Un calentador de inducción es una pieza clave del equipo que se utiliza en todas las formas de calentamiento por inducción . Normalmente, un calentador de inducción funciona en rangos de frecuencia media (MF) o de radiofrecuencia (RF). [1]
Cuatro sistemas de componentes principales forman la base de un calentador de inducción moderno
- el sistema de control, el panel de control o el interruptor de ENCENDIDO / APAGADO; en algunos casos este sistema puede estar ausente
- la unidad de potencia ( inversor de potencia )
- el cabezal de trabajo ( transformador )
- y la bobina de calentamiento ( inductor )
Cómo funciona
El calentamiento por inducción es un método sin contacto para calentar un cuerpo conductor mediante la utilización de un fuerte campo magnético . Frecuencia de suministro (red) Los calentadores de inducción de 50 Hz o 60 Hz incorporan una bobina alimentada directamente desde el suministro eléctrico, generalmente para aplicaciones industriales de menor potencia donde se requieren temperaturas de superficie más bajas. Algunos calentadores de inducción especializados operan a 400 Hz, la frecuencia de energía aeroespacial.
El calentamiento por inducción no debe confundirse con la cocción por inducción, ya que los dos sistemas de calentamiento son en su mayoría muy diferentes físicamente entre sí. En particular, los sistemas de calentamiento por inducción (también conocidos como forja) funcionan con láminas y varillas metálicas largas para llevarlas a temperaturas tan altas como 2500 ° C para que se pueda trabajar en ellas.
Componentes principales del equipo
Un calentador de inducción generalmente consta de tres elementos.
Unidad de poder
A menudo denominado inversor o generador. Esta parte del sistema se utiliza para tomar la frecuencia de la red y aumentarla a cualquier lugar entre 10 Hz y 400 kHz . La potencia de salida típica de un sistema unitario es de 2 kW a 500 kW . [2]
Cabeza de trabajo
Contiene una combinación de condensadores y transformadores y se utiliza para acoplar la unidad de potencia a la bobina de trabajo. [3]
Bobina de trabajo
También conocido como inductor, la bobina se utiliza para transferir la energía de la unidad de potencia y el cabezal de trabajo a la pieza de trabajo. Los inductores varían en complejidad, desde un simple solenoide enrollado que consta de varias vueltas de tubo de cobre enrolladas alrededor de un mandril, hasta un elemento de precisión mecanizado a partir de cobre sólido, soldado y soldado entre sí. Como el inductor es el área donde tiene lugar el calentamiento, el diseño de la bobina es uno de los elementos más importantes del sistema y es una ciencia en sí misma. [4]
Definiciones
Los generadores de inducción de radiofrecuencia ( RF ) funcionan en el rango de frecuencia desde 100 kHz hasta 10 MHz . La mayoría de los dispositivos de calentamiento por inducción (con control de frecuencia por inducción) tienen un rango de frecuencia de 100 kHz a 200 kHz. El rango de salida normalmente incorpora de 2,5 kW a 40 kW. Los calentadores de inducción de esta gama se utilizan para componentes y aplicaciones más pequeños, como el endurecimiento por inducción de una válvula de motor. [5]
Los generadores de inducción MF funcionan desde 1 kHz hasta 10 kHz. El rango de salida normalmente incorpora de 50 kW a 500 kW. Los calentadores de inducción dentro de estos rangos se utilizan en componentes y aplicaciones de tamaño mediano a grande, como la forja por inducción de un eje. [1]
Las bobinas de inducción de frecuencia de la red (o suministro ) se alimentan directamente desde el suministro de CA estándar. La mayoría de las bobinas de inducción de frecuencia de red están diseñadas para funcionamiento monofásico y son dispositivos de baja corriente destinados a calefacción localizada o calefacción de superficie a baja temperatura, como en un calentador de tambor .
