Componentes do Aquecimento por Indução

Elementos do Aquecimento por Indução

Um sistema típico de aquecimento por indução inclui uma fonte de alimentação, circuito de correspondência de impedância, circuito de tanque e aplicador. O aplicador que é a bobina de indução pode ser uma parte do circuito do tanque. Um circuito de tanque é normalmente um conjunto paralelo de condensadores e indutores. O condensador e o indutor no circuito do tanque são reservatórios de energia eletrostática e de energia eletromagnética, respectivamente. Na frequência de ressonância, o condensador e o indutor começam a oscilar a energia armazenada um para o outro. Na configuração paralela, esta conversão de energia ocorre com corrente elevada. A alta corrente através da bobina ajuda a ter uma boa transferência de energia da bobina de indução para a peça de trabalho.

Clique aqui para saber o que são bobinas de indução e como elas funcionam, e os diferentes tipos de bobinas.

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a) Fonte de alimentação

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A fonte de alimentação é uma das partes mais importantes de um sistema de aquecimento por indução. Eles são tipicamente classificados pela sua gama de frequência de operação e potência. Existem vários tipos de fontes de alimentação de indução que são fontes de alimentação de linha de frequência, multiplicadores de frequência, moto-geradores, conversores de centelha e inversores de estado sólido. Os inversores de estado sólido têm a maior eficiência entre as fontes de alimentação.

A fonte de alimentação típica de inversores de estado sólido inclui duas seções principais; Retificador e Inversor. As correntes de linha AC são convertidas em dc na seção retificadora usando diodos ou tiristores. A corrente dc vai para o inversor, onde as chaves de estado sólido, tais como IGBTs ou MOSFETs a convertem em uma corrente, desta vez a uma alta freqüência (normalmente na faixa de 10kHz-600kHz). De acordo com o diagrama abaixo, os IGBTs podem trabalhar com um nível de potência mais alto e uma frequência mais baixa em relação aos MOSFETs que operam com um nível de potência mais baixo e frequências mais altas.

b) Correspondência da impedância

As fontes de alimentação de aquecimento por indução, como qualquer outro dispositivo electrónico, têm valores máximos de tensão e corrente que não devem ser ultrapassados. Para poder fornecer a potência máxima da fonte de alimentação à carga (peça de trabalho), a impedância da fonte de alimentação e da carga deve estar o mais próximo possível. Desta forma, os valores de potência, tensão e corrente podem atingir os seus limites máximos permitidos simultaneamente. Os circuitos de correspondência de impedância são utilizados em unidades de aquecimento por indução para este fim. De acordo com a aplicação, diferentes combinações de elementos elétricos (por exemplo, transformadores, indutores variáveis, condensadores, etc.) podem ser utilizadas.

c) Tanque de ressonância

O tanque de ressonância num sistema de aquecimento por indução é normalmente um conjunto paralelo de condensador e indutor que ressoa a uma determinada frequência. A frequência é obtida da seguinte fórmula:

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onde L é a indutância da bobina de indução e C é a capacitância. De acordo com a animação abaixo, o fenômeno de ressonância é muito semelhante ao que acontece em um pêndulo oscilante. Num pêndulo, as energias cinéticas e potenciais convertem-se umas nas outras, enquanto que oscilam de uma extremidade para a outra. O movimento é amortecido devido ao atrito e outras perdas mecânicas. No tanque de ressonância, a energia fornecida pela fonte de alimentação oscila entre o indutor (na forma de energia eletromagnética) e o condensador (na forma de energia eletrostática). A energia é amortecida devido às perdas no condensador, no indutor e na peça de trabalho. As perdas na peça de trabalho na forma de calor são desejadas e o objectivo do aquecimento por indução.

O próprio tanque de ressonância inclui o condensador e o indutor. Um banco de condensadores é utilizado para fornecer a capacidade necessária para atingir uma frequência de ressonância próxima da capacidade da fonte de alimentação. Em frequências baixas (abaixo de 10kHz) são utilizados condensadores cheios de óleo e em frequências mais altas (mais os 10kHz) condensadores de cerâmica ou dieléctricos sólidos.

d) Indutores de aquecimento por indução

O que são bobinas de indução & Como funcionam?

A bobina de aquecimento por indução tem uma forma específica de tubo de cobre ou outro material condutor pelo qual se passa corrente eléctrica alternada, criando um campo magnético variável. As peças metálicas ou outros materiais condutores são colocadas dentro, através ou perto da bobina de aquecimento indutivo, sem tocar na bobina e o campo magnético variável que é gerado causa um atrito dentro do metal causando o seu aquecimento.

Como funcionam as bobinas de indução?

Algumas condições devem ser consideradas ao projectar uma bobina:

1. Para aumentar a eficiência dos aquecedores por indução, a distância entre a bobina e a peça de trabalho deve ser minimizada. A eficiência do acoplamento entre a bobina e a peça de trabalho é inversamente proporcional à raiz quadrada da distância entre elas.

