con una salida de 2 kW.
En la activación, el circuito 63 de control
desactiva el relé 66, y alternativamente acciona el primer elemento
55 de conmutación y el segundo elemento 57 de conmutación a una
frecuencia fija (aproximadamente 21 kHz). En este momento, los
elementos de conmutación se accionan en un modo en el que el periodo
de accionamiento del primer elemento 55 de conmutación es menor que
el ciclo de resonancia de la corriente de resonancia. En otras
palabras, se minimiza la relación de tiempos de accionamiento para
proporcionar la configuración de salida mínima, y a continuación la
misma se incrementa gradualmente. Durante este tiempo, el circuito
63 de control detecta el material de la cacerola 61 de carga
basándose en la salida de detección del transformador 67 de
corriente y la salida de detección del transformador 68 de
corriente.
Cuando el circuito 63 de control determina que
el material de la cacerola 61 de carga está basado en hierro, el
circuito de control detiene el calentamiento, activa el relé 66, y
retoma el calentamiento con una salida baja. En este momento, el
circuito 63 de control acciona el primer elemento 55 de conmutación
y el segundo elemento 57 de conmutación a una frecuencia fija
(aproximadamente 21 kHz) nuevamente con la relación mínima de
tiempos de accionamiento. La salida se sitúa en el mínimo al
comienzo y se incrementa gradualmente hasta un valor
predeterminado.
predeterminado.
Por otro lado, cuando el circuito 63 de control
detecta que el material de la cacerola 61 de carga no está basado
en hierro y se alcanza una relación predeterminada de tiempos de
accionamiento, se cambia el modo de manera que el ciclo de la
corriente de resonancia es menor que el periodo de accionamiento del
primer elemento 57 de conmutación, tal como se muestra en la Fig.
7B. En este momento, el periodo de accionamiento se fija para
proporcionar una salida baja.
Tal como se ha descrito anteriormente, cuando un
campo magnético generado por la bobina 59 de calentamiento calienta
una carga que tiene una conductividad elevada y una baja
permeabilidad magnética, tal como aluminio y cobre, la corriente de
resonancia a través del primer elemento 55 de conmutación y el
segundo elemento 57 de conmutación provocada por la bobina 59 de
calentamiento y el condensador resonante 60 tiene un ciclo
(2T_{1}/3) menor que el periodo de accionamiento (T_{1}) de
cada elemento de conmutación. Como consecuencia, a la bobina 59 de
calentamiento se le puede suministrar, para calentar, corriente a
una frecuencia de tres veces la frecuencia de accionamiento del
primer elemento 55 de conmutación y el segundo elemento 57 de
conmutación. Además, se proporcionan una bobina 54 de choque, es
decir, un elevador, y un segundo condensador 62 de suavización, es
decir, una parte de suavización, para incrementar y suavizar el
voltaje del condensador 62 de suavización, es decir, una fuente de
alimentación de alta frecuencia, e incrementar la amplitud de la
corriente de resonancia en cada periodo de accionamiento. De este
modo, incluso cuando, después del inicio del accionamiento, se
completa el primer ciclo de la corriente de resonancia, se alcanza
el segundo ciclo y, por lo tanto,
\hbox{se puede continuar con
la corriente de resonancia que presenta una amplitud suficientemente
grande.}
En la cocina convencional de calentamiento por
inducción estructurada tal como se ha mencionado anteriormente, la
detección de la carga para determinar si la misma está realizada con
un material que presenta una alta conductividad y una baja
permeabilidad magnética, tal como aluminio, o un material basado en
hierro, se realiza de forma precisa con una salida baja. De este
modo, la activación/desactivación del relé puede conmutar el
condensador resonante y, por lo tanto, permite un calentamiento por
inducción en el que se puede obtener eficazmente una salida elevada
de calentamiento según el material de la carga.
Además, el Documento de Patente 2 da a conocer
un método en el que una conmutación entre un sistema de circuito de
puente completo y un sistema de circuito de medio puente según si la
carga es una cacerola magnética o una cacerola no magnética,
elimina la necesidad de un relé de conmutación tanto para la
cacerola magnética como para la cacerola no magnética.
No obstante, en la estructura convencional de
cambio de la capacidad del condensador resonante según el material
de la carga tal como se muestra en el Documento de Patente 1, es
necesaria una estructura complicada, que incluye un relé que
presenta un elevado voltaje soportado para conmutar el condensador
resonante, con el fin de calentar tanto un material de una carga
que presenta una elevada conductividad y una baja permeabilidad
magnética, tal como aluminio, como una carga de un material basado
en hierro. Además, a no ser que la capacidad del condensador
resonante se fije apropiadamente para calentar aluminio o similares,
y la misma sea conmutada, surge el siguiente problema.
Particularmente en el calentamiento de una carga basada en hierro
que presente una baja conductividad, la capacidad pequeña del
condensador resonante hace que aumente la frecuencia de
accionamiento de los elementos de conmutación y el voltaje a
aplicar a los elementos de conmutación. Este fenómeno hace que
aumente la pérdida de los elementos de conmutación y dificulta el
suministro de una salida suficiente.
En la estructura convencional mostrada en el
Documento de Patente 2, cuando el dispositivo se configura
apropiadamente para calentar un material que presenta una baja
conductividad, tal como un material basado en hierro, e intenta
obtener una salida elevada en el calentamiento de un material que
presenta una alta conductividad y una baja permeabilidad magnética,
tal como aluminio, se considera que la pequeña resistencia
equivalente del circuito de resonancia incluyendo la carga aumenta
considerablemente la corriente nominal del inversor. Por el
contrario, cuando el circuito de resonancia se configura
apropiadamente para calentar un material que presenta una alta
conductividad y una baja permeabilidad magnética, tal como aluminio,
se reduce la potencia de salida máxima (a la que en lo sucesivo se
hará referencia como salida de calentamiento máxima) del circuito de
resonancia, y, con un material que presente una baja conductividad,
no se puede obtener la salida de calentamiento objetivo. De este
modo, resulta difícil calentar materiales a nivel práctico,
comenzando desde un material que presente una alta conductividad y
una baja permeabilidad magnética, tal como aluminio y
\hbox{cobre, hasta un material que presente una baja
conductividad, tal como un material magnético.}
[Documento de Patente 1] patente japonesa nº
3460997
[Documento de Patente 2] patente japonesa nº
2816621.
Un dispositivo de calentamiento por inducción
incluye los siguientes elementos:
- un circuito de resonancia que incluye:
- una bobina de calentamiento que se acopla magnéticamente a una carga y que tiene sustancialmente un número fijo de vueltas; y
- un condensador resonante que tiene sustancialmente una capacidad fija;
- un inversor que incluye elementos de conmutación que forman un circuito de puente completo, y suministra energía eléctrica al circuito de resonancia;
- un controlador de salida de calentamiento para accionar los elementos de conmutación y controlar la salida de calentamiento de la bobina de calentamiento;
- un rectificador para rectificar una corriente alterna comercial;
- una parte mejoradora del factor de potencia para elevar la salida rectificada del rectificador, suministrar el voltaje de salida al inversor, y mejorar el factor de potencia de la corriente alterna comercial; y
- un detector de material de carga para detectar un material de la carga.
El controlador de salida de calentamiento
conmuta la frecuencia de accionamiento de los elementos de
conmutación entre una frecuencia sustancialmente igual a un
múltiplo entero de la frecuencia de resonancia del circuito de
resonancia y una frecuencia sustancialmente 1/n veces (siendo n un
entero igual a o mayor que dos) la primera, según un resultado de
detección de material de carga del detector de material de carga. La
parte mejoradora del factor de potencia se controla de manera que
es capaz de cambiar la magnitud del voltaje de salida.
Estas operaciones pueden proporcionar una salida
de calentamiento elevada con una estructura simplificada con
independencia de los materiales a calentar, que van desde un
material que presenta una alta conductividad, tal como aluminio y
cobre, hasta un material que presenta una baja conductividad, tal
como un material magnético, al mismo tiempo que se reduce la carga
aplicada en los elementos de conmutación.
