Circuito de Calentador por Inducción: Principios, Diseño y Aplicaciones de la Bobina de Trabajo

El circuito de calentamiento por inducción calienta materiales conductores sin contacto, usando un campo magnético de alta frecuencia para calentar cerámicas ferromagnéticas y metales. También sirve para fundir y forjar acero y aluminio. Comercialmente, se usa en brasado, soldadura y tratamiento térmico.

Es intrigante de construir porque no necesita elemento calefactor por inducción: el dispositivo se asemeja a una vitrocerámica que mantiene la temperatura. Esta guía explica la construcción de circuitos de calentamiento por inducción. El circuito principal es fácil de construir y usa componentes estándar.

Entremos en materia.

1. Principio de Funcionamiento del Calentador por Inducción

Según la ley de Faraday, la inducción electromagnética genera un campo magnético alterno al mover un conductor en campo eléctrico. En el circuito, la frecuencia supera a los electrones en el hierro, causando corriente inversa (corriente de Foucault). El calor extremo es igual a I² × R (hierro). La resistividad del hierro = 97 nΩ·m.

El principio también funciona al revés: campo magnético variable en conductor induce calor. La fuente RF de estado sólido aplica potencia al inductor y material a calentar.

Calor = I² × R (Hierro)

Como el calor es proporcional a la frecuencia de operación, los transformadores de driver de gate ordinarios no funcionan en aplicaciones de alta frecuencia. El siguiente proceso es el calentamiento Joule: la corriente al pasar por material genera propiedades magnéticas. Los diseños simples se ajustan a la frecuencia resonante de la bobina de cobre y banco de capacitores, similar a un circuito tanque.

2. Elementos del Circuito de Calentamiento por Inducción

Para construir uno, necesitamos diseñar bobina de inducción, señal oscilante rápida e inducir corrientes que calienten el metal. Como la mayoría de dispositivos, necesita placa de circuito y componentes activos.

2.1 Materiales

• Adaptación de impedancia: La capacidad de la fuente de alimentación debe igualar la impedancia de carga para entregar máxima potencia. Circuitos de control de adaptación logran que voltaje, corriente y potencia alcancen sus límites máximos. Útil también en transformadores eléctricos.
• Fuente de alimentación: Parte esencial del sistema. Se clasifican por rango de frecuencia y potencia. Tipos: multiplicadores de frecuencia, convertidores de chispa, inversores de voltaje.
• Tanque resonante: Inductores y capacitores en paralelo a frecuencia resonante. Similar a un péndulo: la energía oscila entre capacitor (energía electrostática) e inductor (energía electromagnética). La transferencia se amortigua por pérdidas. El banco de capacitores proporciona la capacitancia necesaria para resonar con la capacidad de la fuente.

(circuito resonante)

• Inductores del calentador por inducción

2.2 Diseño de la Bobina de Trabajo (Work Coil)

La bobina es un tubo de cobre conformado que aplica potencia en varias formas. La corriente inductiva en el material es igual al número de vueltas. Para eficiencia y efectividad del patrón de calentamiento, el diseño de la bobina primaria es esencial.

Es un material conductor por donde pasa corriente alterna creando campo magnético. Componentes conductores y piezas metálicas se colocan dentro, junto o a través de la bobina, sin tocarla, generando inducción magnética que crea calor.

Generalmente, las bobinas son de cobre refrigeradas por agua. Hay varias formas según aplicación; la bobina helicoidal multi-vuelta es la más común. Con anillo, el ancho del patrón de calentamiento depende del número de vueltas. Vueltas simples sirven para calentar silicio, puntas o banda estrecha. Multi-posición calienta múltiples piezas. Bobina interna calienta al interior; bobina pancake calienta solo una cara.

(bobina de inducción)

Condiciones a Considerar

1. En materiales magnéticos, el calor se genera por histéresis y corrientes de Foucault.
2. Cerca de la unión de bobinas separadas hay menos densidad de flujo magnético; el centro ID no está en el centro de calor.
3. Para mayor eficiencia, reduce distancia entre bobina pancake y carga.
4. Si la pieza está centrada, acóplala con campo magnético; si descentrada, la zona más cercana a vueltas recibe más calor.
5. Para decidir capacidad de potencia, considera convección, radiación y pérdidas por conducción.
6. Mayor frecuencia crítica de CA → menor profundidad de penetración de calor.
7. Materiales con mayor frecuencia resonante se calientan más rápido.

(circuito tanque resonante)

Eficiencia de la Bobina

Fórmula: Eficiencia = energía transferida a la carga / energía transmitida a la bobina.

Modificación de la Bobina Según Aplicación

Aunque se busque calentamiento uniforme, el perfil no es constante. Dos métodos: desacoplar curvas donde la bobina helicoidal tiene mayor sección transversal, o aumentar espaciado entre vueltas donde la sección es mayor. Al calentar superficies planas con gran bobina pancake, el centro recibe más calor; para evitarlo, aumenta espacio entre objeto y bobina conectando patrón cónico a la bobina pancake.

Tipos de Bobinas de Calentamiento

Bobinas de canal (Channel coils)

Usadas cuando el tiempo de calentamiento no es ni muy corto ni muy largo, requiriendo niveles de potencia relativamente bajos. Varias bobinas pasan a velocidad constante para alcanzar presión máxima al salir. Sus extremos se doblan para entrada/salida. Para perfil de calentamiento en hierro, se usa concentrador de flujo con bobinas de canal multi-vuelta.

Bobina doble deformada

Para temperatura uniforme, calentar puntas de ejes y brasar materiales. Lados inclinados logran calentamiento uniforme. Para efecto magnético, atiende la ruta de ambas bobinas pancake donde se forman devanados primarios.

(bobina de calentamiento)

Bobina de retorno dividido (Split-return coil)

Para soldar plástico, metal y banda estrecha dopada con cerámicas ferromagnéticas. Induce alta corriente en zona de soldadura que se divide en dos, aumentando calentamiento en la trayectoria de soldadura.

Diseño de Terminales (Leads) para Bobinas de Inducción

Aunque cortos, son esenciales en el circuito tanque y bobina por su inductancia finita. El diagrama muestra el circuito de estación de calor de circuito resonante. C = capacitor resonante en estación de calor. L = inductancia total de terminales de bobina. V = voltaje total de entrada de fuente de alimentación al circuito de trabajo.

Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:FET_Armstrong_oscillator.svg

Concentrador de Flujo

Material de baja conductividad eléctrica y alta permeabilidad que amplifica el flujo/campo magnético en la carga de calentamiento. Mejora eficiencia térmica a bajo nivel de potencia.

Deducción de Inductancia de Terminales

Industrias usan bobinas de alta inductancia a baja frecuencia porque L-terminal < L-bobina.

(corriente de Foucault en campo magnético)

3. Ejemplo de Visualización del Circuito de Calentador por Inducción

Diagrama y montaje del circuito de calentador por inducción.

Conclusión

Comparados con otros dispositivos, los aparatos de calentamiento por inducción ofrecen mayor eficiencia, mejor control y velocidad. El nivel de eficiencia depende de lo bien que se construyan e implementen.

El circuito proporciona método rápido, limpio y no contaminante. Con los diagramas, el funcionamiento y diseño del circuito tanque y bobina de inducción son fáciles de construir y probar. Contáctanos cuando quieras.