2. Se a peça estiver posicionada no centro da bobina helicoidal, será melhor acoplá-la ao campo magnético. Se estiver fora do centro, a área da peça mais próxima das voltas receberá mais calor. Este efeito foi mostrado na figura abaixo.

3. Além disso, a posição próxima à conexão chumbo- bobina tem uma densidade de fluxo magnético mais fraca, portanto mesmo o centro ID da bobina helicoidal não é o centro de aquecimento por indução.

4. O efeito de cancelamento (figura à esquerda) deve ser evitado. Isto acontece quando a abertura da bobina é muito pequena. A colocação de um laço na bobina ajudará a fornecer a indutância necessária (figura à direita). A indutância de um indutor define a capacidade desse indutor de armazenar energia magnética. A indutância pode ser calculada a partir de as:

onde ε é a força electromotriz e dI/dt é a taxa de variação da corrente na bobina. ε é igual à taxa de variação do fluxo magnético na bobina (- dφ/dt), onde o fluxo magnético φ pode ser calculado a partir de NBA, sendo N o número de voltas, B o campo magnético e A a área do indutor. Portanto a indutância será igual a:

É óbvio que o valor da indutância é linearmente proporcional à área do indutor. Portanto, um valor mínimo deve ser considerado para o laço indutor, para que ele possa armazenar energia magnética e entregá-la à peça de trabalho de indução.

Eficiência da bobina

A eficiência da bobina é definida da seguinte forma:

A tabela abaixo mostra as eficiências típicas das diferentes bobinas:

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Modificação da bobina de acordo com a aplicação

Em várias aplicações, o objecto de aquecimento não tem um perfil uniforme, embora necessite de aquecimento uniforme. Nesses casos, o campo de fluxo magnético precisa ser modificado. Existem dois métodos típicos para realizar isto. Uma maneira é desacoplar as voltas onde a peça tem uma seção transversal maior (se usando bobina helicoidal). Um método mais comum é aumentar o espaçamento entre os enrolamentos nas áreas onde a seção transversal da peça é maior. Ambos os métodos são mostrados na figura abaixo.

A mesma situação acontece quando se aquece superfícies planas com grandes bobinas de panqueca. A área central vai receber calor excessivo. Para evitar isso, o espaço entre a superfície da bobina e o objeto plano será aumentado aplicando uma forma cônica à bobina de panqueca.

Uma bobina com revestimento é usada em aplicações onde uma área de aquecimento ampla e uniforme é necessária, mas queremos evitar o uso de grandes tubos de cobre. O liner é uma chapa larga que é soldada à serpentina pelo menos em dois pontos. O resto da junta será soldado apenas para proporcionar a máxima conexão de transferência de calor. Também um perfil sinusoidal ajudará a aumentar a capacidade de resfriamento da bobina. Tal serpentina é mostrada na figura abaixo.

À medida que o comprimento de aquecimento aumenta, o número de voltas deve ser aumentado a fim de manter a uniformidade de aquecimento.

Dependente das mudanças de forma da peça de trabalho, o padrão de aquecimento varia. O fluxo magnético tende a acumular-se nas bordas, cortes superficiais ou reentrâncias do objecto de aquecimento, causando assim uma maior taxa de aquecimento nestas áreas. A figura abaixo mostra o “efeito de borda” onde a bobina é mais alta que a borda do elemento de aquecimento e o aquecimento excessivo acontece nessa área. Para evitar isto, a bobina pode ser trazida mais baixa, para ser uniforme ou ligeiramente inferior à borda.

Aquecimento indutivo dos discos também pode causar aquecimento excessivo das bordas, como mostrado na figura abaixo. As bordas terão um aquecimento superior. A altura da bobina pode ser reduzida ou as extremidades da bobina podem ser feitas de um raio maior para desacoplar da borda da peça de trabalho.

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Cantos cortantes das bobinas retangulares podem causar um aquecimento mais profundo na peça de trabalho. Desacoplar os cantos da bobina por um lado reduzirá a taxa de aquecimento do canto, mas por outro lado diminui a eficiência geral do processo de indução.

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Um dos itens importantes a ser considerado durante o desenho de bobinas multi-lugar é o efeito das bobinas adjacentes umas sobre as outras. A fim de manter a resistência de aquecimento de cada bobina no máximo, a distância centro a centro entre as bobinas adjacentes deve ser pelo menos 1,5 vezes o diâmetro da bobina.

Indutores divididos são utilizados nas aplicações onde um acoplamento próximo é necessário e também a peça não pode ser extraída da bobina após o processo de aquecimento. Um ponto importante aqui é que um contato elétrico muito bom deve ser providenciado no local onde as superfícies articuladas se encontram. Normalmente, uma fina camada prateada é utilizada para proporcionar o melhor contacto eléctrico da superfície. As partes fendidas das serpentinas serão resfriadas utilizando tubos flexíveis de água. A compressão pneumática automatizada é freqüentemente usada para fechar/abrir a bobina e também para fornecer a pressão necessária na área articulada.