La Fig. 1 es un diagrama estructural de un
circuito de un dispositivo de calentamiento por inducción según una
primera forma de realización ilustrativa de la presente
invención.
La Fig. 2 es una gráfica que muestra
características de la entrada de detección de un detector de
material de carga en el dispositivo de calentamiento por inducción
según la primera forma de realización ilustrativa de la presente
invención.
La Fig. 3 es un diagrama que muestra formas de
onda en las partes respectivas del circuito del dispositivo de
calentamiento por inducción en un modo de material de conductividad
baja y baja-media según la primera forma de
realización ilustrativa de la presente invención.
La Fig. 4 es un diagrama que muestra formas de
onda en las partes respectivas del circuito del dispositivo de
calentamiento por inducción en un modo de material de alta
conductividad según la primera forma de realización ilustrativa de
la presente invención.
La Fig. 5 es un diagrama que muestra formas de
onda en las partes respectivas del circuito del dispositivo de
calentamiento por inducción en un modo de material de conductividad
media según la primera forma de realización ilustrativa de la
presente invención.
La Fig. 6 es un diagrama estructural de un
circuito de un dispositivo convencional de calentamiento por
inducción.
La Fig. 7A es un diagrama que muestra formas de
onda en las partes respectivas del dispositivo convencional de
calentamiento por inducción.
La Fig. 7B es un diagrama que muestra formas de
onda en las partes respectivas del dispositivo convencional de
calentamiento por inducción.
- 52
- Rectificador
- 59
- Bobina de calentamiento
- 60
- Condensador resonante
- 63
- Circuito de control de la salida de calentamiento (controlador de la salida de calentamiento)
- 67, 68
- Transformador de corriente
- 70
- Inversor
- 71
- Circuito mejorador del factor de potencia (parte mejoradora del factor de potencia)
- 72
- Detector de material de carga
- 74
- Primer elemento de conmutación
- 75
- Segundo elemento de conmutación
- 76
- Tercer elemento de conmutación
- 77
- Cuarto elemento de conmutación.
En lo sucesivo en la presente memoria se
proporciona una descripción de una forma de realización ilustrativa
de la presente invención, haciendo referencia a los dibujos
adjuntos.
Primera forma de realización
ilustrativa
La Fig. 1 es un diagrama estructural de un
circuito de una cocina de calentamiento por inducción, es decir, un
dispositivo de calentamiento por inducción, según la primera forma
de realización ilustrativa de la presente invención. Tal como se
muestra en la Fig. 1, una fuente de alimentación comercial de 200 V,
en forma de fuente 51 de alimentación, se aplica al dispositivo de
calentamiento por inducción. El dispositivo de calentamiento por
inducción incluye el rectificador 52 realizado con un puente de
diodos, y el circuito mejorador del factor de potencia (parte
mejoradora del factor de potencia) 71 delimitado con la línea de
puntos y realizado con el primer condensador 78 de suavización, la
bobina 79 de choque, el diodo 80, el MOS-FET 81, y
el controlador 82 de mejora del factor de potencia. La corriente de
la fuente de alimentación comercial se convierte en corriente
continua elevada mediante el rectificador 52 y el circuito mejorador
del factor de potencia (parte mejoradora del factor de potencia)
71. El voltaje de salida se puede cambiar según la señal de salida
del detector 72 de material de carga o el circuito 63 de control de
la salida de calentamiento. A continuación, se aplica un control de
manera que el factor de potencia de la fuente de alimentación
comercial sea próximo a uno mientras se almacena electricidad en el
segundo condensador 73 de suavización. La corriente directa elevada
se convierte en corriente de alta frecuencia por medio del inversor
70, y se suministra a un circuito de resonancia que incluye la
bobina 59 de calentamiento que presenta sustancialmente un número
fijo de vueltas y el condensador resonante 60 que presenta
sustancialmente una capacidad fija. La corriente de alta frecuencia
que fluye a través de la bobina 59 de calentamiento genera un campo
magnético de alta frecuencia. Se dispone una cacerola (no
mostrada), es decir, una carga, de manera que la cara inferior de la
misma queda enfrentada a la bobina 59 de calentamiento. La bobina
59 de calentamiento se acopla magnéticamente a la carga cuando la
bobina de calentamiento genera el campo magnético de alta
frecuencia. El condensador resonante 60 y la bobina 59 de
calentamiento forman un circuito de resonancia en serie. La
frecuencia de resonancia de este circuito de resonancia se fija a
aproximadamente 90 kHz.
En el inversor 70, un circuito en serie del
primer elemento 74 de conmutación y el segundo elemento 75 de
conmutación y un circuito en serie del tercer elemento 76 de
conmutación y el cuarto elemento 77 de conmutación se conectan
entre ambos extremos del segundo condensador 81 de suavización para
formar un circuito de puente completo que tiene el circuito de
resonancia como salida. El circuito de resonancia se forma entre el
punto de unión del primer elemento 74 de conmutación y el segundo
elemento 75 de conmutación y el punto de unión del tercer elemento
76 de conmutación y el cuarto elemento 77 de conmutación. Cada uno
de los elementos 74, 75, 76, y 77 de conmutación se realiza con un
transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) y un diodo conectado en
antiparalelo con el IGBT. A continuación, el circuito de control de
salida de calentamiento (controlador de la salida de calentamiento)
63 acciona alternativamente un conjunto del primer elemento 74 de
conmutación y el cuarto elemento 77 de conmutación y un conjunto
del segundo elemento 75 de conmutación y el tercer elemento 76 de
conmutación. Cuando se va a aumentar la salida, los elementos de
conmutación se accionan por medio del circuito 63 de control de la
salida de calentamiento de manera que la frecuencia de accionamiento
de los elementos de conmutación se aproxime a la frecuencia de
resonancia. Un detector de salida de calentamiento que incluye el
transformador 67 de corriente detecta la salida de calentamiento de
la bobina 59 de calentamiento. Al producirse la recepción del
resultado de la detección, el circuito 63 de control de la salida de
calentamiento cambia la frecuencia de accionamiento de los
elementos de conmutación de manera que se garantiza una salida de
calentamiento predeterminada. De este modo se estructura un
inversor 70 del tipo de control de frecuencia. Se proporciona
además un detector 72 de material de carga que recibe y compara la
salida de detección del transformador 67 de corriente y la salida
de detección de un detector de corriente de resonancia que incluye
el transformador 68 de corriente, y detecta el material de una
cacerola, es decir, una carga.
A continuación se proporciona una descripción
del funcionamiento del dispositivo de calentamiento por inducción
estructurado de esta manera. En primer lugar, se proporciona una
descripción de cómo el detector 72 de material de carga del
dispositivo de calentamiento por inducción detecta el material de
una cacerola, es decir, una carga, en la activación. La Fig. 2 es
una gráfica que muestra características de la entrada de detección
del detector 72 de material de carga en el dispositivo de
calentamiento por inducción según la primera forma de realización
ilustrativa de la presente invención. El eje de abscisas muestra la
corriente de entrada del dispositivo de calentamiento por inducción
detectada por el transformador 67 de corriente. El eje de ordenadas
muestra la corriente de resonancia que fluye a través del
condensador resonante 60 y detectada por el transformador 68 de
corriente. En la activación, el circuito 63 de control de la salida
de calentamiento acciona alternativamente un conjunto del primer
elemento 74 de conmutación y el cuarto elemento 77 de conmutación y
un conjunto del segundo elemento 75 de conmutación y el tercer
elemento 76 de conmutación, con una frecuencia fija (aproximadamente
60 kHz). El periodo del accionamiento del primer elemento 74 de
conmutación y el cuarto elemento 77 de conmutación se fija de
manera que sea menor que el ciclo de resonancia de la corriente de
resonancia. La relación de los tiempos de accionamiento, es decir,
la relación de los tiempos de accionamiento entre un conjunto del
primer elemento 74 de conmutación y el cuarto elemento 77 de
conmutación y un conjunto del segundo elemento 75 de conmutación y
el tercer elemento 76 de conmutación, se minimiza para proporcionar
la salida de calentamiento mínima, y se incrementa gradualmente.
