Calentamiento por inducción

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El calentamiento por inducción es un método de calentamiento sin contacto de materiales eléctricamente conductores con alta frecuencia y grandes corrientes .

Historia del calentamiento por inducción

El descubrimiento de la inducción electromagnética en 1831 pertenece a Michael Faraday . Cuando un conductor se mueve en el campo de un imán, se induce EMF en él , al igual que cuando se mueve un imán, cuyas líneas de fuerza se cruzan con el circuito conductor. La corriente en el circuito se llama inductiva. Las invenciones de muchos dispositivos se basan en la ley de la inducción electromagnética, incluidos los definitorios: generadores y transformadores que generan y distribuyen energía eléctrica, que es la base fundamental de toda la industria eléctrica.

En 1841, James Joule (e independientemente Emil Lenz ) formularon una evaluación cuantitativa del efecto térmico de la corriente eléctrica: “La potencia de calor liberada por unidad de volumen del medio durante el flujo de corriente eléctrica es proporcional al producto de la densidad de la corriente eléctrica y la magnitud de la fuerza del campo eléctrico” ( Ley de Joule - Lenz ). El efecto térmico de la corriente inducida dio lugar a la búsqueda de dispositivos para el calentamiento de metales sin contacto. Los primeros experimentos sobre el calentamiento del acero mediante corriente inductiva fueron realizados por E. Colby en los EE. UU.

El primero en funcionamiento con éxito los llamados. El horno de inducción de canal para la fundición de acero fue construido en 1900 por Benedicks Bultfabrik en Gysing, Suecia. En la respetable revista de la época "EL INGENIERO" del 8 de julio de 1904, apareció una famosa publicación , donde el ingeniero inventor sueco FA Kjellin habla de su desarrollo. El horno estaba alimentado por un transformador monofásico. La fusión se llevó a cabo en un crisol en forma de anillo, el metal que contenía representaba el devanado secundario de un transformador alimentado por una corriente de 50-60 Hz.

El primer horno de 78 kW se puso en funcionamiento el 18 de marzo de 1900 y resultó ser muy poco económico, ya que la capacidad de fusión era de solo 270 kg de acero por día. El siguiente horno se fabricó en noviembre del mismo año con una capacidad de 58 kW y una capacidad de 100 kg para acero. El horno mostró alta rentabilidad, la capacidad de fusión era de 600 a 700 kg de acero por día. Sin embargo, el desgaste del revestimiento debido a las fluctuaciones térmicas resultó estar en un nivel inaceptable y los frecuentes cambios de revestimiento redujeron la eficiencia resultante.

El inventor llegó a la conclusión de que para obtener el máximo rendimiento de fusión, es necesario dejar una parte significativa de la masa fundida durante la descarga, lo que evita muchos problemas, incluido el desgaste del revestimiento. Este método de fundición de acero con residuo, que empezó a llamarse "pantano", ha sobrevivido hasta nuestros días en algunas industrias donde se utilizan hornos de gran capacidad.

En mayo de 1902, se puso en funcionamiento un horno significativamente mejorado con una capacidad de 1800 kg, el drenaje era de 1000-1100 kg, el balance era de 700-800 kg, la potencia era de 165 kW, la capacidad de fundición de acero podía alcanzar los 4100 kg por ¡día! Tal resultado de consumo de energía de 970 kWh/t impresiona por su eficiencia, que no es muy inferior a la productividad moderna de alrededor de 650 kWh/t . Según los cálculos del inventor, de un consumo de energía de 165 kW, se perdieron 87,5 kW, la potencia térmica útil fue de 77,5 kW y se obtuvo una eficiencia global muy alta del 47%. La rentabilidad se explica por el diseño del anillo del crisol, que hizo posible fabricar un inductor de múltiples vueltas con baja corriente y alto voltaje: 3000 V. Los hornos modernos con un crisol cilíndrico son mucho más compactos, requieren menos inversión de capital, son más fáciles para operar, equipado con muchas mejoras durante cien años de su desarrollo, pero la eficiencia se incrementa insignificante. Es cierto que el inventor en su publicación ignoró el hecho de que la electricidad no se paga por la potencia activa, sino por la potencia total, que a una frecuencia de 50-60 Hz es aproximadamente el doble de la potencia activa. Y en los hornos modernos, la potencia reactiva se compensa con un banco de capacitores.