Tipos de bobinas de aquecimento

Double Deformed Pancake Coil

Nas aplicações como o aquecimento da ponta dos eixos, atingir uma uniformidade de temperatura pode ser difícil devido ao efeito de cancelamento no centro da superfície da ponta. Uma bobina de panqueca dupla deformada com laterais lavradas, semelhante ao esquema abaixo, pode ser usada para alcançar um perfil de aquecimento uniforme. Deve-se prestar atenção à direção das duas panquecas, nas quais os enrolamentos centrais são enrolados na mesma direção e têm efeito magnético adicional.

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Bobina de retorno de corrente

Nas aplicações como a soldadura de uma banda estreita num lado de um cilindro longo onde um comprimento relativamente longo deve ser aquecido consideravelmente mais alto do que as outras áreas do objecto, a trajectória de retorno de corrente será importante. Utilizando a bobina do tipo Split-Return, a corrente elevada induzida na trajectória de soldadura será dividida em duas que serão ainda mais largas. Desta forma, a taxa de aquecimento no caminho de soldagem é pelo menos quatro vezes maior do que o resto das partes do objeto.

Channel Coils

Channel type coils is used if the heating time is not very short and also low power densities are needed. Um número de peças de aquecimento passará através da bobina a uma velocidade constante e alcançará sua temperatura máxima ao sair da máquina. As extremidades da bobina são normalmente dobradas de modo a fornecer o caminho para que as peças entrem e saiam da bobina. Quando é necessário um aquecimento de perfil, os concentradores de placas podem ser usados com bobinas de canal multi-voltas.

Tubo de cobre quadrado tem duas vantagens principais em relação ao tubo redondo: a) como tem uma superfície mais plana “olhando” para a peça, proporciona um melhor acoplamento electromagnético com a carga de aquecimento e b) é estruturalmente mais fácil de implementar voltas com tubo quadrado do que com tubo redondo.

Concepção das bobinas de indução

Concepção das bobinas: Os fios fazem parte da bobina de indução e embora sejam muito curtos, têm uma indutância finita. Em geral, o diagrama abaixo mostra o diagrama do circuito da estação de calor de um sistema de unidade de indução. C é o condensador de ressonância instalado na estação de calor, L_lead é a indutância total dos fios da bobina e L_coil é a indutância da bobina de indução acoplada à carga de aquecimento. V_total é a tensão aplicada da fonte de indução à estação de calor, V_lead é a queda de tensão na indutância do cabo e V_coil é a tensão que será aplicada à bobina de indução. A tensão total é a soma da tensão do condutor e da tensão da bobina de indução:

V_lead representa a quantidade da tensão total que é ocupada pelos condutores e não faz nenhuma ação de indução útil. O objetivo do projetista será minimizar este valor. V_lead pode ser calculado como:

É óbvio pelas fórmulas acima que para minimizar o valor de V_lead, então a indutância dos cabos deve ser várias vezes menor que a indutância da bobina de indução (L_lead≪L_coil).

Redução da Indutância dos Chumbos: Em baixas frequências, geralmente desde que são utilizadas bobinas de alta indutância (multi-voltas e/ou grandes ID), a L_lead é muito menor que a L_coil. Entretanto, como o número de voltas e o tamanho geral da bobina é reduzido para indutores de alta freqüência, então será importante aplicar métodos especiais para minimizar a indutância do chumbo. Abaixo há dois exemplos para realizar isto.

Concentradores de fluxo: Quando um material magnético é colocado no ambiente incluindo campos magnéticos, devido à baixa resistência magnética (relutância) eles tendem a absorver as linhas de fluxo magnético. A capacidade de absorver o campo magnético é quantificada pela Permeabilidade Magnética Relativa. Este valor para ar, cobre e aço inoxidável é um só, mas para o aço macio pode ir até 400 e para o ferro até 2000. Os materiais magnéticos podem manter a sua capacidade magnética até à sua temperatura Curie, após o que a sua permeabilidade magnética cai para uma e não serão mais magnéticos.

Um concentrador de fluxo é um material de alta permeabilidade e baixa condutividade eléctrica que foi concebido para ser utilizado na construção das bobinas do aquecedor de indução para ampliar o campo magnético aplicado à carga de aquecimento. A figura abaixo mostra como colocar um concentrador de fluxo no centro de uma bobina de panqueca irá concentrar as linhas do campo magnético na superfície da bobina. Assim, os materiais colocados em cima da bobina da panqueca se acoplarão melhor e receberão o aquecimento máximo.

O efeito do concentrador de fluxo sobre a densidade da corrente na bobina de indução é mostrado na figura abaixo. A maior parte da corrente será concentrada na superfície que não está coberta com o concentrador de fluxo. Portanto, a bobina pode ser projetada de tal forma que somente o lado da bobina voltado para a carga de aquecimento ficará sem os materiais do concentrador. No eletromagnetismo, isto é chamado de efeito slot. O efeito slot aumentará significativamente a eficiência da bobina e o aquecimento necessitará de um nível de potência inferior.