Un calentador de inducción es un equipo clave 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 el uso de un campo magnético potente . Los calentadores de inducción con frecuencia de suministro (red eléctrica) de 50 Hz o 60 Hz incorporan una bobina alimentada directamente desde la red eléctrica, normalmente para aplicaciones industriales de menor potencia donde se requieren temperaturas superficiales más bajas. Algunos calentadores de inducción especializados funcionan a 400 Hz , la frecuencia de la red aeroespacial.
El calentamiento por inducción no debe confundirse con la cocina 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 funcionan aplicando un campo magnético alterno a un material ferroso para inducir una corriente alterna en el material, excitando así los átomos del material y calentándolo.
Un calentador de inducción normalmente consta de tres elementos.
A menudo denominado inversor o generador, esta parte del sistema se utiliza para tomar la frecuencia de la red y aumentarla a un rango 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 hasta la pieza de trabajo. Los inductores varían en complejidad desde un simple solenoide bobinado que consiste en una serie de vueltas de tubo de cobre enrolladas alrededor de un mandril, hasta un elemento de precisión mecanizado a partir de cobre sólido, soldado con soldadura fuerte. 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 misma. [4]
Los generadores de inducción por radiofrecuencia ( RF ) funcionan en un rango de frecuencia de entre 100 kHz y 10 MHz . La mayoría de los dispositivos de calentamiento por inducción (con control de frecuencia por inducción) tienen un rango de frecuencia de entre 100 kHz y 200 kHz. El rango de salida normalmente incluye entre 2,5 kW y 40 kW. Los calentadores de inducción en este rango se utilizan para componentes más pequeños y aplicaciones como el endurecimiento por inducción de una válvula de motor. [5]
Los generadores de inducción de frecuencia media funcionan de 1 kHz a 10 kHz. El rango de salida normalmente incluye de 50 kW a 500 kW. Los calentadores de inducción dentro de estos rangos se utilizan en componentes medianos y grandes y en aplicaciones como la forja por inducción de un eje. [1]
Las bobinas de inducción de frecuencia de red (o de suministro ) se activan directamente desde el suministro de CA estándar. La mayoría de las bobinas de inducción de frecuencia de red están diseñadas para un 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 bidones .
El principio básico del calentamiento por inducción fue descubierto por Michael Faraday en 1831. El trabajo de Faraday implicó el uso de una fuente de alimentación de CC conmutada proporcionada 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 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, fluía de nuevo una corriente en el devanado secundario, pero en la dirección opuesta. Faraday concluyó que, dado que no existía un vínculo físico entre los dos devanados, la corriente en la bobina secundaria debía ser causada por un voltaje que se inducía 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 aplicaron 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 generadoras de calor de la inducción para fundir acero. En estos primeros trabajos se 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 había instalado el primer sistema de fusión por inducción de MF en Sheffield, Inglaterra.
Casi al mismo tiempo, los ingenieros de Midvale Steel y The Ohio Crankshaft Company en Estados Unidos estaban intentando 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 la llegada 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 salida de hasta 600 kW se volvieron comunes en aplicaciones de forjado por inducción y endurecimiento por inducción a gran escala. El motor-generador seguiría siendo el pilar de la generación de energía por microonda hasta la llegada de los semiconductores de alto voltaje a fines de la década de 1960 y principios de la de 1970.
Al principio del proceso evolutivo, los ingenieros se dieron cuenta de que la capacidad de producir equipos con un rango de frecuencias de radio 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 más altas para que funcionaran en el rango de 200 a 400 kHz.