Con su invento, el ingeniero FA Kjellin sentó las bases para el desarrollo de hornos industriales de canal para la fusión de metales no ferrosos y acero en los países industrializados de Europa y América. La transición de los hornos de canal de 50-60 Hz a los modernos hornos de crisol de alta frecuencia duró de 1900 a 1940.

Cómo funciona

El calentamiento por inducción es el calentamiento de materiales por corrientes eléctricas que son inducidas por un campo magnético alterno. Por lo tanto, este es el calentamiento de productos hechos de materiales conductores (conductores) por el campo magnético de los inductores (fuentes de un campo magnético alterno).

El calentamiento por inducción se lleva a cabo como sigue. Se coloca una pieza de trabajo eléctricamente conductora (metal, grafito) en el llamado inductor , que es una o más vueltas de cable (la mayoría de las veces de cobre). Se inducen potentes corrientes de varias frecuencias (desde decenas de Hz hasta varios MHz) en el inductor utilizando un generador especial, como resultado de lo cual surge un campo electromagnético alrededor del inductor . El campo electromagnético induce corrientes de Foucault en la pieza de trabajo . Las corrientes de Foucault calientan la pieza de trabajo bajo la acción del calor Joule .

El sistema inductor-blanco es un transformador sin núcleo , en el que el inductor es el devanado primario. La pieza de trabajo es, por así decirlo, un devanado secundario, en cortocircuito. El flujo magnético entre los devanados se cierra en el aire.

A alta frecuencia, las corrientes de Foucault son desplazadas por el campo magnético formado por ellas en capas superficiales delgadas de la pieza de trabajo Δ ( efecto de piel ), como resultado de lo cual su densidad aumenta bruscamente y la pieza de trabajo se calienta. Las capas subyacentes del metal se calientan debido a la conductividad térmica. No es la corriente lo importante, sino la alta densidad de corriente. En la capa de piel Δ, la densidad de corriente aumenta en un factor de e en relación con la densidad de corriente en la pieza de trabajo, mientras que el 86,4 % del calor de la liberación total de calor se libera en la capa de piel. La profundidad de la capa de la piel depende de la frecuencia de radiación: cuanto mayor sea la frecuencia, más delgada será la capa de la piel. También depende de la permeabilidad magnética relativa μ del material de la pieza.

Para hierro, cobalto, níquel y aleaciones magnéticas a temperaturas por debajo del punto de Curie , μ tiene un valor de varios cientos a decenas de miles. Para otros materiales (fundiciones, metales no ferrosos, eutécticos líquidos de bajo punto de fusión , grafito, cerámica eléctricamente conductora, etc.), μ es aproximadamente igual a uno.

Fórmula para calcular la profundidad de la piel en mm:

,

donde ρ  es la resistencia eléctrica específica del material de la pieza a la temperatura de procesamiento, Ohm m, f  es la frecuencia del campo electromagnético generado por el inductor, Hz.

Por ejemplo, a una frecuencia de 2 MHz, la profundidad de la piel del cobre es de aproximadamente 0,047 mm, para el hierro ≈ 0,0001 mm .

El inductor se calienta mucho durante el funcionamiento, ya que absorbe su propia radiación. Además, absorbe la radiación de calor de una pieza de trabajo caliente. Fabrican inductores a partir de tubos de cobre enfriados por agua. El agua se suministra por succión, lo que garantiza la seguridad en caso de quemadura u otra despresurización del inductor.

