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El calentamiento por inducción es una técnica precisa, rápida, repetible, eficiente y sin contacto para calentar metales o cualquier otro material eléctricamente conductor.

Un sistema de calentamiento por inducción consta de una fuente de alimentación por inducción para convertir la energía de línea en una corriente alterna y entregarla a un cabezal de trabajo, y una bobina de trabajo para generar un campo electromagnético dentro de la bobina. La pieza de trabajo se coloca en la bobina de manera que este campo induce una corriente en la pieza de trabajo, que a su vez produce calor.

La bobina refrigerada por agua se coloca alrededor o bordeando la pieza de trabajo. No entra en contacto con la pieza de trabajo, y el calor sólo se produce por la corriente inducida que se transmite a través de la pieza de trabajo. El material utilizado para la pieza de trabajo puede ser un metal como el cobre, el aluminio, el acero o el latón. También puede ser un semiconductor, como el grafito, el carbono o el carburo de silicio.

Para calentar materiales no conductores, como los plásticos o el vidrio, la inducción puede utilizarse para calentar un susceptor eléctricamente conductor, por ejemplo, el grafito, que luego transmite el calor al material no conductor.

El calentamiento por inducción encuentra aplicaciones en procesos en los que las temperaturas son tan bajas como 100 ºC (212 ºF) y tan altas como 3000 ºC (5432 ºF). También se utiliza en procesos de calentamiento cortos que duran menos de medio segundo y en procesos de calentamiento que se prolongan durante varios meses.

El calentamiento por inducción se utiliza tanto en la cocina doméstica como en la comercial, en diversas aplicaciones como el tratamiento térmico, la soldadura, el precalentamiento para la soldadura, la fusión, el ajuste por contracción en la industria, el sellado, la soldadura fuerte, el curado y en la investigación y el desarrollo.

¿Cómo funciona el calentamiento por inducción?

La inducción produce un campo electromagnético en una bobina para transferir energía a una pieza a calentar. Cuando la corriente eléctrica pasa a lo largo de un cable, se produce un campo magnético alrededor de ese cable.

Beneficios clave de la inducción

Los beneficios de la inducción son:

• Calentamiento eficiente y rápido
• Calentamiento preciso y repetible
• Calentamiento seguro ya que no hay llama
• Prolongación de la vida útil de los accesorios debido al calentamiento preciso

Métodos de calentamiento por inducción

El calentamiento por inducción se realiza mediante dos métodos:

El primer método se denomina calentamiento por corrientes parásitas a partir de las pérdidas de I²R causadas por la resistividad del material de una pieza de trabajo. El segundo se denomina calentamiento histerético, en el que la energía se produce dentro de una pieza por el campo magnético alterno generado por la bobina que modifica la polaridad magnética del componente.

El calentamiento histerético se produce en un componente hasta la temperatura de Curie, cuando la permeabilidad magnética del material disminuye a 1 y el calentamiento histerético se reduce. El calentamiento por corrientes de Foucault constituye el efecto de calentamiento por inducción restante.

Cuando hay un cambio en la dirección de la corriente eléctrica (AC) el campo magnético generado falla, y se produce en la dirección inversa, al invertirse el sentido de la corriente. Cuando se coloca un segundo hilo en ese campo magnético alterno, se produce una corriente alterna en el segundo hilo.

La corriente que se transmite por el segundo hilo y la que pasa por el primero son proporcionales entre sí y también a la inversa del cuadrado de la distancia entre ellos.

Cuando el hilo en este modelo se sustituye por una bobina, la corriente alterna en la bobina genera un campo electromagnético y mientras la pieza a calentar está en el campo, la pieza se acopla al segundo hilo y se produce una corriente alterna en la pieza. Las pérdidas de I²R de la resistividad del material de la pieza de trabajo hace que se cree calor en la pieza de trabajo de la resistividad del material de la pieza de trabajo. Esto se llama calentamiento por corrientes parásitas.

Figura 1.

Funcionamiento de una bobina de inducción

Con la ayuda de un campo eléctrico alterno, se transmite energía a la pieza de trabajo con una bobina de trabajo.

La corriente alterna que pasa por la bobina produce el campo electromagnético que induce una corriente que pasa en la pieza de trabajo como imagen especular de la corriente que pasa en la bobina de trabajo. La bobina de trabajo/inductor es una parte del sistema de calentamiento por inducción que muestra la eficacia y eficiencia de la pieza de trabajo cuando se calienta. Las bobinas de trabajo son de numerosos tipos, desde las más complejas hasta las más simples.

La bobina helicoidal (o solenoide) es un ejemplo de bobina simple, que consiste en muchas vueltas de tubo de cobre enrollado alrededor de un mandril. Una bobina mecanizada con precisión a partir de cobre sólido y soldada es un ejemplo de bobina compleja.