El desarrollo en este rango de frecuencias en particular siempre ha reflejado el de la industria de los transmisores de radio y la transmisión de 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 termoiónicos basados en triodo (válvula) multielectrodo . De hecho, muchos de los pioneros de la industria también estaban 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 los años 1990, momento en el que fue prácticamente reemplazada por equipos de estado sólido IGBT y MOSFET de potencia. Sin embargo, todavía existen muchos osciladores de válvulas y, a frecuencias extremas de 5 MHz y superiores, suelen ser el único método viable y todavía se fabrican. [8]
Los calentadores de inducción de frecuencia de red todavía se utilizan ampliamente en toda la industria manufacturera debido a su costo relativamente bajo y su eficiencia térmica 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 ampliamente utilizado en toda la industria hasta hace pocos años. [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, incluidas la soldadura blanda y fuerte, el endurecimiento por inducción, la soldadura de tubos y el 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 una potencia nominal de kilovoltio-amperio (kVA) correcta 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 estos fueron finalmente 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) y una capacitancia (capacitador 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 la misma manera que un columpio que ha sido empujado. Usando nuestro columpio como analogía, si no empujamos nuevamente en el momento correcto, el columpio 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, una pequeña cantidad de energía se devuelve a la rejilla del triodo bloqueando o activando efectivamente el dispositivo o permitiéndole conducir en el momento correcto. Este llamado sesgo de rejilla se puede derivar, 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]
El control de potencia del sistema se puede lograr mediante una variedad de métodos. Muchas unidades más modernas cuentan con control de potencia por tiristor que funciona por medio de un variador de CA ( corriente alterna ) de onda completa que varía el voltaje primario del transformador de entrada. Los métodos más tradicionales incluyen variadores trifásicos ( autotransformadores ) 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 realizó variando el acoplamiento magnético de las dos bobinas moviéndolas físicamente una con respecto a la otra. [12]
En los primeros tiempos del calentamiento por inducción, el motor-generador se utilizaba ampliamente para la producción de potencia de media frecuencia 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 tenía 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 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 CA están montados en el estator, por lo que 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 mayor diámetro para una RPM determinada . Este mayor diámetro permite acomodar un mayor número de polos y, cuando se combina con disposiciones de ranurado complejas, como la condición de calibre de Lorenz o el ranurado 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 pequeñas holguras para maximizar las variaciones de flujo. Esto requiere que se preste especial atención a la calidad de los cojinetes utilizados y a la rigidez y precisión del rotor. El accionamiento del alternador normalmente lo proporciona un motor de inducción estándar por conveniencia 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 marco que contiene el estator del motor y el estator del generador. Toda la construcción se monta 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 la década de 1970.
A principios de la década de 1970, la aparición de la tecnología de conmutación de estado sólido supuso un cambio con respecto a los métodos tradicionales de generación de energía mediante calentamiento por inducción. Inicialmente, esto se limitaba al uso de tiristores para generar el rango de frecuencias de media frecuencia mediante 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 es típicamente un sistema basado en microprocesador digital que utiliza tecnología PIC, PLC ( controlador lógico programable ) y técnicas de fabricación de montaje superficial para la producción de las placas de circuito impreso. El estado sólido domina ahora el mercado y ahora están disponibles unidades desde 1 kW hasta muchos megavatios en frecuencias de 1 kHz a 3 MHz, incluidas unidades de frecuencia dual. [8]
Se emplea una amplia gama de técnicas para generar potencia de radiofrecuencia y frecuencia media utilizando semiconductores. La técnica empleada depende a menudo de una serie compleja de factores. El generador típico empleará una topología de alimentación por corriente o por tensión. El enfoque empleado dependerá de la potencia requerida, la frecuencia, la aplicación individual, el coste inicial y los costes de funcionamiento posteriores. Sin embargo, independientemente del enfoque empleado, todas las unidades tienden a presentar cuatro elementos distintos: [15]
Este toma el voltaje de suministro de la red y lo convierte de la frecuencia de suministro de 50 o 60 Hz a "CC". Esto puede proporcionar un voltaje de CC variable, un voltaje de CC fijo o una corriente de CC variable. En el caso de los 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.
El inversor convierte la fuente de alimentación de CC en una salida de CA monofásica a la frecuencia correspondiente. Este incluye SCR, IGBT o MOSFET y, en la mayoría de los casos, está configurado como un puente en 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 correspondientes están cerrados, la corriente fluye a través de la carga en una dirección; estos interruptores se abren y los dos interruptores opuestos se cierran, lo que permite que la corriente fluya en la dirección opuesta. Al sincronizar con precisión la apertura y el cierre de los interruptores, es posible mantener las 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 condensador o, en algunos casos, una combinación de condensadores y transformadores.
La sección de control monitorea todos los parámetros del 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 un circuito de salida resonante en serie. El sistema alimentado por voltaje es extremadamente popular y se puede utilizar con SCR de hasta frecuencias de 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 paralela también se conoce como un sistema de tercer orden. Básicamente, esto es similar al estado sólido, pero en este sistema el condensador interno conectado en serie y el inductor están conectados a un circuito 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 efectivamente el circuito de salida, lo que hace que los componentes de conmutación sean menos susceptibles a daños debido a descargas eléctricas o desajustes de las bobinas. [16]
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 del puente inversor. El circuito de potencia presenta un circuito resonante en paralelo y puede tener frecuencias de operación que normalmente van desde 1 kHz hasta 1 MHz. Al igual que con el sistema alimentado por voltaje, los SCR se utilizan normalmente hasta 10 kHz, mientras que 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 de Curie de ese material.