Historia
El principio básico involucrado en el calentamiento por inducción fue descubierto por Michael Faraday ya en 1831. El trabajo de Faraday involucró el uso de una fuente de CC conmutada proporcionada por una batería y dos devanados de alambre de cobre enrollados alrededor de un núcleo de hierro. Se observó que cuando el interruptor estaba cerrado fluía una corriente momentánea en el devanado secundario, que podía medirse mediante un galvanómetro . Si el circuito permanecía energizado, la corriente dejaba de fluir. Al abrir el interruptor volvió a fluir una corriente en el devanado secundario, pero en sentido contrario. Faraday concluyó que, dado que no existía un enlace físico entre los dos devanados, la corriente en la bobina secundaria debe ser causada por un voltaje que fue inducido desde la primera bobina, y que la corriente producida era directamente proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético. . [6]
Inicialmente, los principios se pusieron en práctica en el diseño de transformadores , motores y generadores donde los efectos de calentamiento no deseados se controlaban mediante el uso de un núcleo laminado .
A principios del siglo XX, los ingenieros comenzaron a buscar formas de aprovechar las propiedades generadoras de calor de la inducción con el fin de fundir acero. Este trabajo inicial utilizó generadores de motor para crear la corriente de frecuencia media (MF), pero la falta de alternadores y condensadores adecuados del tamaño correcto frenó los primeros intentos. Sin embargo, en 1927, EFCO había instalado el primer sistema de fusión por inducción MF en Sheffield, Inglaterra.
Aproximadamente al mismo tiempo, los ingenieros de Midvale Steel y The Ohio Crankshaft Company en Estados Unidos intentaban utilizar el efecto de calentamiento de la superficie de la corriente MF para producir un endurecimiento superficial localizado en los cigüeñales . Gran parte de este trabajo se llevó a cabo en las frecuencias de 1920 y 3000 Hz, ya que eran las frecuencias más fáciles de producir con el equipo disponible. Como en muchos campos basados en la tecnología, fue el advenimiento de la Segunda Guerra Mundial lo que condujo a grandes avances en la utilización del calentamiento por inducción en la producción de piezas de vehículos y municiones. [7]
Con el tiempo, la tecnología avanzó y las unidades en el rango de frecuencia de 3 a 10 kHz con potencias de salida de 600 kW se convirtieron en un lugar común en aplicaciones de forjado por inducción y endurecimiento por inducción de gran tamaño . El motor generador seguiría siendo el pilar de la generación de energía MF hasta el advenimiento de los semiconductores de alto voltaje a fines de la década de 1960 y principios de la de 1970.
Al principio del proceso evolutivo, se hizo evidente para los ingenieros que la capacidad de producir un rango de radiofrecuencia más alto de equipos daría como resultado una mayor flexibilidad y abriría una amplia gama de aplicaciones alternativas. Se buscaron métodos para producir estas fuentes de alimentación de RF más altas para operar en el rango de 200 a 400 kHz.
El desarrollo en este rango de frecuencia particular siempre ha reflejado el de la industria de transmisores de radio y televisión y, de hecho, a menudo ha utilizado componentes desarrollados para este propósito. Las primeras unidades utilizaban tecnología de descarga de chispas , pero debido a las limitaciones, el enfoque fue rápidamente reemplazado por el uso de osciladores basados en triodo termoiónico (válvula) de electrodos múltiples . De hecho, muchos de los pioneros en la industria también estuvieron muy involucrados en la industria de la radio y las telecomunicaciones y empresas como Phillips , English Electric y Redifon participaron en la fabricación de equipos de calentamiento por inducción en las décadas de 1950 y 1960.
El uso de esta tecnología sobrevivió hasta principios de la década de 1990, momento en el que la tecnología fue casi reemplazada por equipos de estado sólido MOSFET e IGBT de potencia . Sin embargo, todavía existen muchos osciladores de válvulas , y en frecuencias extremas de 5 MHz y superiores, a menudo son el único enfoque viable y todavía se producen. [8]
Los calentadores de inducción de frecuencia de red todavía se usan ampliamente en la industria manufacturera debido a su costo relativamente bajo y eficiencia térmica en comparación con el calentamiento radiante donde las piezas o los contenedores de acero deben calentarse como parte de una línea de proceso por lotes.
