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El calentamiento por inducción se usa ampliamente en procesos metalúrgicos, incluyendo hornos de fundición de grandes capacidades hasta dispositivos de tratamiento térmico de precisión. El desarrollo de electrónica de alta potencia ha hecho posible que hoy en día se pueda tener un control preciso de los procesos al tiempo que se ahorra en energía, en comparación con otros métodos de calentamiento disponibles, y que se encuentren en el mercado sistemas en una amplia gama de frecuencias de operación y niveles de potencia.

Principios

El calentamiento inductivo o por inducción, consiste en inducir corrientes eléctricas alternas en una pieza de trabajo conductora o masa fundida, por medio de un campo magnético alterno. Las corrientes eléctricas (corrientes parásitas) producen calor por efectos resistivos en la pieza de trabajo y los efectos de histéresis se suman al calor en los materiales magnéticos, así, hay contacto físico entre la fuente de energía y la pieza de trabajo.

Las bobinas de trabajo varían en complejidad desde una simple helicoidal o solenoide que consiste en varias vueltas de tubo de cobre enrollado alrededor de un mandril hasta una bobina mecanizada con precisión a partir de cobre sólido y soldado. Los hornos de fundición inductivos utilizan grandes bobinas integradas en la estructura del horno.

  • La fuente de alimentación proporciona la frecuencia variable de corriente alterna a la bobina del calentador.
  • El transformador de cambio de toma permite cambiar el voltaje alimentado al circuito del tanque y la bobina de calentamiento, ya que la impedancia de la bobina de calentamiento varía con la temperatura y con el tipo y tamaño de la bobina que se utiliza.
  • El circuito del tanque hace coincidir la impedancia de suministro con la de la bobina para garantizar que la potencia máxima se transfiera al calentador.
  • El sistema de enfriamiento de agua circula agua de enfriamiento a través de la bobina.
  • El sistema de control de temperatura regula la salida de la fuente de alimentación para controlar la temperatura.
  • El sistema de control de voltaje y frecuencia controla el voltaje alimentado al circuito del tanque y la frecuencia de la fuente de alimentación, para asegurar que se mantenga la operación en o cerca de la frecuencia de resonancia.

El propósito principal del diseño es transferir la cantidad máxima de energía desde la fuente a la pieza de trabajo en el tiempo requerido, lo que depende de varios factores.

El calentamiento por inducción ocurre cuando se induce una corriente de Foucault en una pieza de trabajo que es un mal conductor de electricidad. Para que el proceso sea eficiente y práctico, deben cumplirse ciertas relaciones de la frecuencia del campo electromagnético que produce las corrientes parásitas (de Foucault), con las propiedades de la pieza de trabajo. La naturaleza básica del calentamiento es que las corrientes parásitas se producen en el exterior de la pieza de trabajo en lo que a menudo se denomina calentamiento por efecto de pie”.

Debido a que casi todo el calor se produce en la superficie, las corrientes de Foucault que fluyen en una pieza cilíndrica serán más intensas en la superficie externa, mientras que las corrientes en el centro son insignificantes. La profundidad de calentamiento depende de la frecuencia del campo de corriente alterna, la resistividad eléctrica y la permeabilidad magnética relativa de la pieza de trabajo. Cuanto mayor sea la frecuencia, más pronunciado será el efecto de la piel.

La investigación ha demostrado una relación entre la frecuencia de la corriente alterna y la profundidad de penetración del calentamiento: cuanto mayor es la frecuencia, menor es el calentamiento de la pieza. Las frecuencias de 100 a 400 kHz producen calor de energía relativamente alta, ideal para calentar rápidamente piezas pequeñas o la superficie de piezas más grandes. Para el calor profundo y penetrante, se ha demostrado que los ciclos de calentamiento más largos a frecuencias más bajas de 5 a 30 kHz son los más efectivos.