Aplicación

Beneficios

Desventajas

Fusión levitacional (fusión en suspensión, fusión en un crisol electromagnético)

Una corriente alterna en el inductor genera una corriente en dirección opuesta en la pieza de trabajo. El área de la pieza de trabajo cerca del inductor se puede considerar como una "bobina" de un conductor de corriente. Las corrientes que fluyen en direcciones opuestas se repelen entre sí de acuerdo con la ley de Ampère. Por lo tanto, la pieza de trabajo es repelida por el inductor (explosión electromagnética).

Para suspender una pieza de trabajo eléctricamente conductora, se utilizan inductores de diseños especiales, generalmente hechos en forma de cono con contravuelta. El campo electromagnético en un inductor de este tipo es más fuerte desde la parte inferior y los lados, formando un pozo potencial que evita que la pieza de trabajo se mueva hacia abajo y hacia los lados.

Simultáneamente con la levitación, se lleva a cabo un calentamiento intensivo de la pieza de trabajo, lo que permite la fusión sin contacto con el crisol y sin contaminación de la muestra con el material del crisol. Este método se utiliza, por ejemplo, para obtener muestras ultrapuras de aleaciones.

Dispositivos de calentamiento por inducción

Generadores de corriente de inducción

El inductor de calentamiento es un inductor que forma parte del circuito oscilatorio de trabajo con un banco de condensadores de compensación. La construcción del circuito se lleva a cabo con la ayuda de tubos electrónicos o con la ayuda de llaves electrónicas de semiconductores. En instalaciones con una frecuencia de operación de hasta 300 kHz, se utilizan inversores en conjuntos IGBT o transistores MOSFET . Tales instalaciones están diseñadas para calentar piezas grandes. Para calentar piezas pequeñas, se utilizan altas frecuencias (hasta 5 MHz, el rango de ondas medias y cortas), las instalaciones de alta frecuencia se construyen sobre tubos electrónicos .

Además, para calentar piezas pequeñas, las instalaciones de alta frecuencia se basan en MOSFET para frecuencias operativas de hasta 1,7 MHz. El control y la protección de transistores a frecuencias más altas presenta ciertas dificultades, por lo que la configuración de frecuencias más altas sigue siendo bastante costosa.

El inductor para calentar piezas pequeñas es pequeño y tiene una inductancia pequeña, lo que conduce a una disminución del factor de calidad del circuito oscilatorio de trabajo a bajas frecuencias y una disminución de la eficiencia, y también representa un peligro para el oscilador maestro (a bajas frecuencias , la resistencia inductiva del inductor (bobina del circuito oscilatorio) es pequeña y hay un cortocircuito en la bobina (inductor). El factor de calidad del circuito oscilatorio es proporcional a L / C, el circuito oscilatorio con un factor de calidad bajo es muy mal "bombeado" con energía. Para aumentar el factor de calidad del circuito oscilatorio, se utilizan dos formas:

  1. Aumentar la frecuencia de operación, lo que conduce a la complejidad y costo de la instalación;
  2. El uso de insertos ferromagnéticos en el inductor; pegando el inductor con paneles de material ferromagnético.

Dado que el inductor funciona de manera más eficiente a altas frecuencias, el calentamiento por inducción recibió una aplicación industrial después del desarrollo y el inicio de la producción de potentes lámparas generadoras . Antes de la Primera Guerra Mundial, el calentamiento por inducción tenía un uso limitado. En ese momento, se utilizaban como generadores generadores de máquinas de alta frecuencia (obras de V.P. Vologdin ) o instalaciones de descarga de chispas.

El circuito oscilador puede ser, en principio, cualquiera ( multivibrador , oscilador RC, oscilador excitado independientemente, varios osciladores de relajación ), que funcione con una carga en forma de bobina inductora y que tenga suficiente potencia. También es necesario que la frecuencia de oscilación sea suficientemente alta.

Por ejemplo, para "cortar" un alambre de acero con un diámetro de 4 mm en unos pocos segundos, se requiere una potencia oscilatoria de al menos 2 kW a una frecuencia de al menos 300 kHz.

