Cómo funciona y funciona un calentador de inducción.
El principio de funcionamiento de un calentador de inducción consiste en calentar una pieza de trabajo metálica eléctricamente conductora por medio de una corriente de Foucault cerrada inducida en ella.
Las corrientes de Foucault son corrientes que surgen en cables sólidos debido al fenómeno de la inducción electromagnética cuando estos cables son penetrados por un campo magnético alterno. Se utiliza energía para crear estas corrientes, que se convierte en calor y calienta los cables.
Para reducir estas pérdidas y eliminar el calentamiento, en lugar de cables sólidos, se utilizan cables en capas, en los que las capas individuales están separadas por aislamiento. Este aislamiento evita la aparición de grandes corrientes de Foucault cerradas y reduce las pérdidas de energía para mantenerlas. Es por estas razones que los núcleos de los transformadores, las armaduras de los generadores, etc., están hechos de delgadas láminas de acero aisladas entre sí por capas de barniz.
El inductor en un calentador de inducción es una bobina de corriente alterna diseñada para crear un campo electromagnético alterno de alta frecuencia.
El campo magnético alterno de alta frecuencia, a su vez, actúa sobre un material eléctricamente conductor, provocando en él una corriente cerrada de alta densidad y calentando así la pieza de trabajo hasta que se funde. Este fenómeno se conoce desde hace mucho tiempo y se explica desde la época de Michael Faraday, quien describió fenómeno de la inducción electromagnética en 1931
El campo magnético variable en el tiempo induce una FEM alterna en el conductor, que se cruza con sus líneas de fuerza. Dicho cable generalmente puede ser un devanado de transformador, un núcleo de transformador o una pieza sólida de algún metal.
Si la EMF se induce en la bobina, entonces se produce un transformador o receptor, y si directamente en el circuito magnético o en un cortocircuito, se produce un calentamiento por inducción del circuito magnético o de la bobina.
En un transformador mal diseñado, por ejemplo, calentamiento del núcleo por corrientes de Foucault sería inequívocamente dañino, pero en un calentador de inducción tal fenómeno tiene un propósito útil.
Desde el punto de vista de la naturaleza de la carga, un calentador de inducción con una parte conductora calentada es como un transformador con un devanado secundario cortocircuitado de una vuelta. Dado que la resistencia dentro de la pieza de trabajo es extremadamente pequeña, incluso un pequeño campo eléctrico de Foucault inducido es suficiente para crear una corriente de tan alta densidad que su efecto térmico (cf. La ley de Joule-Lenz) sería muy expresivo y práctico.
El primer horno de canal de este tipo apareció en Suecia en 1900, se alimentaba con corriente con una frecuencia de 50-60 Hz, se usaba para fundir acero de canal y el metal se alimentaba a un crisol dispuesto en forma de rotación de cadena corta. del devanado secundario de un transformador.Por supuesto, el problema de la eficiencia estaba presente ya que la eficiencia era inferior al 50%.
Hoy en día, un calentador de inducción es un transformador inalámbrico que consta de una o más vueltas de un tubo de cobre relativamente grueso a través del cual se bombea el refrigerante de un sistema de enfriamiento activo mediante una bomba. Se aplica una corriente alterna con una frecuencia de varios kilohercios a varios megahercios al cuerpo conductor del tubo, como un inductor, según los parámetros de la muestra que se procesa.
El hecho es que a altas frecuencias la corriente de Foucault se desplaza de la muestra calentada por la propia corriente de Foucault, porque el campo magnético de esta corriente de Foucault desplaza la corriente que se generó hacia la superficie.
Esto se manifiesta como efecto en la piel, cuando la densidad de corriente máxima es el resultado de la superficie de la pieza de trabajo que cae sobre una capa delgada, y cuanto mayor sea la frecuencia y menor sea la resistencia eléctrica del material calentado, más delgada será la capa de la carcasa.
Para el cobre, por ejemplo, a 2 MHz, ¡la piel es solo un cuarto de milímetro! Esto significa que las capas internas del tocho de cobre no se calientan directamente por corrientes de Foucault, sino por conducción de calor desde su delgada capa exterior. Sin embargo, la tecnología es lo suficientemente eficiente como para calentar o derretir rápidamente casi cualquier material conductor de electricidad.
Se están construyendo modernos calentadores de inducción. basado en un circuito oscilante (inductor de bobina y condensador) alimentado por un inversor resonante incluido IGBT o MOSFET: transistorespermitiendo alcanzar frecuencias de operación de hasta 300 kHz.
Para frecuencias más altas, se utilizan tubos de vacío, que permiten alcanzar frecuencias de 50 MHz y superiores, por ejemplo, para fundir joyas, se requieren frecuencias bastante altas, ya que el tamaño de la pieza es muy pequeño.
Para aumentar el factor de calidad de los circuitos de trabajo, recurren a una de dos formas: aumentar la frecuencia o aumentar la inductancia del circuito agregando insertos ferromagnéticos a su construcción.
El calentamiento dieléctrico también se lleva a cabo utilizando un campo eléctrico de alta frecuencia en la industria. La diferencia con el calentamiento por inducción son las frecuencias de corriente utilizadas (hasta 500 kHz con calentamiento por inducción y más de 1000 kHz con dieléctrico). En este caso, es importante que la sustancia a calentar no conduzca bien la electricidad, es decir, era un dieléctrico.
La ventaja del método es la generación de calor directamente dentro de la sustancia. En este caso, las sustancias poco conductoras pueden calentarse rápidamente desde el interior. Para más detalles ver aquí: Fundamentos físicos fundamentales de los métodos de calentamiento dieléctrico de alta frecuencia