Fuente de alimentación basada en oscilador de válvula
Debido a su flexibilidad y rango de frecuencia potencial, el calentador de inducción basado en oscilador de válvula fue ampliamente utilizado hasta hace poco en la industria. [9] Fácilmente disponible en potencias de 1 kW a 1 MW y en un rango de frecuencia de 100 kHz a muchos MHz, este tipo de unidad encontró un uso generalizado en miles de aplicaciones que incluyen soldadura y soldadura fuerte, endurecimiento por inducción, soldadura de tubos y ajuste por contracción por inducción. . La unidad consta de tres elementos básicos:
Fuente de alimentación de CC de alto voltaje
La fuente de alimentación de CC ( corriente continua ) consta de un transformador elevador estándar refrigerado por aire o agua y una unidad rectificadora de alto voltaje capaz de generar voltajes típicamente entre 5 y 10 kV para alimentar el oscilador. La unidad debe estar clasificada en el kilovoltio-amperio (kVA) correcto para suministrar la corriente necesaria al oscilador. Los primeros sistemas rectificadores presentaban rectificadores de válvula como GXU4 (rectificador de media onda de alto voltaje y alta potencia), pero estos fueron finalmente reemplazados por rectificadores de estado sólido de alto voltaje. [10]
Oscilador de clase 'C' auto excitante
El circuito del oscilador es responsable de crear la corriente eléctrica de frecuencia elevada, que cuando se aplica a la bobina de trabajo crea el campo magnético que calienta la pieza. Los elementos básicos del circuito son una inductancia (bobina del tanque) y una capacitancia (condensador del tanque) y una válvula oscilante. Los principios eléctricos básicos dictan que si se aplica un voltaje a un circuito que contiene un condensador y un inductor, el circuito oscilará de la misma manera que una oscilación que se ha empujado. Usando nuestro swing como una analogía, si no empujamos de nuevo en el momento adecuado, el swing se detendrá gradualmente, esto es lo mismo con el oscilador. El propósito de la válvula es actuar como un interruptor que permitirá que la energía pase al oscilador en el momento correcto para mantener las oscilaciones. Para cronometrar la conmutación, se retroalimenta una pequeña cantidad de energía a la rejilla del triodo, bloqueando o disparando eficazmente el dispositivo o permitiendo que se conduzca en el momento correcto. Este llamado sesgo de rejilla puede derivarse, ya sea de forma capacitiva, conductiva o inductiva, dependiendo de si el oscilador es un Colpitts, un oscilador Hartley , un tickler Armstrong o un Meissner. [11]
Medios de control de poder
El control de potencia del sistema se puede lograr mediante una variedad de métodos. Muchas unidades de los últimos días cuentan con control de potencia de tiristor que funciona por medio de un variador de CA de onda completa ( corriente alterna ) que varía el voltaje primario al transformador de entrada. Los métodos más tradicionales incluyen variacs trifásicos ( autotransformador ) o reguladores de voltaje motorizados tipo Brentford para controlar el voltaje de entrada. Otro método muy popular fue utilizar una bobina de tanque de dos partes con un devanado primario y secundario separados por un espacio de aire. El control de potencia se vio afectado al variar el acoplamiento magnético de las dos bobinas moviéndolas físicamente entre sí. [12]
Fuentes de alimentación de estado sólido
En los primeros días del calentamiento por inducción, el motor-generador se utilizaba ampliamente para la producción de potencia MF de hasta 10 kHz. Si bien es posible generar múltiplos de la frecuencia de suministro, como 150 Hz, utilizando un motor de inducción estándar que acciona un generador de CA, existen limitaciones. Este tipo de generador presentaba devanados montados en el rotor que limitaban la velocidad periférica del rotor debido a las fuerzas centrífugas en estos devanados. Esto tuvo el efecto de limitar el diámetro de la máquina y por lo tanto su potencia y el número de polos que se pueden acomodar físicamente, lo que a su vez limita la frecuencia máxima de operación. [13]
Para superar estas limitaciones, la industria del calentamiento por inducción recurrió al inductor-generador. Este tipo de máquina cuenta con un rotor dentado construido a partir de una pila de laminaciones de hierro perforadas. Los devanados de excitación y de CA están montados en el estator, por lo que el rotor es una construcción sólida compacta que se puede girar a velocidades periféricas más altas que el generador de CA estándar anterior, lo que permite que tenga un diámetro mayor para un RPM dado . Este diámetro más grande permite acomodar un mayor número de polos y cuando se combina con arreglos de ranuras complejas como la condición de calibre de Lorenz o ranuras de Guy, permite la generación de frecuencias de 1 a 10 kHz.