El esquema se selecciona de acuerdo con los siguientes criterios: confiabilidad; estabilidad de fluctuación; estabilidad de la potencia liberada en la pieza de trabajo; facilidad de fabricación; facilidad de configuración; número mínimo de piezas para reducir costos; el uso de piezas que en conjunto dan una reducción de peso y dimensiones, etc.

Durante muchas décadas, un generador inductivo de tres puntos se ha utilizado como generador de oscilaciones de alta frecuencia ( un generador Hartley , un generador con retroalimentación de autotransformador, un circuito basado en un divisor de voltaje de bucle inductivo). Este es un circuito de fuente de alimentación paralelo autoexcitado para el ánodo y un circuito selectivo de frecuencia hecho en un circuito oscilatorio. Se ha utilizado con éxito y se sigue utilizando en laboratorios, talleres de joyería, empresas industriales, así como en la práctica de aficionados. Por ejemplo, durante la Segunda Guerra Mundial, en tales instalaciones se llevó a cabo el endurecimiento de la superficie de los rodillos del tanque T-34.

Desventajas de tres puntos:

  1. Baja eficiencia (menos del 40% cuando se usa una lámpara);
  2. Una fuerte desviación de frecuencia en el momento de calentar los espacios en blanco hechos de materiales magnéticos por encima del punto de Curie (≈700 °C) (cambios de μ), que cambia la profundidad de la capa de la piel y cambia impredeciblemente el modo de tratamiento térmico. Cuando se tratan piezas críticas con calor, esto puede ser inaceptable. Además, las potentes instalaciones de HDTV deben operar en un rango estrecho de frecuencias permitidas por Roskomnadzor , ya que con un blindaje deficiente, en realidad son transmisores de radio y pueden interferir con la transmisión de televisión y radio, los servicios costeros y de rescate;
  3. Cuando se cambian los espacios en blanco (por ejemplo, de uno más pequeño a uno más grande), cambia la inductancia del sistema "inductor-blanco", lo que también conduce a un cambio en la frecuencia y la profundidad de la capa de piel;
  4. Al cambiar los inductores de una sola vuelta a los de varias vueltas, a los más grandes o más pequeños, la frecuencia también cambia.

Bajo el liderazgo de Babat , Lozinsky y otros científicos, se desarrollaron circuitos generadores de dos y tres circuitos que tienen una mayor eficiencia (hasta el 70%) y también mantienen mejor la frecuencia de operación. El principio de su acción es el siguiente. Debido al uso de circuitos acoplados y al debilitamiento de la conexión entre ellos, un cambio en la inductancia del circuito de trabajo no implica un cambio fuerte en la frecuencia del circuito de ajuste de frecuencia. Los transmisores de radio se construyen de acuerdo con el mismo principio.

El inconveniente de los sistemas multicircuito es el aumento de la complejidad y la aparición de oscilaciones parásitas en la banda de VHF, que disipan energía inútilmente y deshabilitan los elementos de la instalación. Además, tales instalaciones son propensas a retrasar las oscilaciones, una transición espontánea del generador de una de las frecuencias resonantes a otra.

Los generadores de alta frecuencia modernos son inversores basados ​​en ensamblajes IGBT o MOSFET potentes, generalmente fabricados de acuerdo con el circuito rectificador de puente o medio puente. Opera a frecuencias de hasta 500 kHz. Las puertas de los transistores se abren mediante un sistema de control de microcontrolador. El sistema de control, dependiendo de la tarea, le permite mantener automáticamente:

  1. frecuencia constante;
  2. potencia constante liberada en la pieza de trabajo;
  3. Máxima eficiencia.

Por ejemplo, cuando un material magnético se calienta por encima del punto de Curie, el grosor de la capa superficial aumenta considerablemente, la densidad de corriente cae y la pieza de trabajo comienza a calentarse peor. Las propiedades magnéticas del material también desaparecen y el proceso de inversión de la magnetización se detiene: la pieza de trabajo comienza a calentarse peor.

