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Aquecimento por indução é uma técnica precisa, rápida, repetível, eficiente e sem contacto para o aquecimento de metais ou quaisquer outros materiais condutores de electricidade.

Um sistema de aquecimento por indução consiste numa fonte de alimentação por indução para converter a energia da linha numa corrente alternada e entregá-la a uma cabeça de trabalho, e uma bobina de trabalho para gerar um campo electromagnético dentro da bobina. A peça de trabalho é posicionada na bobina de forma que este campo induza uma corrente na peça de trabalho, que por sua vez produz calor.

A bobina arrefecida por água é posicionada ao redor ou ao redor da peça de trabalho. Ela não entra em contato com a peça de trabalho, e o calor é produzido apenas pela corrente induzida transmitida através da peça de trabalho. O material usado para fazer a peça de trabalho pode ser um metal, como cobre, alumínio, aço ou latão. Também pode ser um semicondutor como grafite, carbono ou carboneto de silício.

Para o aquecimento de materiais não condutores como plástico ou vidro, a indução pode ser usada para aquecer um material condutor de eletricidade, por exemplo, grafite, que então passa o calor para o material não condutor.

Aquecimento por indução encontra aplicações em processos onde as temperaturas são tão baixas quanto 100ºC (212°F) e tão altas quanto 3000ºC (5432°F). Também é utilizado em processos de aquecimento curtos com duração inferior a meio segundo e em processos de aquecimento que se estendem por vários meses.

Aquecimento por indução é utilizado tanto na cozinha doméstica como comercial, em diversas aplicações como tratamento térmico, soldagem, pré-aquecimento para soldagem, fusão, encolhimento na indústria, vedação, brasagem, cura e em pesquisa e desenvolvimento.

Como funciona o aquecimento por indução?

Indução produz um campo electromagnético numa bobina para transferir energia para uma peça de trabalho a ser aquecida. Quando a corrente elétrica passa ao longo de um fio, um campo magnético é produzido em torno desse fio.

Principais Benefícios da Indução

Os benefícios da indução são:

• Aquecimento eficiente e rápido
• Aquecimento preciso e repetível
• Aquecimento seguro como não há chama
• Perda de vida útil prolongada devido ao aquecimento preciso

Métodos de aquecimento por indução

Aquecimento por indução é feito usando dois métodos:

O primeiro método é referido como aquecimento por corrente parasita devido às perdas de I²R causadas pela resistividade do material de uma peça de trabalho. O segundo é referido como aquecimento histérico, em que a energia é produzida dentro de uma peça pelo campo magnético alternado gerado pela bobina modificando a polaridade magnética do componente.

Aquecimento histérico ocorre num componente até à temperatura Curie quando a permeabilidade magnética do material diminui para 1 e o aquecimento histérico é reduzido. O aquecimento por corrente parasita constitui o efeito restante do aquecimento por indução.

Quando há uma mudança na direcção da corrente eléctrica (CA) o campo magnético gerado falha, e é produzido na direcção inversa, uma vez que a direcção da corrente é invertida. Quando um segundo fio é posicionado nesse campo magnético alternado, uma corrente alternada é produzida no segundo fio.

A corrente transmitida através do segundo fio e que através do primeiro fio são proporcionais um ao outro e também ao inverso do quadrado da distância entre eles.

Quando o fio neste modelo é substituído por uma bobina, a corrente alternada na bobina gera um campo electromagnético e enquanto a peça de trabalho a ser aquecida está no campo, a peça de trabalho corresponde ao segundo fio e uma corrente alternada é produzida na peça de trabalho. As perdas I²R da resistividade do material da peça de trabalho provocam a criação de calor na peça de trabalho da resistividade do material da peça de trabalho. Isto é chamado de aquecimento por corrente parasita.

Figure 1.

Trabalho de uma bobina de indução

Com a ajuda de um campo elétrico alternado, a energia é transmitida à peça de trabalho com uma bobina de trabalho.

A corrente alternada que passa através da bobina produz o campo eletromagnético que induz a passagem de uma corrente na peça de trabalho como uma imagem espelho para a passagem da corrente na bobina de trabalho. A bobina/indutor de trabalho é uma parte do sistema de aquecimento por indução que exibe a eficácia e eficiência da peça de trabalho quando é aquecida. As bobinas de trabalho são de vários tipos, desde complexas até simples.