Al igual que con todas las máquinas eléctricas rotativas, se utilizan altas velocidades de rotación y pequeños espacios libres para maximizar las variaciones de flujo. Esto requiere que se preste mucha atención a la calidad de los rodamientos utilizados y la rigidez y precisión del rotor. El accionamiento del alternador normalmente lo proporciona un motor de inducción estándar por motivos de convención y simplicidad. Se utilizan configuraciones verticales y horizontales y, en la mayoría de los casos, el rotor del motor y el rotor del generador están montados en un eje común sin acoplamiento. Luego, todo el conjunto se monta en un marco que contiene el estator del motor y el estator del generador. Toda la construcción está montada en un cubículo que cuenta con un intercambiador de calor y sistemas de refrigeración por agua según sea necesario.
El motor-generador se convirtió en el pilar de la generación de energía de frecuencia media hasta el advenimiento de la tecnología de estado sólido a principios de la década de 1970.
A principios de la década de 1970, el advenimiento de la tecnología de conmutación de estado sólido supuso un cambio respecto de los métodos tradicionales de generación de energía de calentamiento por inducción. Inicialmente, esto se limitó al uso de tiristores para generar el rango de frecuencias MF utilizando sistemas de control electrónicos discretos.
Las unidades de vanguardia ahora emplean tecnologías SCR ( rectificador controlado por silicio ), [14] IGBT o MOSFET para generar la corriente 'MF' y 'RF'. El sistema de control moderno es típicamente un sistema basado en microprocesador digital que utiliza tecnología PIC, PLC ( controlador lógico programable ) y técnicas de fabricación de montaje en superficie para la producción de placas de circuito impreso. El estado sólido ahora domina el mercado y ahora están disponibles unidades de 1 kW a muchos megavatios en frecuencias de 1 kHz a 3 MHz, incluidas las unidades de doble frecuencia. [8]
Se emplea una amplia gama de técnicas en la generación de potencia de MF y RF utilizando semiconductores; la técnica real empleada depende a menudo de una compleja gama de factores. El generador típico empleará una topología alimentada por corriente o por voltaje. El enfoque real empleado será una función de la potencia requerida, la frecuencia, la aplicación individual, el costo inicial y los costos de funcionamiento posteriores. Sin embargo, independientemente del enfoque empleado, todas las unidades tienden a presentar cuatro elementos distintos: [15]
Rectificador de CA a CC
Esto toma la tensión de alimentación de la red y la convierte de la frecuencia de alimentación de 50 o 60 Hz y también la convierte a 'CC'. Esto puede suministrar un voltaje de CC variable, un voltaje de CC fijo o una corriente de CC variable. En el caso de sistemas variables, se utilizan para proporcionar un control de potencia general para el sistema. Los rectificadores de voltaje fijo deben usarse junto con un medio alternativo de control de potencia. Esto se puede hacer utilizando un regulador de modo de conmutación o utilizando una variedad de métodos de control dentro de la sección del inversor.
Inversor de CC a CA
El inversor convierte el suministro de CC en una salida de CA monofásica a la frecuencia correspondiente. Este cuenta con el SCR, IGBT o MOSFET y en la mayoría de los casos se configura como un puente H . El puente en H tiene cuatro patas cada una con un interruptor, el circuito de salida está conectado a través del centro de los dispositivos. Cuando los dos interruptores relevantes están cerrados, la corriente fluye a través de la carga en una dirección, estos interruptores se abren y los dos interruptores opuestos se cierran permitiendo que la corriente fluya en la dirección opuesta. Al sincronizar con precisión la apertura y el cierre de los interruptores, es posible mantener oscilaciones en el circuito de carga.