Durante este periodo, el detector 72 de material de carga compara la
salida de detección del transformador 67 de corriente destinado a
detectar la corriente de entrada como detector de salida de
calentamiento con la salida de detección del transformador 68 de
corriente destinado a detectar la corriente de resonancia que fluye
a través del condensador resonante 60 como detector de corriente de
resonancia, determina la relación de la salida del transformador 68
de corriente con respecto a la salida del transformador 67 de
corriente, y detecta el material de la carga.
Tal como se muestra en la Fig. 2, los materiales
de las cacerolas que se usan para cocinar se clasifican típicamente
en cuatro tipos, según la relación entre la magnitud de la corriente
de entrada del dispositivo de calentamiento por inducción y la
magnitud de la corriente de resonancia que fluye a través del
condensador resonante 60. Los cuatro tipos son los siguientes: un
material magnético que presenta una baja conductividad, tal como una
cacerola de hierro y una cacerola de acero inoxidable magnético; un
material que presenta una conductividad de baja a media, tal como
una placa fina de acero inoxidable no magnético (por ejemplo, un
grosor de 0,5 mm), que es un material que tiene propiedades entre
el aluminio y el material magnético; un material que presenta una
conductividad media, tal como una cacerola multicapa que esté
realizada con una placa gruesa (por ejemplo, un grosor de 2 mm) o
una placa fina de un acero inoxidable no magnético; y un material de
alta conductividad, por ejemplo, aluminio y cobre, unido a la
misma; y un material que presente una alta conductividad, tal como
una cacerola de aluminio y una cacerola de cobre. Tal como se
muestra en la Fig. 2, las características de la relación de la
magnitud de la corriente a través del condensador resonante 60 con
respecto a la magnitud de la corriente de entrada del dispositivo
de calentamiento por inducción son diferentes en grados
identificables. Por lo tanto, la comparación entre la magnitud de
la corriente de entrada y la magnitud de la corriente de salida
permite una clasificación precisa de estos materiales.
Preferentemente, el dispositivo de calentamiento por inducción se
controla de manera que los elementos de conmutación se accionan
apropiadamente para el material de carga.
A continuación, se proporciona una descripción
del funcionamiento del dispositivo de calentamiento por inducción
de la primera forma de realización ilustrativa, haciendo referencia
a las Figs. 3 a 5. Las Figs. 3 a 5 son diagramas que muestran
formas de onda en las partes respectivas del circuito del
dispositivo de calentamiento por inducción de la primera forma de
realización ilustrativa.
En primer lugar, haciendo referencia a la Fig.
3, se proporciona una descripción del funcionamiento del dispositivo
de calentamiento por inducción cuando la carga está realizada con
un material magnético que presenta una baja conductividad, tal como
una cacerola de hierro. Cuando el detector 72 de material de carga
determina que la carga está realizada con un material que presenta
una baja conductividad durante un aumento gradual de la salida
desde una salida baja a una frecuencia de accionamiento de
aproximadamente 60 kHz después de la activación del inversor 70, el
circuito 63 de control de la salida de calentamiento incrementa la
frecuencia de accionamiento hasta aproximadamente 90 kHz, que es
sustancialmente igual a un múltiplo entero de la frecuencia de
resonancia, y da inicio al calentamiento con una salida baja
nuevamente. En otras palabras, el dispositivo de calentamiento por
inducción funciona en un modo de material de baja conductividad. En
este modo, la frecuencia de accionamiento de los elementos 74, 75,
76, y 77 de conmutación se acerca a aproximadamente 90 kHz, es
decir, un múltiplo entero de la frecuencia de resonancia del
circuito de resonancia, y la salida mínima se obtiene a una
frecuencia mayor que la frecuencia de resonancia. El dispositivo de
calentamiento por inducción incrementa gradualmente la frecuencia
de accionamiento desde el valor fijado, de manera que la frecuencia
de accionamiento se aproxime a la frecuencia de resonancia aunque
sin superarla, e incrementa la salida a un valor predeterminado.
En este momento, el circuito del dispositivo de
calentamiento por inducción funciona para presentar formas de onda
en las partes respectivas tal como se muestra en la Fig. 3 en un
punto próximo al punto de resonancia en el que se obtiene la salida
de calentamiento máxima. La forma de onda superior de la Fig. 3 es
una forma de onda de la corriente que fluye a través de la bobina
59 de calentamiento. Ic1 y 4 muestran una forma de onda de la
corriente de colector del primer elemento 74 de conmutación y el
cuarto elemento 77 de conmutación. Ic 2 y 3 muestran una forma de
onda de la corriente de colector del segundo elemento 75 de
conmutación y el tercer elemento 76 de conmutación. Las formas de
onda inferiores son una forma de onda del voltaje de puerta del
primer elemento 74 de conmutación y el cuarto elemento 77 de
conmutación y una forma de onda del voltaje de puerta del segundo
elemento 75 de conmutación y el tercer elemento 76 de conmutación.
En este momento, el circuito mejorador 71 del factor de potencia
aumenta los 200 V de la fuente de alimentación comercial a 450 V,
según la señal de salida del detector 72 de material de carga, y
almacena electricidad en el segundo condensador 73 de suavización.
En este caso, como la resistencia equivalente en la resonancia,
incluyendo la carga, es mayor, y la Q (agudeza de la resonancia)
del circuito de resonancia es menor, la salida de calentamiento es
menor que la salida de calentamiento con un material de carga que
presente una resistencia equivalente menor en la resonancia, tal
como el aluminio. No obstante, como la frecuencia de accionamiento
de los elementos 74, 75, 76, y 77 de conmutación es aproximadamente
90 kHz, es decir, un múltiplo entero de la frecuencia de resonancia
del circuito de resonancia, la salida de calentamiento máxima en la
resonancia es mayor que la salida de calentamiento máxima cuando la
frecuencia de accionamiento es 1/n veces (siendo n igual a o mayor
que dos). Además, el voltaje de entrada del inversor 70 aumentado
hasta un voltaje elevado de 450 V hace que aumente adicionalmente
la salida de calentamiento máxima, proporcionando de este modo una
salida de calentamiento suficiente.
