具有提高了效率的线圈系统的感应炉技术方案

一种感应炉系统（１０）具有包围炉缸（１３）的有源感应线圈（Ｌ１）。无源感应线圈（Ｌ２）也包围着该炉缸（１３）。无源感应线圈（Ｌ２）与电容器（Ｃ２）并联连接以形成Ｌ－Ｃ谐振电路。给有源感应线圈（Ｌ１）提供交流电流源（２０）以产生感应加热并熔化炉缸（１３）中的导电材料（１２）的磁场（Ｍ）。该磁场（Ｍ）也与无源感应线圈（Ｌ２）磁耦合以在无源感应线圈中产生感应电流（Ｉ２）。这种感应的电流（Ｉ２）产生可感应加热并熔化炉缸中材料（１２）的磁场。Ｌ－Ｃ谐振电路的电阻反映回到有源感应线圈（Ｌ１）的电路中以提高感应炉系统（１０）的总体效率。炉缸可以是末端开口的以允许在加热处理的过程中导电材料（１２）能够通过该炉缸（１３）。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请要求2001年1月8日申请的美国临时申请No.60/260,241的利益。本专利技术涉及电感炉，特别是涉及具有提高了效率的线圈系统的感应炉。电感炉用于加热和熔化金属以及其它的导电材料。感应炉使用由交流电源供电的感应线圈。流经线圈的交流电流产生施加到放置在炉的炉缸的里面的导电炉料的磁场。应用磁场在炉料中所感应的涡流加热、熔化甚至熔融炉料。在感应线圈和炉料之间的磁耦合类似于磁变压器耦合。然而感应线圈具有比磁变压器的漏感高得多的漏感。因此感应炉的功率因数非常低，一般在0.08至0.15的范围内并且具有滞后的特点，因此感应炉是一种效率非常低的负载。常规的无铁芯感应炉由水冷的螺旋铜线圈组成，并具有容纳炉料的陶瓷炉缸。在线圈中的交流电流产生在导电炉料中感应电流的磁场。如在附图1(a)所示，可以将感应炉100看成松散耦合的变压器，在该变压器中初级线圈的线匝磁耦合到由导电熔体102所形成的单匝中。在该附图中，Ic表示线圈电流，而Im表示在熔池中的电流。因此，可以认为在熔体中感应的电流与在线圈中的电流的比率接近线圈线匝的数量。在熔体的周边上感应出最大的电流密度，而电流随着朝炉缸的中心的熔体深度呈指数衰减。衰减率由常数(即电流透入熔体中的深度)Δm定义，定义如下式(米)Δm=2·ρmμ0·μm·f=503ρmf]]>这里，ρm熔化的金属的电阻率(欧姆/米)；μ0·μm绝对和相对导磁率的乘积(μ0＝4π×10-7，而μm是该金属的相对导磁率，单位为H/m)；以及f＝线圈电流的频率(赫兹)。感应炉通常设计成满足电流透入金属的深度远小于熔体的半径的条件(Δm＜＜rm)。熔体的常规形状为圆柱形。大部分感应电流在厚度等于透入深度Δm的熔体的外层中流动。通过下式可以估计这层的电阻Rm(欧姆)Rm=ρm·2π·rmhm·Δm=0.0125·rmhmfρm]]>这里Rm＝熔体的电阻(欧姆)；rm＝熔体的半径；hm＝熔体的高度；ρm、Δm和f如前文所定义。感应炉在原理上是单相装置。所供应的电功率通常分布在平衡的三相线上。为了最佳地操作，感应炉通常在100至10,000赫兹的范围的频率下运行。炉中的熔融金属的电磁搅拌需要这些频率保持最佳的Δm/rm比率。固态功率转换器产生感应炉所需频率的功率、电压和电流。这些转换器使用功率半导体器件(比如SCR、IGBT或IGCT拓扑结构)。固态静态功率转换器解决了相位平衡问题。在转换为单相中频电流之前对输入3-，6-或12-相线电压进行整流。多相线电压的全波整流在输电线上产生较低的谐波失真，由此不需要线路滤波器。如在附图1(b)所示，功率变换器由三个主要的部分组成交流到直流整流器和直流滤波器；直流到交流中频变换器；和调谐电容器组。通过改变变换器固态开关部件的换向时序来自动控制输送给炉中的功率。这种时序确定了工作频率、相位和炉子电流的幅值。有两个常规的方式实施静态固态功率变换器，即具有并联电容器组的电流反馈变换器和具有串联的电容器组的电压反馈变换器。附图2(a)所示为使用电流反馈变换器的炉子系统。附图2(b)所示为使用具有串联/并联槽路电容器的电流反馈变换器的炉子系统。附图2(c)和2(d)所示分别为使用全桥和半桥结构的电压反馈变换器的炉子系统。每个这些电源拓扑结构包括整流器和滤波器部分110；固态变换器部分120；和调谐电容器部分130。虽然在这些附图中使用一般公认的SCR符号，但是在这些应用中也可以使用其它的固态开关器件。如附图2(a)所示，在电流反馈变换器中，通常与炉子线圈并联连接功率因数校正电容器组。在此所使用的术语“电容器组”是指串联或并联连接的一个或多个电容器，其等效电路如附图所示。