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 calentamiento por inducción es un método sin contacto para calentar un cuerpo conductor mediante la utilización de un fuerte campo magnético . Los calentadores de inducción de frecuencia de suministro (red) de 50 Hz o 60 Hz incorporan una bobina alimentada directamente desde el suministro de electricidad, generalmente para aplicaciones industriales de menor potencia donde se requieren temperaturas superficiales más bajas. Algunos calentadores de inducción especializados funcionan a 400 Hz , la frecuencia eléctrica aeroespacial.
El calentamiento por inducción no debe confundirse con la cocina por inducción, ya que ambos sistemas de calentamiento son en su mayoría muy diferentes físicamente entre sí. En particular, los sistemas de calentamiento por inducción funcionan aplicando un campo magnético alterno a un material ferroso para inducir una corriente alterna en el material, excitando así los átomos del material que lo calientan.
Un calentador de inducción normalmente consta de tres elementos.
A menudo se le conoce como inversor o generador. Esta parte del sistema se utiliza para tomar la frecuencia de la red eléctrica y aumentarla entre 10 Hz y 400 kHz . La potencia de salida típica de un sistema unitario es de 2 kW a 500 kW . [2]
Contiene una combinación de condensadores y transformadores y se utiliza para acoplar la unidad de potencia a la bobina de trabajo. [3]
También conocida como inductor, la bobina se utiliza para transferir la energía desde 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 se produce el calentamiento, el diseño de la bobina es uno de los elementos más importantes del sistema y es una ciencia en sí mismo. [4]
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 potencia suele incluir entre 2,5 kW y 40 kW. Los calentadores por 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 de MF funcionan de 1 kHz a 10 kHz. El rango de potencia suele incluir entre 50 kW y 500 kW. Los calentadores de inducción dentro de estos rangos se utilizan en componentes y aplicaciones de tamaño mediano a grande, como el forjado por inducción de un eje. [1]
Las bobinas de inducción de frecuencia de la red (o suministro ) se accionan 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 al calentamiento localizado o al calentamiento de superficies a baja temperatura, como en un calentador de tambor .
El principio básico involucrado en el calentamiento por inducción fue descubierto por Michael Faraday ya en 1831. El trabajo de Faraday implicó el uso de un suministro de CC conmutado proporcionado por una batería y dos bobinas de alambre de cobre enrolladas alrededor de un núcleo de hierro. Se observó que cuando se cerraba el interruptor circulaba una corriente momentánea por el devanado secundario, que podía medirse mediante un galvanómetro . Si el circuito permanecía energizado entonces la corriente dejaba de fluir. Al abrir el interruptor volvió a fluir corriente por el devanado secundario, pero en dirección opuesta. Faraday concluyó que, dado que no existía ningún vínculo físico entre los dos devanados, la corriente en la bobina secundaria debe ser causada por un voltaje 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 utilizaron en el diseño de transformadores , motores y generadores donde los efectos de calentamiento indeseables se controlaban mediante el uso de un núcleo laminado .
A principios del siglo XX, los ingenieros comenzaron a buscar formas de aprovechar las propiedades de generación de calor de la inducción para fundir acero. Estos primeros trabajos utilizaron 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 instaló 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 superficial de la corriente MF para producir endurecimiento superficial localizado en los cigüeñales . Gran parte de este trabajo se realizó en las frecuencias de 1920 y 3000 Hz, ya que eran las frecuencias más fáciles de producir con el equipo disponible. Como ocurre con muchos campos basados en la tecnología, fue el advenimiento de la Segunda Guerra Mundial lo que condujo a enormes 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 hasta 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 la llegada de los semiconductores de alto voltaje a finales de los años 1960 y principios de los 1970.
Al principio del proceso evolutivo, resultó obvio para los ingenieros que la capacidad de producir equipos con un rango de radiofrecuencia más alto daría como resultado una mayor flexibilidad y abriría toda una gama de aplicaciones alternativas. Se buscaron métodos para producir estas fuentes de alimentación de RF superiores para que funcionen en el rango de 200 a 400 kHz.
El desarrollo en este rango de frecuencia particular siempre ha reflejado el de la industria de transmisión de radio y televisión y, de hecho, a menudo se han utilizado componentes desarrollados para este propósito. Las primeras unidades utilizaban tecnología de descargador de chispas , pero debido a limitaciones, el enfoque fue rápidamente reemplazado por el uso de osciladores basados en triodos (válvulas) termoiónicos de electrodos múltiples . De hecho, muchos de los pioneros de la industria también estuvieron muy involucrados en la industria de la radio y las telecomunicaciones y empresas como Phillips , English Electric y Redifon estuvieron involucradas en la fabricación de equipos de calentamiento por inducción en los años 1950 y 1960.
El uso de esta tecnología sobrevivió hasta principios de la década de 1990, momento en el que la tecnología fue prácticamente 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 o más, suelen ser el único enfoque viable y todavía se producen. [8]
Los calentadores de inducción de frecuencia de red todavía se utilizan ampliamente en la industria manufacturera debido a su costo y eficiencia térmica relativamente bajos en comparación con el calentamiento radiante donde es necesario calentar piezas o contenedores de acero como parte de una línea de proceso por lotes.