Figura 2.

Frecuencia de funcionamiento (resonante)

La pieza de trabajo que debe calentarse y el material de la pieza de trabajo deciden la frecuencia de funcionamiento del sistema de calentamiento por inducción. Es fundamental utilizar un sistema de inducción que proporcione potencia en el rango de frecuencias adecuado para la aplicación. Las razones de las distintas frecuencias de funcionamiento pueden entenderse por lo que se denomina «efecto piel». Cuando el campo electromagnético induce una corriente en un componente, ésta pasa principalmente por la superficie del mismo.

Figura 3. (a) El calentamiento por inducción de alta frecuencia tiene un efecto piel poco profundo que es más eficiente para las piezas pequeñas; (b) El calentamiento por inducción de baja frecuencia tiene un efecto piel más profundo que es más eficiente para las piezas más grandes.

Cuando la frecuencia de operación es más alta, la profundidad de la piel es más superficial. Del mismo modo, cuando la frecuencia de funcionamiento es más baja, la profundidad de la piel y la penetración del efecto de calentamiento son más profundas. La profundidad de la piel/profundidad de penetración se basa en la temperatura, la frecuencia de funcionamiento y las propiedades del material de la pieza.

Por ejemplo (véase la Tabla 1), una barra de acero de 20 mm puede aliviarse de tensiones calentándola a 540°C (1000°F) mediante un sistema de inducción de 3kHz. Sin embargo, se necesitará un sistema de 10 kHz para endurecer la misma barra calentándola a 870°C (1600°F).

Por lo tanto, se puede decir que las frecuencias de funcionamiento más altas, en su mayoría más de 50kHz, se pueden utilizar para calentar las piezas más pequeñas con la inducción y las frecuencias de funcionamiento más bajas se pueden utilizar para calentar las piezas más grandes de manera más eficiente.

En el caso de las fuentes de alimentación de inducción de estado sólido avanzadas con sistemas de control por microprocesador incorporados, se pueden lograr técnicas de calentamiento consistentes y eficaces basadas en el hecho de que todas las piezas se colocan en una ubicación consistente dentro de la bobina.

Partes de un sistema de calentamiento por inducción

Un sistema de calentamiento por inducción comprende un circuito de depósito, una fuente de alimentación y una bobina de trabajo. En las aplicaciones industriales, la corriente que pasa por la bobina es suficiente para necesitar refrigeración por agua; por lo tanto, una instalación básica contiene una unidad de refrigeración por agua. La corriente alterna de la línea de CA se convierte a través de una fuente de alimentación en una corriente alterna que está en línea con la combinación de la inductancia de la bobina, la capacitancia del cabezal de trabajo y la resistividad de los componentes.

Figura 4. Sistema típico de calentamiento por inducción

Factores a considerar

El material de la pieza de trabajo dicta la velocidad de calentamiento y la potencia necesaria. El hierro y el acero se calientan fácilmente ya que tienen una mayor resistividad, mientras que el aluminio y el cobre necesitan más potencia para calentarse debido a su menor resistividad.

Ciertos aceros son magnéticos por naturaleza, de ahí que se utilicen la resistividad y las propiedades histéricas del metal cuando se calienta con inducción. El acero pierde sus propiedades magnéticas cuando se calienta por encima de la temperatura de Curie (500-600°C/1000-1150°F); sin embargo, el calentamiento por corrientes de Foucault proporciona la técnica de calentamiento necesaria para temperaturas más elevadas.

La potencia necesaria viene determinada por factores como el tipo de material, el tamaño de la pieza, el aumento de temperatura necesario y el tiempo de calentamiento. Según el tamaño de la pieza a calentar, el factor esencial a considerar es la frecuencia de funcionamiento del sistema de calentamiento por inducción.

Así mismo, en el caso de piezas más pequeñas se necesita una frecuencia más alta (>50kHz) para un calentamiento eficiente, y en casos de piezas más grandes se genera una frecuencia más baja (>10kHz) y una mayor penetración del calor.

Cuando la temperatura de la pieza calentada aumenta, también se pierde calor de la pieza. Las pérdidas por radiación y convección de la pieza de trabajo se convierten en un factor muy esencial con temperaturas más altas. Los métodos de aislamiento se utilizan con frecuencia a altas temperaturas para reducir las pérdidas de calor y disminuir la potencia requerida del sistema de inducción.

Figura 5. Familia de fuentes de alimentación de calentamiento por inducción de Ambrell

Esta información se ha obtenido, revisado y adaptado a partir de materiales proporcionados por Ambrell Induction Heating Solutions.

Para más información sobre esta fuente, visite Ambrell Induction Heating Solutions.

Citaciones