电容器组和线圈两者都连接在全桥变换器的对角线中。这种连接允许线圈电流的电抗分量绕过变换器的固态开关部件。然而，变换器承受整个炉子的电压。变换器的电压值可能高于或低于在整流器上的直流电压。因此，直流整流器和变换器部分必须通过电抗器去耦。该电抗器给变换器输送恒定的直流电流。它们起滤波器和蓄能容器的作用。变换器将直流电流转换为输送给并联谐振电路的方波电流。在电流反馈变换器系统中通过改变变换器时序和直流电压控制炉子功率。当变换器电压落到直流整流器电压之下时，不能通过仅改变变换器换向频率来控制输出功率。另外还可通过调整整流器SCR的导电相位角度来实现对所输入的直流电流的控制。除非提供滤波器否则这种调整将给输电线中带来失真。并行谐振变换器的主要优点在于通过固态开关器件仅传递一部分线圈电流，由此减少了半导体器件的数量。变换器仅控制一部分线圈电流。然而，这限制了变换器的可控制性。应用滤波直流电抗器作为临时能量存储器在启动变换器的过程中造成困难。在电抗器中的能量是运动能(类似于飞轮的能量)—它仅存在于直流电流经过整流器流到变换器中时。为在滤波直流电抗器中积累所需要的能量，使用专用的启动器网络。在并行变换器停止工作时，应用变换器的固态开关作为消弧电路来消耗来自这种电抗器的能量。在变换器固态开关器件中的较低的电流的优点被这些器件所承受的较高的电压所抵消。这经常要求串联层叠这些器件，而反过来这又需要特殊的动态分压器。对于连接到标准低电压线的较小的电流反馈变换器，使用一如附图2(b)所示的串联/并联连接电容器组，而不使用并联谐振电路。从电路理论方面看，如在附图2(c)中所示的电压反馈串联谐振变换器表示二元电路至电流反馈并联变换器。在直流线中的电流滤波电抗器由直流电压滤波电容器替代。输出并联谐振电路由串联谐振电路替代。在变换器上的电压保持恒定并等于交流到直流整流器的输出电压。全部线圈电流流经变换器SCR和调谐电容器组。这种结构提供该系统的良好可控制性。通过控制变换器固态开关器件的换向时序，它可以快速地改变(在一个振动周期内)在谐振电路中循环的能量多少。在直流滤波电容器组中的可能的电能可以无限保持而不管变换器的状态。在每个循环中，无功功率通过固态开关器件从滤波器流到炉子或通过反并联二极管从炉子流到滤波器。由于变换器部分的良好的可控制性，不需要控制直流电压。由于相位控制没有施加到整流器，在输电线上的输入功率因数相对恒定。不需要交流相位校正电容器或线路滤波器。通过应用如在附图2(d)中所示的半桥变换器方案甚至可以进一步简化串联谐振变换器的实际实施方式。电流反馈变换器以较高的电压运行，而电压反馈变换器以较低的电压但满线圈电流运行。电压反馈变换器具有更好的可控制性并将无功能量整个存储在电容器中，该电容器具有比电流反馈变换器的直流电抗器更低的损失。在感应炉系统的所有这些已有技术的结构中，如上文所指出的一样，炉子线圈是效率非常低的电负载。因此，需要用于感应炉的具有更高效率的线圈系统。一方面，本专利技术是一种用于加热和熔化感应炉系统的炉缸中的导电材料的装置和方法，该感应炉系统包括包围在炉缸的局部部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种感应炉系统，包括： 炉缸； 感应线圈系统，该感应线圈系统用于感应加热和熔化放置在炉缸中的导电材料，该感应线圈系统包括： 包围在炉缸的第一局部部分上的无源感应线圈； 与无源感应线圈的端子相连以形成并联Ｌ－Ｃ谐振电路的电容器； 包围在炉缸的第二局部部分上的有源感应线圈，该有源感应线圈相对于无源感应线圈设置以在第一交流电流流经有源感应线圈时在有源和无源感应线圈之间产生磁场；以及 电源，该电源具有适合于连接到非感应炉系统本身提供的外部功率源的输入端，电源的交流电流输出端与有源感应线圈的端子相连以给有源感应线圈输送第一交流电流，由此第一交流电流产生可感应加热并熔化放置在炉缸中的导电材料的第一磁场，并且通过与无源感应线圈的磁耦合，该第一交流电流在无源感应线圈中感应产生第二交流电流，该无源交流电流产生可感应加热并熔化炉缸中的导电材料的第二磁场，同时并联Ｌ－Ｃ谐振电路的电阻反映到有源感应线圈中以提高感应炉系统的效率。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：OS费什门，VV纳多，VA佩萨克赫维希，JH莫蒂默，
申请(专利权)人：应达公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]