CALENTADOR POR INDUCCIÓN 1. RESUMEN Los dispositivos electrónicos empleados en los sistemas de calentamiento por inducción magnética han evolucionado aceleradamente gracias al desarrollo de la electrónica de potencia. La evolución de los circuitos electrónicos de inducción magnética se debe al gran avance tecnológico de los dispositivos de conmutación suave. Los diferentes tipos de topologías existentes y su aplicación en circuitos electrónicos comerciales demuestran el creciente interés por el estudio de los sistemas de inducción magnética y su constante mejora e incremento de la eficiencia energética.
2. PRINCIPIO DE CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN Cuando una corriente alterna se aplica al primario de un transformador, se genera un campo electromagnético. Según la Ley de Faraday, si el secundario del transformador se coloca dentro del campo magnético, se induce una corriente eléctrica. En una configuración básica de calentamiento por inducción, una fuente de alimentación genera una corriente alterna que atraviesa un inductor (normalmente una bobina de cobre) y la pieza a calentar se sitúa dentro de dicho inductor. El inductor actúa de primario del transformador y la pieza de circuito secundario. Cuando la pieza metálica es atravesada por el campo magnético, se inducen corrientes de Foucault (disipan energía en forma de calor) en dicha pieza.
Figura. 1: Principio de calentamiento por inducción. inducción.
Donde: Ig = Corriente en la bobina. If = Corriente inducida en el material.
Φm = Campo magnético.
En la Figura.1, las corrientes de Foucault fluyen contra la resistividad eléctrica del metal, generando un calor localizado y preciso sin ningún contacto directo entre la pieza y el inductor. Este calentamiento ocurre con piezas magnéticas y no-magnéticas, y a menudo se conoce
como “Efecto Joule” que hace referencia a la primera ley de Joule (relación entre calor producido y corriente eléctrica a través de un conductor).
2.1. Efecto Piel. El efecto piel representa la disminución de la densidad de corriente desde el contorno hacia el centro del conducto por el cual circula una corriente alterna. Una propiedad importante en el calentamiento inductivo es que la distribución de las corrientes inducidas en el interior de la pieza no ocurre de forma uniforme. Este efecto es conocido como efecto piel y depende fundamentalmente de la frecuencia de operación, de la forma y del tipo de material a ser calentado. Este fenómeno puede ser entendido utilizándose el principio de la inducción electromagnética. La corriente inducida en la pieza siempre genera un campo magnético que se opone al campo magnético que lo creó.
3. PARTES DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN. Un equipo de calentamiento por inducción se compone esencialmente de los siguientes elementos: Uno o varios inductores de calentamiento . El inductor es el responsable directo de la
generación de los campos magnéticos en las proximidades del material a calentar. Sistemas de alimentación eléctrica . Es necesario un generador eléctrico para la
alimentación del inductor con la frecuencia y potencia que requiere la aplicación. Batería de condensadores de compensación . Se requiere para conseguir que el factor de
potencia de la carga del sistema de alimentación eléctrica sea próximo a la unidad cuando está funcionando a la frecuencia de resonancia el calentador.
4. ANÁLISIS DE UN SISTEMA DE CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN Un sistema de calentamiento por inducción consta generalmente de las siguientes etapas:
Figura.2. Etapas del sistema de calentamiento por inducción.
4.1. Etapa rectificadora Es la encargada de convertir una señal AC a DC, en donde se podemos encontrar: Rectificador no controlado: Se caracteriza por estar conformado por arreglo de diodos en donde no se tiene ningún control sobre el voltaje DC de salida, este voltaje siempre es fijo. Semiconvertidor: A diferencia del rectificador no controlado este además de estar conformado por diodos utiliza dispositivos activos como lo con los SCR´s permitiendo cierto control sobre el voltaje de salida. Convertidor completo: El cual se trata de un arreglo de SCR´s en el cual se pueden variar el voltaje de salida desde 0 hasta el voltaje máximo de entrega.
4.2. Inversor Es necesaria la implementación de una fuente de alimentación de alta frecuencia encargada de alimentar la carga resonante. Para esto se emplea un circuito inversor el cual es el encargado de realizar la transformación DC/AC a una frecuencia determinada, generalmente la frecuencia es igual o aproximada a la de resonancia de la carga
4.3. Carga Se trata de una carga resonante conformada por un condensador de compensación, la bobina de inducción y la resistencia equivalente. La bobina de calentamiento y la pieza a calentar pueden ser representados por una inductancia y una resistencia en serie, cuyos valores se obtienen estudiando las relaciones electromagnéticas existentes entre estas; este fenómeno electromagnético se asemeja al principio de funcionamiento de un transformador en donde la bobina de inducción representa el devanado primario y la pieza a calentar el devanado secundario de tan solo una espira, esto debido a la naturaleza conductora de la pieza.
Figura.3: Circuito equivalente de la bobina de inducción con la pieza a calentar.
5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL CALENTADOR POR INDUCCIÓN. Se trata de un circuito bien simple y funcional para calentar metales a través de la inducción electromagnética
Lista de materiales:
2 MOSFETS IRFZ44N; 2 Disipadores de calor para los MOSFETS; 2 Resistores de 150R / 2W; 2 Resistores de 1K; 5 Condensadores 4uF, 6uF, 6,6uF, y,6uF y 6,8uF x 250V del tipo MKP; 2 Metros de hilo rígido con sección de 4 mm²; 1 Batería de ácido plomo de 12V / 8A (batería de moto o de nobreak; 2 trozos de hilo 0,25 mm² de 9 cm cada uno; 2 Piezas de hilo flexible con sección de 4 mm²;
1 Pieza de MDF de longitud: 20 cm Ancho: 20 cm Grosor: 3 mm.
Lista de herramientas: Alicate de corte; Alicate de pico; Hierro de soldadura; estaño; Cola caliente o cinta doble cara.
6. CONCLUSIONES En un sistema de calentamiento se debe tener en cuenta las propiedades magnéticas y de resistencia del material a calentar además de la forma, para realizar un correcto diseño de la bobina de inducción. Sin embargo, no son los únicos parámetros para realizar el diseño del sistema de calentamiento por inducción, hay que tener en cuenta la temperatura que se requiere y el tiempo de calentamiento para así tener el un valor aproximado de potencia que requiera la carga para su calentamiento.