A continuación, haciendo referencia nuevamente a
la Fig. 3, se proporciona una descripción del funcionamiento del
dispositivo de calentamiento por inducción cuando la carga está
realizada con un material que presenta una conductividad de baja a
media, tal como una placa fina de acero inoxidable no magnético. El
acero inoxidable no magnético presenta una baja permeabilidad
magnética. De este modo, este material presenta una profundidad de
penetración de la corriente de alta frecuencia mayor que la de un
material magnético que presente una baja conductividad, y presenta
una conductividad equivalente con respecto a la corriente inducida,
es decir, una corriente de alta frecuencia, menor que la del
material magnético. Por otro lado, cuando un material es un acero
inoxidable no magnético pero presenta una conductividad de baja a
media, tal como una placa delgada que presente un grosor menor que
la profundidad de penetración, la distribución de la corriente
inducida queda limitada físicamente por el grosor de la placa. De
este modo, una placa fina de este tipo presenta una conductividad
equivalente, con respecto a la corriente inducida, mayor que la de
una placa más gruesa. Cuando el detector 72 de material de carga
detecta que el material presenta una conductividad de baja a media,
el circuito mejorador 71 del factor de potencia aumenta los 200 V
de la fuente de alimentación comercial hasta 330 V y almacena
electricidad en el segundo condensador 73 de suavización. A
continuación, el circuito 63 de control de la salida de
calentamiento funciona en un modo de conductividad
baja-media. En otras palabras, el circuito 63 de
control de la salida de calentamiento fija la frecuencia de
accionamiento de los elementos de conmutación a aproximadamente 90
kHz, que es sustancialmente igual a un múltiplo entero de la
frecuencia de resonancia del circuito de resonancia. El circuito
del dispositivo de calentamiento por inducción funciona para
presentar formas de onda en las partes respectivas, similares a las
del modo del material de baja conductividad, tal como se muestra en
la Fig. 3. De esta manera, en el modo del material de conductividad
baja-media, el voltaje de entrada del inversor 70 a
aplicar a los elementos 74, 75, 76, y 77 de conmutación se fija a
330 V, que es menor que 450 V en el modo del material de baja
conductividad. Esta configuración reduce las pérdidas de
conmutación. Aun cuando el voltaje de entrada del inversor 70 se
fija de manera que es menor que el voltaje de entrada en el modo
del material de baja conductividad, la resistencia de alta
frecuencia de la carga es mayor y la Q del circuito de resonancia,
incluyendo la carga, es menor que las correspondientes en el modo
del material de baja conductividad. De este modo, se puede obtener
una salida de calentamiento suficiente. En otras palabras, el
voltaje de entrada del inversor 70 se fija de manera que es menor
que el voltaje de entrada en el modo del material de baja
conductividad de forma que la salida de calentamiento máxima se
aproxima a la salida de calentamiento requerida. Esta configuración
evita incrementos en la carga del voltaje y la corriente a aplicar
en los elementos 74, 75, 76, y 77 de conmutación al mismo tiempo que
se garantiza la salida de calentamiento requerida. En otras
palabras, según el resultado de detección del material de carga del
detector 72 de material de carga, el voltaje de salida del circuito
mejorador 71 del factor de potencia se cambia de manera que la
salida de calentamiento máxima se aproxima al valor fijado de la
salida de calentamiento cuando la carga presenta una conductividad
mayor. De este modo, se puede mejorar el rendimiento térmico
reduciendo la pérdida de los elementos 74, 75, 76, y 77 de
conmutación, o la corriente a través del inversor 70, con una
estructura simplificada.
A continuación, haciendo referencia a la Fig. 4,
se proporciona una descripción del funcionamiento del dispositivo
de calentamiento por inducción cuando la carga está realizada con un
material no magnético que presenta una alta conductividad (al que
en lo sucesivo se hará referencia como material de alta
conductividad), tal como una cacerola de aluminio y una cacerola de
cobre. En este caso, el circuito del dispositivo de calentamiento
por inducción funciona para presentar formas de onda en las partes
respectivas según se muestra en la Fig. 4. El eje de abscisas y el
eje de ordenadas son similares a los de la Fig. 3 y se omite la
descripción detallada de los mismos.
Cuando el detector 72 de material de carga
detecta que la carga está realizada con un material que presenta
una conductividad alta en la activación, después de que se alcance
una relación predeterminada de tiempos de accionamiento, en primer
lugar, se cambian el primer elemento 74 de conmutación y el cuarto
elemento 77 de conmutación para que presenten un periodo de
accionamiento, en un modo de material de alta conductividad, en el
que la corriente de resonancia tenga un ciclo más corto, según se
muestra con Ic1 y 4. A continuación, tal como se muestra con Ic2 y
3, se cambian el segundo elemento 75 de conmutación y el tercer
elemento 76 de conmutación para que presenten un periodo de
accionamiento, en el modo del material de alta conductividad, en el
que la corriente de resonancia tenga un ciclo más corto. En este
cambio de modo, el periodo de accionamiento se fija de manera que
se obtenga una salida baja. En este momento, los elementos 74 y 77
de conmutación pueden cambiar de modo en primer lugar, o pueden
cambiar de modo en primer lugar los elementos 75 y 76 de
conmutación.
En el modo del material de alta conductividad,
la pérdida de cada uno de los elementos 74, 75, 76, y 77 de
conmutación se reduce fijando la frecuencia de accionamiento de los
elementos de conmutación a aproximadamente 30 kHz, que es
aproximadamente un tercio de la frecuencia de resonancia del
circuito de resonancia. El circuito mejorador 71 del factor de
potencia funciona para incrementar los 200 V de la fuente de
alimentación comercial a 400 V, que es mayor que el voltaje en el
modo del material de conductividad baja-media y
menor que el modo del material de baja conductividad, y da salida
al voltaje hacia el inversor 70. De este modo, el circuito
mejorador del factor de potencia funciona para mejorar el factor de
potencia de la fuente de alimentación comercial al mismo tiempo que
incrementa la salida de calentamiento máxima obtenida a una
frecuencia de accionamiento de los elementos de conmutación próxima
a un tercio de la frecuencia de resonancia. De esta manera, el
dispositivo de calentamiento por inducción reduce la pérdida de los
elementos 74, 75, 76, y 77 de conmutación fijando la frecuencia de
accionamiento de manera que sea menor que la frecuencia de
resonancia. Además, el dispositivo de calentamiento por inducción
garantiza la salida de calentamiento requerida a la frecuencia de
accionamiento incrementando el voltaje de entrada del inversor 70
de manera que la salida de calentamiento máxima se aproxime a la
salida fijada, es decir, la salida de calentamiento requerida, o la
salida de calentamiento máxima sea igual o mayor que la salida
fijada. De este modo, el dispositivo de calentamiento por inducción
funciona en el modo del material de alta conductividad en el que se
puede calentar un metal que presente una baja permeabilidad
magnética y una alta conductividad, tal como aluminio.
A continuación, haciendo referencia a la Fig. 5,
se proporciona una descripción del funcionamiento del dispositivo
de calentamiento por inducción cuando la carga está realizada con un
material que presenta una conductividad media, tal como una
cacerola multicapa. Cuando el detector 72 del material de carga
detecta que la carga está realizada con un material que presenta
propiedades entre un material de alta conductividad y un material de
conductividad baja-media, el circuito 63 de control
de la salida de calentamiento acciona los elementos 74, 75, 76, y
77 de conmutación usando las formas de onda de la corriente de
colector y la corriente de puerta tal como se muestra en la Fig. 5.
Dichos materiales incluyen un material compuesto que está realizado
con una placa gruesa o fina de un acero inoxidable no magnético, y
un material de alta conductividad, por ejemplo, aluminio y cobre,
unido a la misma, tal como una cacerola multicapa. De modo similar a
la Fig. 3, Ic1 y 4 muestran una forma de onda de la corriente de
colector del primer elemento 74 de conmutación y cuarto elemento 77
de conmutación. Ic2 y 3 muestran una forma de onda de la corriente
de colector del segundo elemento 75 de conmutación y el tercer
elemento 76 de conmutación.
La frecuencia de accionamiento de los elementos
de conmutación se fija a aproximadamente 45 kHz, que es
aproximadamente la mitad de la frecuencia de resonancia del
circuito de resonancia. Específicamente, tal como se muestra con
Ic1 y 4, después de que se accionen el primer elemento 74 de
conmutación y el cuarto elemento 77 de conmutación, se suministra
una corriente de resonancia que tiene medio ciclo para detener el
accionamiento del primer elemento 74 de conmutación y el cuarto
elemento 77 de conmutación. A continuación, tal como se muestra con
Ic2 y 3, después de que se inicie el accionamiento del segundo
elemento 75 de conmutación y el tercer elemento 76 de conmutación,
se suministra una corriente de resonancia que tiene un ciclo y medio
para detener el accionamiento del segundo elemento 75 de
conmutación y el tercer elemento 76 de conmutación. Estas
operaciones se repiten. Dicho método de accionamiento se realiza en
el modo del material de conductividad media. En este momento, el
circuito mejorador 71 de factor de potencia funciona para
incrementar los 200 V de la fuente de alimentación comercial hasta
330 V, que es igual al voltaje en el modo de conductividad
baja-media, y para almacenar electricidad en el
segundo condensador 73 de suavización para realizar la suavización.