A bobina helicoidal (ou solenóide) é um exemplo de bobina simples, que consiste em muitas voltas de tubo de cobre enrolado ao redor de um mandril. Uma bobina de precisão de cobre sólido e soldada é um exemplo de bobina complexa.

Figure 2.

Frequência de operação (Resonante)

A peça de trabalho que precisa ser aquecida e o material da peça de trabalho decide a frequência de operação do sistema de aquecimento por indução. É vital utilizar um sistema de indução que forneça energia em toda a gama de frequências adequadas para a aplicação. As razões das várias frequências de operação podem ser entendidas pelo que é chamado de “efeito pele”. Quando o campo eletromagnético induz uma corrente em um componente, ele passa principalmente na superfície do componente.

Figure 3. (a) O aquecimento por indução de alta frequência tem um efeito de pele rasa que é mais eficiente para peças pequenas; (b) O aquecimento por indução de baixa frequência tem um efeito de pele mais profundo que é mais eficiente para peças maiores.

Quando a frequência de operação é maior, a profundidade da pele é mais rasa. Da mesma forma, quando a frequência de operação é menor, a profundidade da pele e a penetração do efeito de aquecimento são mais profundas. A profundidade/penetração da pele é baseada na temperatura, frequência de operação e propriedades do material da peça.

Por exemplo (ver Tabela 1), uma barra de aço de 20mm pode ser aliviada através do aquecimento a 540°C (1000°F) usando um sistema de indução de 3kHz. Entretanto, um sistema de 10 kHz será necessário para endurecer a mesma barra aquecendo-a a 870°C (1600°F).

Hence pode ser dito que freqüências de operação mais altas, na maioria das vezes superiores a 50kHz, podem ser usadas para aquecer peças menores com indução e freqüências de operação mais baixas podem ser usadas para aquecer peças maiores de forma mais eficiente.

No caso de fontes de alimentação avançadas de indução de estado sólido com sistemas de controle com microprocessador incorporado, técnicas de aquecimento consistentes e eficazes são possíveis com base no fato de que todas as peças são colocadas em um local consistente dentro da bobina.

Partes de um sistema de aquecimento por indução

Um sistema de aquecimento por indução compreende um circuito de tanque, uma fonte de alimentação e uma bobina de trabalho. Em aplicações industriais, há corrente suficiente que passa através da bobina para necessitar de refrigeração da água; portanto, uma instalação básica contém uma unidade de refrigeração da água. A corrente alternada da linha AC é convertida através de uma fonte de alimentação para uma corrente alternada que está em linha com a combinação de indutância da bobina, capacitância da cabeça de trabalho e resistividade dos componentes.

Figure 4. Sistema de aquecimento indutivo típico

Fatores a considerar

O material da peça de trabalho dita a taxa de aquecimento e a potência necessária. O calor do ferro e do aço é fácil, pois eles têm maior resistividade enquanto alumínio e cobre precisam de mais energia para aquecer devido à sua menor resistividade.

Aços certos são magnéticos por natureza, portanto a resistividade e as propriedades histéricas do metal são usadas quando aquecidos com indução. O aço perde as suas propriedades magnéticas quando aquecido acima da temperatura Curie (500-600°C/1000-1150°F); contudo, o aquecimento por corrente parasita fornece a técnica de aquecimento necessária para temperaturas mais elevadas.

A potência necessária é determinada por factores como o tipo de material, tamanho da peça de trabalho, aumento da temperatura necessária e o tempo até à temperatura. De acordo com o tamanho da peça de trabalho a ser aquecida, o fator essencial a ser considerado é a freqüência de operação do sistema de aquecimento indutivo.

Likewise, no caso de peças de trabalho menores, uma freqüência maior (>50kHz) é necessária para o aquecimento eficiente, e no caso de peças de trabalho maiores, uma freqüência menor (>10kHz) e maior penetração do calor é gerada.

Quando a temperatura da peça de trabalho aquecida aumenta, o calor também é perdido da peça de trabalho. As perdas por radiação e convecção da peça de trabalho evoluem para um factor muito essencial com temperaturas mais elevadas. Os métodos de isolamento são frequentemente utilizados a altas temperaturas para reduzir as perdas de calor e diminuir a potência necessária do sistema de indução.

Figure 5. Família de Fontes de Aquecimento por Indução Ambrell

Esta informação foi obtida, revista e adaptada dos materiais fornecidos pela Ambrell Induction Heating Solutions.

Para mais informações sobre esta fonte, por favor visite Ambrell Induction Heating Solutions.

Citações