Circuito de salida
El circuito de salida tiene la función de hacer coincidir la salida del inversor con la requerida por la bobina. En su forma más simple, este puede ser un condensador o, en algunos casos, contará con una combinación de condensadores y transformadores.
Sistema de control
La sección de control monitorea todos los parámetros en el circuito de carga, el inversor y suministra pulsos de conmutación en el momento apropiado para suministrar energía al circuito de salida. Los primeros sistemas presentaban electrónica discreta con potenciómetros variables para ajustar los tiempos de conmutación, límites de corriente, límites de voltaje y disparos de frecuencia. Sin embargo, con el advenimiento de la tecnología de microcontroladores , la mayoría de los sistemas avanzados ahora cuentan con control digital.
El inversor alimentado por voltaje
El inversor alimentado por voltaje cuenta con un condensador de filtro en la entrada del inversor y circuitos de salida resonantes en serie. El sistema alimentado por voltaje es extremadamente popular y se puede usar con SCR hasta frecuencias de 10 kHz, IGBT hasta 100 kHz y MOSFET hasta 3 MHz. Un inversor alimentado por voltaje con una conexión en serie a una carga en paralelo también se conoce como un sistema de tercer orden. Básicamente, esto es similar al estado sólido, pero en este sistema el condensador y el inductor internos conectados en serie están conectados a un circuito de tanque de salida en paralelo. La principal ventaja de este tipo de sistema es la robustez del inversor debido a que el circuito interno aísla eficazmente el circuito de salida, lo que hace que los componentes de conmutación sean menos susceptibles a daños debido a destellos o desajustes de la bobina. [dieciséis]
El inversor alimentado por corriente
El inversor alimentado por corriente es diferente del sistema alimentado por voltaje en que utiliza una entrada de CC variable seguida de un inductor grande en la entrada del puente inversor. El circuito de potencia cuenta con un circuito resonante paralelo y puede tener frecuencias de funcionamiento típicamente de 1 kHz a 1 MHz. Al igual que con el sistema alimentado por voltaje, los SCR se usan típicamente hasta 10 kHz con IGBT y MOSFET que se usan en las frecuencias más altas. [17]
Materiales adecuados
Los materiales adecuados son aquellos con alta permeabilidad (100-500) que se calientan por debajo de la temperatura de Curie de ese material.
Ver también
- Forja por inducción
- Racor por inducción
- Endurecimiento por induccion
- Calentamiento por inducción
- Calentador de tambor
Referencias
Notas
- ↑ a b Rudnev, pág. 229.
- ^ Rudnev, pág. 627.
- ^ Rudnev, pág. 628.
- ^ Rudnev, pág. 629.
- ^ Rudnev, pág. 227.
- ^ Rudnev, pág. 1.
- ^ Rudnev, pág. 2.
- ↑ a b Rudnev, pág. 632.
- ^ Rudnev, pág. 635.
- ^ Rudnev, pág. 636.
- ^ Rudnev, pág. 690.
- ^ Rudnev, pág. 478.
- ^ Rudnev, pág. 652.
- ^ Rudnev, pág. 630.
- ^ Rudnev, pág. 637.
- ^ Rudnev, pág. 640.
- ^ Rudnev, pág. 645.
Bibliografía
- Rudnev, Valery; Sin amor, Don; Cook, Raymond; Black, Micah (2002), Manual de calentamiento por inducción , CRC Press, ISBN 0-8247-0848-2.
enlaces externos
- La Universidad de Sheffield realiza una investigación fundamental y aplicada sobre la habilitación de tecnologías de calentadores de inducción - Universidad de Sheffield
- Soldadura por inducción con ejemplo de tecnología de calentador de inducción de TWI
- Animación que muestra las velocidades de calentamiento derivadas de FEA del calentador de tambor de inducción de frecuencia de red - LMK Thermosafe Ltd
- Tutorial completo sobre la teoría y el funcionamiento de un calentador de inducción, incluidos los esquemas de un dispositivo de baja y alta potencia capaz de levitar metales.