En comparación con el modo de conductividad
baja-media, la frecuencia de accionamiento se cambia
desde una frecuencia sustancialmente igual a un múltiplo entero de
la frecuencia de resonancia a una frecuencia aproximadamente 1/2
veces la primera en el modo de conductividad media. De este modo,
se puede reducir la pérdida de los elementos de conmutación. Para la
salida de calentamiento, una reducción en la salida de
calentamiento máxima provocada por el cambio anterior en la
frecuencia de accionamiento se anula por medio de un aumento en la
salida de calentamiento máxima provocado por la menor resistencia
equivalente en la resonancia. Como consecuencia, el voltaje de
entrada del inversor 70 es el mismo y se puede obtener la salida de
calentamiento requerida. En el modo de conductividad media, la
resistencia equivalente en la resonancia del circuito de resonancia
es mayor y el voltaje de entrada del inversor 70 es menor que los
correspondientes en el modo del material de alta conductividad. De
este modo, se reduce la salida de calentamiento máxima. No
obstante, la frecuencia de accionamiento se fija a aproximadamente
45 kHz, es decir, aproximadamente la mitad de la frecuencia de
resonancia, lo cual es mayor que la frecuencia de accionamiento
(aproximadamente un tercio de la frecuencia de resonancia) en el
modo del material de alta conductividad. Esta configuración puede
proporcionar la salida de calentamiento máxima suficientemente
grande a una frecuencia próxima a la frecuencia de accionamiento.
Dicha operación permite que el dispositivo de calentamiento por
inducción presente las siguientes características en el modo de
conductividad media. La pérdida de los elementos de conmutación se
reduce fijando la frecuencia de accionamiento de manera que sea
menor que las correspondientes en el modo de conductividad baja y
el modo de conductividad baja-media. Se garantiza
una salida de calentamiento suficiente fijando la frecuencia de
accionamiento de manera que sea mayor que la frecuencia de
accionamiento en el modo del material de alta conductividad. El
circuito mejorador 71 del factor de potencia consigue que el
voltaje a aplicar en los elementos de conmutación sea menor que el
voltaje en el modo del material de alta conductividad para reducir
la pérdida de conmutación.
En la descripción anterior, el circuito
mejorador 71 del factor de potencia aumenta el voltaje a un valor
predeterminado en cada uno de entre el modo de conductividad baja,
el modo de conductividad baja-media, el modo de
conductividad media, y el modo de conductividad alta. No obstante,
la presente invención no se limita a esta estructura. El voltaje de
salida del circuito mejorador 71 del factor de potencia se puede
cambiar según la salida de calentamiento requerida, o la salida de
calentamiento fijada previamente (incluyendo una salida de
calentamiento que sea fijada por el usuario, y una salida de
calentamiento que se almacene en el circuito 63 de control de
salida de calentamiento y fijada en el control de temperatura o una
cocina automática cuando se aplique la función de ajustar la
temperatura o evitar el aumento excesivo de temperatura de la
carga). En el modo de conductividad media, y el modo de
conductividad alta, la pérdida de los elementos de conmutación se
puede reducir fijando la frecuencia de accionamiento de manera que
sea menor que la frecuencia de resonancia. No obstante, la salida
de calentamiento máxima a una frecuencia próxima a la frecuencia de
accionamiento es menor que la correspondiente a una frecuencia
próxima a la frecuencia de resonancia. Por esta razón, un ajuste
realizado de manera que la salida de calentamiento máxima sea mayor
que la salida de calentamiento requerida o fijada puede
proporcionar una salida de calentamiento deseada sin incrementar el
voltaje de entrada del inversor 70 innecesariamente. De este modo,
con una estructura simplificada se pueden inhibir aumentos de la
pérdida de los componentes del inversor, tales como elementos de
conmutación.
Las Figs. 3 a 5 muestran formas de onda a una
frecuencia próxima al punto de resonancia en el que se proporciona
la salida de calentamiento máxima, como ejemplo en el que los
elementos 74, 75, 76, y 77 de conmutación se desactivan en un punto
en el que la corriente que fluye a través de los elementos de
conmutación es cero. No obstante, la sincronización de la
desactivación de los elementos de conmutación no se limita a este
ejemplo. Para evitar que una corriente de cortocircuito fluya a
través de los elementos de conmutación, se puede realizar la
siguiente operación. Los elementos de conmutación se desactivan
cuando la corriente fluye a través de los elementos de conmutación
en el sentido directo, y se accionan a una frecuencia mayor que la
frecuencia de resonancia, próxima a la frecuencia de resonancia de
manera que se proporciona una salida de calentamiento menor que la
salida de calentamiento máxima. En este caso, a través de los
elementos 74, 75, 76, y 77 de conmutación fluye una corriente de
retorno, es decir, corriente de diodo no mostrada en las Figs. 3 a
5.
Cada uno de los elementos 74, 75, 76, y 77 de
conmutación de la Fig. 1 está realizado con un IGBT y un diodo
conectado en antiparalelo con el IGBT. El IGBT y el diodo se pueden
incorporar en un conjunto o en conjuntos independientes. En lugar
del IGBT se puede usar un MOS-FET (transistor de
efecto de campo).
Tal como se ha descrito en la primera forma de
realización ilustrativa de la presente invención, cuando la
frecuencia de accionamiento de los elementos de conmutación se fija
de manera que es igual a un múltiplo entero de la frecuencia de
resonancia para una carga realizada con un material magnético, la
frecuencia de accionamiento es 1/n veces la frecuencia de
resonancia para un material no magnético que tiene una alta
conductividad. Como es necesario que la frecuencia de accionamiento
se fije a un valor que supere el intervalo de frecuencias de audio,
la frecuencia de resonancia necesita fijarse a n x 20 kHz ó mayor.
Por esta razón, cuando se detecta que la carga se ha realizado con
un material magnético, es necesario fijar la frecuencia de
accionamiento de los elementos de conmutación a n x 20 kHz ó mayor.
Por esta razón, en la primera forma de realización ilustrativa, la
frecuencia de resonancia se fija a aproximadamente 30 kHz, y la
frecuencia de accionamiento de los elementos de conmutación para un
material magnético se fija a aproximadamente 90 kHz (n=3). De esta
manera, la presente invención puede contener eficazmente la
magnitud de la corriente que fluye a través de los elementos de
conmutación según la carga, aunque dispone de características para
presentar una frecuencia de accionamiento elevada en el caso de un
material magnético. Para hacer frente a este problema, en la
estructura de la presente invención se pueden utilizar eficazmente
las características de un MOS-FET, es decir, una
mayor pérdida en la activación aunque una velocidad de conmutación
más rápida que el IGBT. De este modo, incluso cuando la frecuencia
de accionamiento de los elementos de conmutación se fija a
aproximadamente 90 kHz, la pérdida de los elementos de conmutación
se puede inhibir a nivel práctico.
En la estructura de la Fig. 1, el circuito 63 de
control de la salida de calentamiento está separado con respecto al
detector 72 de material de carga. No obstante, estas partes se
pueden constituir en el mismo microordenador de manera que se
pueden compartir los componentes y la función. Por ejemplo, el
circuito 63 de control de salida de calentamiento puede tener la
función del detector 72 de material de carga, y el circuito 63 de
control de calentamiento puede controlar la operación de elevación
del circuito mejorador 71 del factor de potencia.