El problema del calentamiento por inducción de piezas de trabajo hechas de materiales magnéticos

Si el inversor para calentamiento por inducción no es un autooscilador, no tiene un circuito de autoajuste (PLL) y opera desde un oscilador maestro externo (a una frecuencia cercana a la frecuencia de resonancia del oscilador del "banco de condensadores de compensación del inductor"). circuito). En el momento en que se introduce una pieza de trabajo hecha de material magnético en el inductor (si las dimensiones de la pieza de trabajo son lo suficientemente grandes y acordes con las dimensiones del inductor), la inductancia del inductor aumenta bruscamente, lo que conduce a una disminución abrupta de la frecuencia resonante natural del circuito oscilatorio y su desviación de la frecuencia del oscilador maestro. El circuito sale de resonancia con el oscilador maestro, lo que provoca un aumento de su resistencia y una disminución brusca de la potencia transmitida a la pieza de trabajo. Si la potencia de la unidad está controlada por una fuente de alimentación externa, entonces la reacción natural del operador es aumentar el voltaje de suministro de la unidad. Cuando la pieza de trabajo se calienta hasta el punto de Curie, sus propiedades magnéticas desaparecen, la frecuencia natural del circuito oscilatorio vuelve a la frecuencia del oscilador maestro. La resistencia del circuito disminuye bruscamente, el consumo de corriente aumenta bruscamente. Si el operador no tiene tiempo para eliminar el voltaje de suministro aumentado, la unidad se sobrecalienta y falla. Si la instalación está equipada con un sistema de control automático, entonces el sistema de control debe monitorear la transición a través del punto de Curie y reducir automáticamente la frecuencia del oscilador maestro, ajustándolo a resonancia con el circuito oscilatorio (o reducir la potencia suministrada si la frecuencia el cambio es inaceptable).

Si se calientan materiales no magnéticos, lo anterior no importa. La introducción de una pieza en blanco hecha de material no magnético en el inductor prácticamente no cambia la inductancia del inductor y no cambia la frecuencia de resonancia del circuito oscilatorio de trabajo, y no hay necesidad de un sistema de control.

Si las dimensiones de la pieza de trabajo son mucho más pequeñas que las dimensiones del inductor, tampoco cambia mucho la resonancia del circuito de trabajo.

Cocinas de inducción

Cocina de inducción  : una estufa eléctrica de cocina que calienta utensilios de metal con corrientes de Foucault inducidas creadas por un campo magnético de alta frecuencia , con una frecuencia de 20-100 kHz.

Tal estufa tiene una mayor eficiencia en comparación con los elementos calefactores de las estufas eléctricas, ya que se gasta menos calor en calentar el cuerpo y, además, no hay un período de aceleración y enfriamiento (cuando la energía generada, pero no absorbida por los platos, es desperdiciado).

Hornos de fusión por inducción

Hornos de fusión por inducción (sin contacto): hornos eléctricos para fundir y sobrecalentar metales, en los que el calentamiento se produce debido a las corrientes de Foucault que se producen en un crisol de metal (y metal), o solo en metal (si el crisol no está hecho de metal); este método de calentamiento es más eficiente si el crisol está mal aislado).

Se utiliza en fundiciones de plantas metalúrgicas , así como en talleres de fundición de precisión y talleres de reparación de plantas de construcción de maquinaria para obtener piezas fundidas de acero de alta calidad. Es posible fundir metales no ferrosos (bronce, latón, aluminio) y sus aleaciones en un crisol de grafito. El horno de inducción funciona según el principio de un transformador, en el que el devanado primario es un inductor refrigerado por agua, el secundario y, al mismo tiempo, la carga es el metal en el crisol. El calentamiento y la fusión del metal ocurren debido a las corrientes que fluyen en él, que surgen bajo la influencia del campo electromagnético creado por el inductor.

Notas

Véase también

Enlaces

Literatura