Debido a su flexibilidad y rango de frecuencia potencial, el calentador de inducción basado en oscilador de válvula fue hasta hace pocos años ampliamente utilizado en toda la industria. [9] 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, incluidas soldadura fuerte, endurecimiento por inducción, soldadura de tubos y ajuste por contracción por inducción. . La unidad consta de tres elementos básicos:
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 tener la potencia nominal correcta en kilovoltios-amperios (kVA) para suministrar la corriente necesaria al oscilador. Los primeros sistemas rectificadores presentaban rectificadores de válvulas como el GXU4 (rectificador de media onda de alto voltaje y alta potencia), pero finalmente fueron reemplazados por rectificadores de estado sólido de alto voltaje. [10]
El circuito 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 de tanque), una capacitancia (condensador de tanque) y una válvula osciladora. Los principios eléctricos básicos dictan que si se aplica un voltaje a un circuito que contiene un capacitor y un inductor, el circuito oscilará de manera muy similar a una oscilación que ha sido empujada. Usando nuestro swing como analogía, si no empujamos nuevamente en el momento adecuado, el swing se detendrá gradualmente; lo mismo ocurre 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 devuelve una pequeña cantidad de energía a la rejilla del triodo, bloqueando o activando efectivamente el dispositivo o permitiéndole conducir en el momento correcto. Esta llamada polarización de red se puede derivar de forma capacitiva, conductiva o inductiva, dependiendo de si el oscilador es un oscilador Colpitts, Hartley , Armstrong tickler o Meissner. [11]
El control de potencia del sistema se puede lograr mediante una variedad de métodos. Muchas unidades de hoy en día cuentan con control de potencia por tiristores que funciona mediante un variador de CA ( corriente alterna ) de onda completa 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 era 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]
En los primeros días del calentamiento por inducción, el motor-generador se utilizaba ampliamente para la producción de energía 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 sobre estos devanados. Esto tuvo el efecto de limitar el diámetro de la máquina y por tanto su potencia y el número de polos que pueden acomodarse físicamente, lo que a su vez limita la frecuencia máxima de funcionamiento. [13]
Para superar estas limitaciones, la industria del calentamiento por inducción recurrió al inductor-generador. Este tipo de máquina presenta un rotor dentado construido a partir de una pila de láminas de hierro troqueladas. Los devanados de excitación y de CA están montados en el estator; por lo tanto, el rotor es una construcción sólida y compacta que puede girar a velocidades periféricas más altas que el generador de CA estándar anterior, lo que le permite tener un diámetro mayor para una RPM determinada . Este mayor diámetro permite acomodar una mayor cantidad de polos y cuando se combina con arreglos de ranurado complejos como la condición de calibre de Lorenz o el ranurado Guy que permite la generación de frecuencias de 1 a 10 kHz.
Como ocurre con todas las máquinas eléctricas rotativas, se utilizan altas velocidades de rotación y espacios pequeños para maximizar las variaciones de flujo. Esto requiere que se preste mucha atención a la calidad de los rodamientos utilizados y a la rigidez y precisión del rotor. El accionamiento del alternador normalmente lo proporciona un motor de inducción estándar por convención y simplicidad. Se utilizan configuraciones tanto verticales como 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 bastidor 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 la llegada de la tecnología de estado sólido a principios de los años 1970.
A principios de la década de 1970, la llegada 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 limitaba al uso de tiristores para generar la gama de frecuencias MF utilizando sistemas de control electrónico discretos.
Las unidades de última generación emplean ahora tecnologías SCR ( rectificador controlado por silicio ), [14] IGBT o MOSFET para generar la corriente 'MF' y 'RF'. El sistema de control moderno suele ser un sistema basado en un 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 hay disponibles unidades desde 1 kW hasta muchos megavatios en frecuencias de 1 kHz a 3 MHz, incluidas unidades de doble frecuencia. [8]
Se emplea toda una gama de técnicas en la generación de energía 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 voltaje. El enfoque real empleado será 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]
Esto toma el voltaje de la red eléctrica y lo convierte a partir de la frecuencia de suministro de 50 o 60 Hz y también lo convierte a 'CC'. Esto puede suministrar un voltaje CC variable, un voltaje CC fijo o una corriente CC variable. En el caso de sistemas variables, se utilizan para proporcionar control general de potencia para el sistema. Los rectificadores de tensión fija deben utilizarse junto con un medio alternativo de control de potencia. Esto se puede hacer utilizando un regulador de modo conmutado o utilizando una variedad de métodos de control dentro de la sección del inversor.
El inversor convierte el suministro de CC en una salida de CA monofásica a la frecuencia relevante. Este cuenta con SCR, IGBT o MOSFETS y en la mayoría de los casos está configurado como un puente H. El puente 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.
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, puede ser un capacitor o, en algunos casos, incluirá una combinación de capacitores y transformadores.
La sección de control monitorea todos los parámetros en el circuito de carga, el inversor y suministra pulsos de conmutación en el momento adecuado para suministrar energía al circuito de salida. Los primeros sistemas presentaban electrónica discreta con potenciómetros variables para ajustar los tiempos de conmutación, los límites de corriente, los límites de voltaje y los disparos de frecuencia. Sin embargo, con la llegada de la tecnología de microcontroladores , la mayoría de los sistemas avanzados ahora cuentan con control digital.
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 utilizar con SCR de hasta 10 kHz, IGBT de hasta 100 kHz y MOSFET de hasta 3 MHz. Un inversor alimentado por voltaje con una conexión en serie a una carga en paralelo también se conoce como sistema de tercer orden. Básicamente, esto es similar al estado sólido, pero en este sistema el capacitor interno y el inductor 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 sufrir daños debido a descargas eléctricas o desajustes de las bobinas. [dieciséis]
El inversor alimentado por corriente se diferencia del sistema alimentado por voltaje en que utiliza una entrada de CC variable seguida de un inductor grande en la entrada al puente inversor. El circuito de potencia presenta 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 utilizan normalmente hasta 10 kHz y los IGBT y MOSFET se utilizan en las frecuencias más altas. [17]
Los materiales adecuados son aquellos con alta permeabilidad (100-500) que se calientan por debajo de la temperatura Curie de ese material.