Tal como se ha descrito anteriormente, el
dispositivo de calentamiento por inducción de la primera forma de
realización ilustrativa incluye los siguientes elementos: el
circuito de resonancia que incluye la bobina 59 de calentamiento
que se acopla magnéticamente a una carga y que tiene sustancialmente
un número fijo de vueltas, y el condensador resonante 60 que tiene
sustancialmente una capacidad fija; el circuito mejorador 71 del
factor de potencia, es decir, una parte mejoradora del factor de
potencia, que incrementa los 200 V de la fuente de alimentación
comercial, suministra el voltaje aumentado al inversor 70 para
suministrar energía al circuito de resonancia, y mejora la
corriente alterna comercial; y el detector 72 de material de carga
que detecta el material de la carga. El inversor 70 posee un
circuito de puente completo. El circuito 63 de control de la salida
de calentamiento, es decir, un controlador de la salida de
calentamiento, conmuta la frecuencia de accionamiento de los
elementos 74, 75, 76, y 77 de conmutación entre una frecuencia
sustancialmente igual a un múltiplo entero de la frecuencia de
resonancia del circuito de resonancia y una frecuencia
sustancialmente 1/n veces (siendo n un entero igual a o mayor que
dos) la primera, según un resultado de detección de material de
carga del detector 72 de material de carga. El circuito mejorador 71
del factor de potencia está estructurado para poder cambiar el
voltaje de salida. La frecuencia de resonancia del circuito de
resonancia se fija de manera que la frecuencia de accionamiento de
los elementos de conmutación sea mayor que una frecuencia de audio
(aproximadamente 20 kHz ó menor), cuando n tiene el valor máximo.
Con esta estructura, usando el circuito mejorador 71 del factor de
potencia para conseguir que el factor de potencia de la fuente de
alimentación comercial se aproxime a uno y el circuito de puente
completo, la relación entre la frecuencia de accionamiento y la
frecuencia de resonancia y el voltaje de entrada del inversor 70 se
conmutan al mismo tiempo, según los materiales de la carga, que van
desde un material de alta conductividad a un material de baja
conductividad. Así, se pueden conmutar los modos de calentamiento.
Como consecuencia, con una estructura simplificada del circuito de
resonancia, se puede reducir la pérdida de los elementos de
conmutación y se puede incrementar la salida de calentamiento con
independencia de los materiales de la carga.
El dispositivo de calentamiento por inducción de
la primera forma de realización ilustrativa fija la frecuencia de
accionamiento de los elementos 74, 75, 76, y 77 de conmutación de
manera que es sustancialmente igual a un múltiplo entero de la
frecuencia de resonancia del circuito de resonancia, cuando el
detector 72 de material de carga detecta que la carga está
realizada con un material magnético. Cuando el detector de material
de carga detecta que la carga está realizada con un material no
magnético que presenta una alta conductividad, el dispositivo de
calentamiento por inducción fija la frecuencia de accionamiento de
los elementos 74, 75, 76, y 77 de conmutación de manera que es
sustancialmente 1/n veces (siendo n un entero igual a o mayor que
dos) la frecuencia de resonancia del circuito de resonancia, y fija
el voltaje de salida del circuito mejorador 71 del factor de
potencia de manera que es menor que el voltaje de salida para el
anterior material magnético. Con una estructura tan simplificada,
para un material no magnético que presente una alta conductividad,
tal como aluminio y cobre, la corriente a través de la bobina 59 de
calentamiento se fija en una frecuencia mayor que la frecuencia de
accionamiento de los elementos de conmutación. Para un material
magnético que presente una baja conductividad, tal como hierro y un
acero inoxidable magnético, la frecuencia de la corriente a través
de la bobina 59 de calentamiento se fija de manera que es igual a un
múltiplo entero de la frecuencia de accionamiento de los elementos
de conmutación de modo que se incrementa la energía de resonancia
del circuito de resonancia. Estos valores de configuración pueden
proporcionar una mayor salida de calentamiento al mismo tiempo que
inhiben la pérdida de los elementos de conmutación, con
independencia de los materiales de la carga.
Además, según un resultado de la detección del
material de carga del detector 72 de material de carga, el
dispositivo de calentamiento por inducción de la primera forma de
realización ilustrativa fija n=3, cuando el material de carga se
detecta como un material no magnético que presenta una conductividad
elevada equivalente a la del aluminio. Cuando el material de carga
se detecta como un material no magnético que tiene una conductividad
menor que la del aluminio, el dispositivo de calentamiento por
inducción fija n=2. Con una estructura de este tipo, para un
material no magnético que tenga una alta conductividad, tal como
aluminio y cobre, la corriente a través de la bobina 59 de
calentamiento se fija a una frecuencia aproximadamente tres veces la
frecuencia de accionamiento de los elementos de conmutación. Para
un material no magnético que tenga una conductividad menor que la
del aluminio, tal como un acero inoxidable no magnético, la
corriente a través de la bobina 59 de calentamiento se fija a una
frecuencia aproximadamente dos veces la frecuencia de accionamiento
de los elementos de conmutación. Incluso en materiales de carga no
magnéticos similares, para un material que tenga una conductividad
menor, el valor de n se reduce de manera que el material tiene una
mayor energía de resonancia que un material que presente una
conductividad superior y proporciona la salida de calentamiento
máxima más elevada. De este modo, cuando la carga está realizada
con un material no magnético, se puede obtener una salida de
calentamiento mayor al mismo tiempo que se inhibe la pérdida de los
elementos de conmutación.
Además, cuando el material de carga se detecta
como un material no magnético que tiene una conductividad menor que
la del aluminio e igual a o mayor que una conductividad
predeterminada, el dispositivo de calentamiento por inducción de la
primera forma de realización ilustrativa fija n=2. Cuando el
material de carga se detecta como un material no magnético que
tiene una conductividad menor que la conductividad predeterminada,
el dispositivo de calentamiento por inducción fija n=1. Con esta
estructura, cuando el material de carga se detecta como un material
no magnético que tiene una conductividad menor que la del aluminio e
igual a o mayor que una conductividad predeterminada y un grosor
relativamente grande (por ejemplo, de aproximadamente 2 mm), tal
como un acero inoxidable no magnético, la corriente a través de la
bobina 59 de calentamiento se fija a una frecuencia aproximadamente
dos veces la frecuencia de accionamiento de los elementos de
conmutación. Cuando el material de carga se detecta como un
material no magnético que tiene una conductividad menor que la del
aluminio y que la conductividad predeterminada, la corriente a
través de la bobina 59 de calentamiento se fija a una frecuencia
igual a la frecuencia de accionamiento de los elementos de
conmutación, es decir, n=1, de manera que la energía de resonancia
es mayor que la energía de resonancia de un material que presente
una conductividad igual a o mayor que la conductividad
predeterminada y se incrementa la salida de calentamiento máxima. De
este modo, cuando la carga está realizada con un material no
magnético que tiene una conductividad menor que la del aluminio, el
modo de conmutación se puede conmutar según el grosor de la carga
para proporcionar una salida de calentamiento mayor al mismo tiempo
que se inhibe la pérdida de los elementos de conmutación.
En el dispositivo de calentamiento por inducción
de la primera forma de realización ilustrativa, el voltaje de
salida del circuito mejorador 71 del factor de potencia se cambia
según un valor fijado de la salida de calentamiento de manera que
la salida de calentamiento máxima se aproxima al valor fijado de la
salida de calentamiento. Esta estructura puede evitar el siguiente
problema. Un voltaje de resonancia excesivamente bajo del circuito
de resonancia provoca un modo de cortocircuito en los elementos de
conmutación, o al contrario, un voltaje de resonancia excesivamente
alto del circuito de resonancia provoca daños en los elementos de
conmutación o incrementa la pérdida de los mismos.
En el dispositivo de calentamiento por inducción
de la primera forma de realización ilustrativa, el voltaje de
salida del circuito mejorador 71 del factor de potencia se cambia
según un valor fijado de la salida de calentamiento de manera que
la salida de calentamiento máxima es igual a o mayor que el valor
fijado de la salida de calentamiento, cuando n es igual a o mayor
que dos. Esta estructura evita el siguiente problema. Cuando n es
igual a o mayor que dos, la salida de calentamiento máxima es menor
que la salida de calentamiento máxima cuando n=1. De este modo,
cuando el controlador de calentamiento fija la salida de
calentamiento para que sea mayor que la salida de calentamiento
máxima y el dispositivo de calentamiento por inducción intenta
alcanzar el valor fijado, no existe el punto de funcionamiento
estable. Por esta razón, no se puede obtener la salida de
calentamiento objetiva y el resultado puede ser un modo de
cortocircuito en el que se aplica una carga excesiva sobre los
elementos de conmutación. No obstante, el circuito mejorador 71 del
factor de potencia incrementa el voltaje de manera que la salida de
calentamiento máxima es igual a o mayor que el valor fijado, y por
lo tanto se puede obtener la salida de calentamiento objetivo sin
provocar daños o un incremento de la pérdida.