El efecto de la piel se usa con ventaja cuando se tratan componentes de tratamiento térmico que requieren endurecimiento de la superficie, por ejemplo, donde solo se requiere la dureza de la capa superficial. Se ha demostrado que el endurecimiento por inducción tiene muchas ventajas sobre las técnicas tradicionales de endurecimiento de casos, y se aplica en muchas industrias.

Transferencia de energía y frecuencia de operación.

Frecuencia

La velocidad de calentamiento de la pieza de trabajo u horno depende de la frecuencia de la corriente inducida, la intensidad de la corriente inducida, el calor específico del material, la permeabilidad magnética del material y la resistencia del material al flujo.

Elección de frecuencia de operación

La frecuencia de operación afecta la velocidad de transferencia de energía, así como la profundidad de calentamiento en la pieza de trabajo. El tamaño de la pieza de trabajo y la aplicación de calentamiento determinan la frecuencia de funcionamiento del sistema de inducción. Generalmente, cuanto más grande es la pieza de trabajo, menor es la frecuencia y cuanto menor es la pieza de trabajo, mayor es la frecuencia. La frecuencia de funcionamiento está determinada por la capacitancia del circuito del tanque, la inductancia de la bobina y las propiedades del material de la pieza de trabajo.

La frecuencia debe seleccionarse en combinación con la potencia y el tiempo de calentamiento. Los valores de frecuencia, potencia y calentamiento describen el proceso de inducción. Los rigurosos estudios teóricos y experimentales han dado como resultado el desarrollo de recomendaciones para la selección de frecuencias para diferentes aplicaciones, incluido el endurecimiento del contorno de engranajes y otras partes de geometría compleja.

Casi cualquier combinación de potencia está disponible debido al desarrollo de fuentes de alimentación de estado sólido con alta eficiencia y pequeñas dimensiones. Hay programas de computadora disponibles que pueden simular con precisión el proceso de tratamiento térmico por inducción. Estos desarrollos ayudan a satisfacer las crecientes demandas de tratamiento térmico con respecto a la tasa de producción y la calidad de la pieza, como dureza, profundidad, patrón, distorsión, etc.), así como las demandas de muchas nuevas tecnologías y aplicaciones que establecen requisitos especiales para la selección de frecuencia.

Sintonización automática a frecuencia resonante

La potencia máxima se transfiere cuando la bobina de calentamiento y sus condensadores asociados se alimentan con corriente a la frecuencia resonante del circuito del tanque de la bobina de calentamiento. El circuito del tanque consta del componente inductivo, la propia bobina y una serie de sintonización o banco de condensadores paralelos, para producir un circuito con una frecuencia de resonancia variable.

Insertar una pieza de trabajo en la bobina cambia la inductancia de la bobina de calentamiento y, por lo tanto, su frecuencia de resonancia. Los elementos ferrosos y otros elementos magnéticos tendrán un gran efecto sobre la inductancia, mientras que los materiales no ferrosos tendrán un efecto limitado. Insertar la pieza de trabajo también afecta el componente resistivo general del circuito equivalente. Las propiedades de la pieza de trabajo también pueden cambiar con la temperatura.

Para mantener la máxima transferencia de energía durante el funcionamiento, es necesario modificar la frecuencia del suministro durante el funcionamiento para mantener el circuito del calentador y el tanque a una frecuencia resonante. Esto se logra automáticamente en los sistemas modernos, monitoreando el voltaje, la corriente y el ángulo de fase del suministro a la bobina de calentamiento y ajustando la frecuencia para lograr un factor de potencia unitario o ángulo de fase cero. El control digital se usa cada vez más. La unidad se configura manualmente a la frecuencia de resonancia inicial y luego la frecuencia se controla automáticamente durante el proceso de calentamiento.

Capacidad de suministro de energía

El tamaño de la fuente de alimentación para calentamiento por inducción requerida para calentar una parte particular se puede calcular fácilmente. Primero, uno debe determinar cuánta energía necesita ser transferida a la pieza de trabajo. Esto depende de la masa del material que se calienta, el calor específico del material y el aumento de temperatura requerido. Las pérdidas de calor por conducción, convección y radiación también deben considerarse.

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