En el dispositivo de calentamiento por inducción
de la primera forma de realización ilustrativa, cuando el detector
72 de material de carga detecta que la carga tiene una conductividad
superior, el voltaje de salida del circuito mejorador 71 del factor
de potencia se cambia de manera que la salida de calentamiento
máxima se aproxime a un valor fijado de la salida de calentamiento.
Esta estructura incrementa la salida de calentamiento máxima
determinada por el voltaje de resonancia del circuito de resonancia
para proporcionar una salida de calentamiento suficiente. Por otro
lado, esta estructura puede evitar el siguiente problema. Un voltaje
de resonancia excesivamente alto del circuito de resonancia
incrementa la carga aplicada sobre los elementos de conmutación,
provocando de este modo daños en los mismos o incrementando la
pérdida de ellos.
En el dispositivo de calentamiento por inducción
de la primera forma de realización ilustrativa, el voltaje de
salida del circuito mejorador 71 del factor de potencia se cambia
según un valor fijado de la salida de calentamiento de manera que
la salida de calentamiento máxima es igual a o mayor que el valor
fijado de la salida de calentamiento, cuando n es igual a o mayor
que dos. Esta estructura incrementa la salida de calentamiento
máxima determinada por el voltaje de resonancia del circuito de
resonancia de manera que el dispositivo de calentamiento por
inducción puede calentar la carga al valor fijado de la salida de
calentamiento. Además, esta estructura puede evitar el siguiente
problema. Un voltaje de resonancia excesivamente alto del circuito
de resonancia incrementa la carga aplicada sobre los elementos de
conmutación, provocando de este modo daños en los mismos o
incrementando la pérdida de ellos.
En el dispositivo de calentamiento por inducción
de la primera forma de realización ilustrativa, la función de
elevación del circuito mejorador 71 del factor de potencia se
detiene según un resultado de la detección de material de carga del
detector 72 de material de carga. Con esta estructura, cuando se
detiene la función de elevación del circuito mejorador 71 del
factor de potencia, el voltaje de la fuente de alimentación
comercial se puede suministrar al inversor 70. Esta estructura
puede contener el voltaje o la corriente aplicada a los elementos
de conmutación con una salida de calentamiento pequeña o similar. De
este modo, se puede proporcionar un dispositivo de calentamiento
por inducción que logra un mayor rendimiento térmico con una
estructura simplificada.
En el dispositivo de calentamiento por inducción
de la primera forma de realización ilustrativa, al producirse la
recepción de por lo menos la salida de detección del transformador
67 de corriente que funciona como detector de salida de
calentamiento para proporcionar una salida según la salida de
calentamiento, y la salida de detección del transformador 68 de
corriente que funciona como detector de corriente de resonancia para
detectar el voltaje o la corriente del condensador resonante 60 ó
la bobina 59 de calentamiento, el detector 72 de material de carga
compara la salida de calentamiento y la magnitud de la energía de
resonancia del circuito de resonancia. Cuando la relación de la
salida del detector de corriente de resonancia con respecto a la
salida del detector de salida de calentamiento es alta, el detector
de material de carga determina que el circuito de resonancia tiene
una resistencia equivalente pequeña en la resonancia, y da salida al
resultado de la detección según la magnitud de la resistencia
equivalente en la resonancia. Esta estructura permite la
determinación de la magnitud de la salida de calentamiento máxima
cuando la frecuencia de accionamiento de los elementos de
conmutación se fija a 1/n veces (siendo n un entero igual a o mayor
que dos) la frecuencia de resonancia. En otras palabras, la salida
de calentamiento máxima es inversamente proporcional a la magnitud
de la resistencia equivalente en la resonancia del circuito de
resonancia, y proporcional a la agudeza de la resonancia (Q) del
circuito de resonancia. De este modo, con una estructura tan
simplificada, se puede determinar de forma precisa la magnitud de
la salida de calentamiento máxima del circuito de resonancia según
los materiales de la carga, que van desde un material que presenta
una alta conductividad, tal como aluminio y cobre, hasta un material
magnético que presenta una baja conductividad.
En el dispositivo de calentamiento por inducción
de la primera forma de realización ilustrativa, cuando el circuito
de resonancia tiene una resistencia equivalente mayor en la
resonancia, el voltaje de salida del circuito mejorador 71 del
factor de potencia se incrementa para incrementar la salida de
calentamiento máxima según se requiera, para un material de carga
que tenga el mismo valor de n aunque una conductividad menor. De
este modo, se puede mejorar la eficacia de calentamiento.
En el dispositivo de calentamiento por inducción
de la primera forma de realización ilustrativa, cuando el circuito
de resonancia tiene una resistencia equivalente mayor en la
resonancia y el voltaje de salida del circuito mejorador 71 del
factor de potencia es el mismo, el valor de n se reduce para
incrementar la salida de calentamiento máxima según se requiera,
para un material de carga que tenga una conductividad menor. De
este modo, se puede obtener la salida de calentamiento
requerida.
En el dispositivo de calentamiento por inducción
de la primera forma de realización ilustrativa, cuando el circuito
de resonancia tiene una resistencia equivalente mayor en la
resonancia, el valor de n se reduce y el voltaje de salida del
circuito mejorador 71 del factor de potencia se incrementa para
incrementar la salida de calentamiento máxima se requiera, para un
material de la carga que presente una conductividad menor. De este
modo, se puede mejorar la eficacia del calentamiento.
En el dispositivo de calentamiento por inducción
de la primera forma de realización ilustrativa, en el periodo de
accionamiento del primer elemento 74 de conmutación y el cuarto
elemento 77 de conmutación se suministra una corriente de
resonancia que tiene medio ciclo o menos, y en el periodo de
accionamiento del segundo elemento 75 de conmutación y el tercer
elemento 76 de conmutación se suministra una corriente de resonancia
que tiene un ciclo y medio o más. No obstante, se puede ofrecer una
ventaja similar suministrando una corriente de resonancia que tenga
medio ciclo o menos en el periodo de accionamiento del segundo
elemento 75 de conmutación y el tercer elemento 76 de conmutación,
y suministrando una corriente de resonancia que tenga un ciclo y
medio o más en el periodo de accionamiento del primer elemento 74
de conmutación y el cuarto elemento 77 de conmutación.
Además, en el dispositivo de calentamiento por
inducción de la primera forma de realización ilustrativa, en lugar
de la operación del detector 72 de material de carga, la detección
del voltaje del condensador resonante 60 permite la detección de un
incremento en la corriente a través de los elementos 74, 75, 76, y
77 de conmutación. En este caso, se puede detectar el material de
carga, y se puede conmutar el modo de calentamiento con una
estructura más simplificada. En otras palabras, el detector de
salida de calentamiento está estructurado para realizar una
estimación de la corriente de entrada detectando la corriente de
entrada o la potencia de entrada, o detectando por lo menos uno de
entre el voltaje y la corriente del circuito de resonancia realizado
con la bobina 59 de calentamiento y el condensador resonante 60.
Esta estructura simplificada puede proporcionar un dispositivo de
calentamiento por inducción capaz de proporcionar una salida de
calentamiento mayor con independencia de los materiales de la
carga, que van desde un material que presente una alta
conductividad, tal como aluminio y cobre, hasta un material
magnético que presente una baja conductividad.
En el dispositivo de calentamiento por inducción
de la primera forma de realización ilustrativa, la magnitud de la
corriente a través de los elementos 74, 75, 76, y 77 de conmutación
del inversor 70 se puede controlar a un valor apropiado para la
carga y la salida de calentamiento. No obstante, el dispositivo de
calentamiento por inducción presenta características según las
cuales tiene una frecuencia de accionamiento elevada en el caso de
un material magnético. Para hacer frente a este problema, se puede
usar un MOS-FET que tiene características según las
cuales presenta un voltaje mayor, y por lo tanto una pérdida mayor
en la activación aunque una velocidad de conmutación más alta que
el IGBT, y las características del mismo se pueden utilizar
eficazmente. Por ejemplo, cuando la frecuencia de accionamiento de
los elementos de conmutación se fija sustancialmente igual a un
múltiplo entero de la frecuencia de resonancia y los elementos de
conmutación se accionan a una frecuencia de accionamiento que va
desde aproximadamente 60 kHz hasta 90 kHz para un material
magnético, la pérdida de los elementos de conmutación se puede
inhibir a un nivel práctico.
Tal como se ha descrito anteriormente, el
dispositivo de calentamiento por inducción de la presente invención
puede incrementar la salida de calentamiento con independencia de
los materiales de carga, y, por lo tanto, es útil en aplicaciones
tales como el calentamiento industrial por inducción.
Claims (15)
1. Dispositivo de calentamiento por inducción
que comprende:
- un circuito de resonancia que comprende:
- una bobina (59) de calentamiento que se acopla magnéticamente a una carga y que tiene sustancialmente un número fijo de vueltas; y
- un condensador resonante (60) que tiene sustancialmente una capacidad fija;
- un inversor (70) que incluye elementos (74, 75, 76, 77) de conmutación que forman un circuito de puente completo, y suministra energía eléctrica al circuito de resonancia;
- un controlador de salida de calentamiento para accionar los elementos (74, 75, 76, 77) de conmutación y controlar la salida de calentamiento de la bobina (59) de calentamiento;
- un rectificador (52) para rectificar una corriente alterna comercial;
- una parte mejoradora (71) del factor de potencia para elevar la salida rectificada del rectificador (52), suministrar un voltaje de salida al inversor (70); y mejorar un factor de potencia de la corriente alterna comercial; y
- un detector (72) de material de carga para detectar un material de la carga,
en el que el controlador de salida de
calentamiento conmuta una frecuencia de accionamiento de los
elementos (74, 75, 76, 77) de conmutación entre una frecuencia
sustancialmente igual a un múltiplo entero de una frecuencia de
resonancia del circuito de resonancia y una frecuencia
sustancialmente 1/n veces (siendo n un entero igual a o mayor que
dos) la primera, según un resultado de detección de material de
carga del detector (72) de material de carga; y
la parte mejoradora (71) del factor de potencia
tiene la capacidad de cambiar una magnitud del voltaje de
salida.
2. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 1, en el que
según el resultado de la detección del material
de carga del detector (72) de material de carga;
cuando el detector (72) de material de carga
detecta que la carga está realizada con un material magnético, la
frecuencia de accionamiento de los elementos (74, 75, 76, 77) de
conmutación se fija sustancialmente igual a un múltiplo entero de
la frecuencia de resonancia del circuito de resonancia, y
cuando el detector (72) de material de carga
detecta que la carga está realizada con un material no magnético
que tiene una alta conductividad, la frecuencia de accionamiento de
los elementos (74, 75, 76, 77) de conmutación se fija
sustancialmente a 1/n veces (siendo n un entero igual a o mayor que
dos) la frecuencia de resonancia del circuito de resonancia, y el
voltaje de salida del circuito mejorador (71) del factor de potencia
se fija de manera que es menor que el voltaje de salida para el
anterior material magnético.
3. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 2, en el que
según el resultado de la detección del material
de carga del detector (72) de material de carga;
cuando el detector (72) de material de carga
detecta que la carga está realizada con un material no magnético
que tiene una alta conductividad equivalente a una conductividad del
aluminio, n=3, y
cuando el detector (72) de material de carga
detecta que la carga está realizada con un material no magnético
que tiene una conductividad menor que una conductividad del
aluminio, n=2.
4. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 3, en el que
no se usa la siguiente condición en la que,
cuando el detector (72) de material de carga detecta que la carga
está realizada con un material no magnético que tiene una
conductividad menor que una conductividad del aluminio, n=2,
en su lugar, cuando el detector (72) de material
de carga detecta que la carga está realizada con un material no
magnético que tiene una conductividad menor que una conductividad
del aluminio e igual a o mayor que una conductividad
predeterminada, n=2, y
cuando el detector (72) de material de carga
detecta que la carga está realizada con un material no magnético
que tiene una conductividad menor que la conductividad
predeterminada, n=1.
5. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 1 ó 2, en el que el voltaje de salida de la
parte mejoradora (71) del factor de potencia se cambia según un
valor fijado de la salida de calentamiento de manera que la salida
de calentamiento máxima se aproxima al valor fijado de la salida de
calentamiento.
6. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 1 ó 2, en el que el voltaje de salida de la
parte mejoradora (71) del factor de potencia se cambia según un
valor fijado de la salida de calentamiento de manera que la salida
de calentamiento máxima es igual a o mayor que el valor fijado de la
salida de calentamiento, cuando n es igual a o mayor que dos.
7. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 1 ó 2, en el que según el resultado de la
detección del material de carga del detector (72) de material de
carga;
cuando el detector (72) de material de carga
detecta que la carga tiene una conductividad superior, el voltaje
de salida de la parte mejoradora (71) del factor de potencia se
cambia de manera que la salida de calentamiento máxima se aproxima
a un valor fijado de la salida de calentamiento.
8. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 1 ó 2, en el que el voltaje de salida de la
parte mejoradora (71) del factor de potencia se cambia según el
resultado de la detección del material de carga del detector (72)
de material de carga de manera que la salida de calentamiento máxima
es igual a o mayor que un valor fijado de la salida de
calentamiento, cuando n es igual a o mayor que dos.
9. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 1 ó 2, en el que la función de elevación de
la parte mejoradora (71) del factor de potencia se detiene según el
resultado de la detección del material de carga del detector (72)
de material de carga.
10. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 1 ó 2, en el que el detector (72) de
material de carga compara por lo menos la salida de detección de un
detector de salida de calentamiento para proporcionar una salida
según la salida de calentamiento y la salida de detección de un
detector de corriente de resonancia destinado a detectar uno de
entre un voltaje y una corriente de uno de entre el condensador
resonante (60) y la bobina (59) de calentamiento; y cuando una
relación de la salida del detector de corriente de resonancia con
respecto a la salida del detector de salida de calentamiento es
elevada, el detector de material de carga determina que el circuito
de resonancia tiene una resistencia equivalente pequeña en la
resonancia, y da salida a un resultado de detección según una
magnitud de la resistencia equivalente en la resonancia.
11. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 10, en el que
cuando el circuito de resonancia tiene una
resistencia equivalente superior en la resonancia, se incrementa el
voltaje de salida de la parte mejoradora (71) del factor de
potencia.
12. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 10, en el que
cuando el circuito de resonancia tiene una
resistencia equivalente superior en la resonancia, se reduce un
valor de n.
13. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 11, en el que
cuando el circuito de resonancia tiene una
resistencia equivalente superior en la resonancia, se reduce un
valor de n y se incrementa el voltaje de salida de la parte
mejoradora (71) del factor de potencia.
14. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 10, en el que
el detector de salida de calentamiento realiza
una estimación de la corriente de entrada detectando una de entre
la corriente de entrada y la potencia de entrada, o detectando por
lo menos uno de entre el voltaje y la corriente del circuito de
resonancia.
15. Dispositivo de calentamiento por inducción
según la reivindicación 1 ó 2, en el que cada uno de los elementos
(74, 75, 76, 77) de conmutación está realizado por lo menos con un
MOS-FET.
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