1. 1 Principio físico del calentamiento por inducción






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fecha de publicación09.03.2016
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EL PROYECTO A SIDO REALIZADO POR LA ESCUELA

DE INGENIERIA TÉCNICA DE TERRASA
A CARGO DE : DAVID RODRIGUEZ

DAVID RIBAS

ANDRÉS LARA
CON EL APOYO Y APORTACIÓN DE BIBLIOGRAFIA TÉCNICA Y

PRACTICA DE INDUSTRIAL GILBA S.L.

1.1 Principio físico del calentamiento por inducción
El calentamiento por inducción es una aplicación muy directa de la conjunción de las leyes de la inducción (ley de Faraday y Ampere) y del efecto joule. Sí en un dispositivo apropiado llamado inductor, que normalmente es el arrollamiento bobinado de un conductor, se hace pasar una determinada corriente eléctrica, se genera un campo magnético cuya amplitud y distribución viene dada por la ley de Ampere.

Donde N es el número de espiras del inductor, i la corriente que lo atraviesa, H el campo magnético y l la longitud del circuito.
Si la corriente inducida en el inductor es alterna se conseguirá crear un campo magnético variable en el tiempo que en la sección especificada generará un flujo magnético también alterno. Según la ley de Faraday en toda sustancia conductora que se encuentra en el interior de un campo magnético variable se genera una fuerza electromotriz cuyo valor es:

Donde ε la fem inducida, N el número de espiras del inductor y Ø el flujo del campo magnético.
A las corrientes provocadas por esta fem en el interior de la sustancia conductora les llamaremos corrientes inducidas o corrientes de Foucault iF y son las responsables últimas del calentamiento por efecto Joule cuya ley es:

Donde P es la potencia disipada en la resistencia equivalente de la pieza a calentar Req por la que circula la corriente inducida iF.

La figura 1.1 muestra una imagen gráfica del fenómeno.

Figura 1.1. Principio del calentamiento por inducción.
El proceso de transferencia de energía entre el inductor y el material a calentar es similar por su principio al de un transformador en el que el primario está constituido por el arrollamiento del inductor y la superficie de la pieza representa un secundario de una sola espira.
La resistencia equivalente de la pieza es de valor muy pequeño por lo que para generar pérdidas apreciables por efecto Joule (i2R) son necesarias grandes corrientes inducidas.
La disipación de calor por efecto Joule se realiza en el interior mismo de la sustancia donde han sido creadas las corrientes inducidas con lo que el calentamiento por inducción se convierte en un método de calentamiento de materiales conductores en el que no hay transferencia de calor desde una fuente externa de modo que no hay pérdidas de energía “electromagnética” que se convierte en energía “calorífica” directamente al material a calentar.



Figura 1.2 Circuito equivalente del inductor-carga.
Por lo tanto, en el calentamiento del material no hay piezas de la fuente de energía en contacto con la pieza a tratar térmicamente, ni gases de combustión, ni cualquier otro elemento que limite la posición o forma del material a calentar que puede estar en un entorno aislado de la fuente, sumergido en un liquido, cubierto por sustancias aislantes, en atmósferas gaseosas o incluso en el vacío.
1.2Propiedades del calentamiento por inducción
El calentamiento es controlado pues, por un “generador electrónico” de corrientes alternas con lo que es fácil conseguir un óptimo control de la cantidad de calor que se entrega a la pieza y por lo tanto se puede fijar con precisión la temperatura final o incluso la curva de evolución de la temperatura del material a calentar en función del tiempo.
En el caso del calentamiento por inducción el cuerpo a calentar se puede llevar a una temperatura mucho más elevada que el de la “fuente” cosa que no se puede conseguir por métodos de calentamiento clásicos. De este modo se puede conseguir, prácticamente sin limitaciones, grandes densidades de potencia en el material a calentar.
La bobina inductora no tiene porque tener forma de solenoide ya que cualquier conductor atravesado por corrientes alternas crea un campo magnético también alterno que genera corrientes inducidas en un cuerpo conductor situado en su proximidad. Por lo tanto, se puede decir que no hay ninguna limitación en las dimensiones y forma de material a calentar. Esto supone una nueva ventaja ya que no es solo posible calentar materiales conductores de cualquier dimensión o forma, sino que además, se puede calentar solo la porción del material que se desea. Es incluso posible calentar diferentes zonas de la pieza con la misma o diferentes temperaturas mediante un correcto diseño de la geometría del inductor o la asociación de varios de ellos.
Además, y gracias al efecto piel que más tarde analizaremos, se puede utilizar la energía transmitida en calentar sólo la superficie del material, lo que supone, frente a otros procesos de calentamiento, un gran ahorro de energía.
Por lo tanto, el calentamiento por inducción representa para la industria y demás campos de aplicación un método de calentamiento de materiales conductores de alta fiabilidad, versatilidad, eficacia y seguridad. Fiabilidad porque supone un proceso técnicamente controlable. Versatilidad es posible realizar el calentamiento especificado sin grandes esperas de subida y bajada de temperatura. Eficacia porque el rendimiento del proceso es muy elevado. Seguridad porque el calentamiento se realiza sin emisión de gases u otros residuos, radiaciones electromagnéticas peligrosas ni cualquier otro elemento que ponga en peligro la seguridad de las personas.
1.3 Aplicaciones del calentamiento por inducción
Las aplicaciones típicas del calentamiento están localizadas fundamentalmente en la industria de transformaciones metálicas. A continuación se da una relación de las más importantes.
Fusión
Los materiales son llevados a su temperatura de fusión en el interior de un crisol.
Forja
Se consigue un calentamiento homogéneo del material para un posterior proceso de conformado mecánico.
Tratamientos térmicos
Los más comunes son los temples, revenidos de piezas de acero.

El temple lo trataremos en más profundidad en temas posteriores.
En los revenidos y los calentamientos controlados de la pieza reducen tensiones mecánicas y posteriores movimientos.
Soldadura
Mediante un calentamiento media/alta temperatura de partes de una misma pieza o piezas distintas se consiguen con aportación de material soldaduras de alta calidad.
Una aplicación especial de soldadura, en la que prácticamente imprescindible el uso del calentamiento por inducción, es la soldadura de tubo en la que los bordes de una banda de acero previamente conformado se sueldan longitudinalmente para producir de modo continuo tubo de alta calidad.
Existen además otras posibles aplicaciones como son:
Sellado de envases
La embocadura de algunos envases de material plástico se consiguen sellar una fina cubierta metálica que se caliente por inducción consiguiéndose un posterior pegado debido a la fusión del plástico del envase que está en contacto con la lámina metálica.

Curado de adhesivos y pastas sellantes (bonding)
En el sector del automóvil se suelen usar pastas especiales para asegurar el perfecto sellado y unión de diversas piezas sobretodo de la carrocería de los vehículos. Mediante el calentamiento por inducción de las superficies metálicas donde han sido depositadas estas pastas se obtiene una gran mejora del curado de estas, optimizando su distribución y acelerando su fraguado.

Sobrecalentamiento de gases ionizados
En la generación de plasmas gaseosos de alta temperatura es posible, mediante la inducción, aumentar aun más la temperatura del gas ya que este, en forma de plasma, es conductor
Fabricación de semiconductores
El calentamiento por inducción se utiliza también en procesos de crecimiento de cristales de germanio y silicio, dopaje y deposición epitaxial.
1.4 Características del calentamiento por inducción
Para las aplicaciones del calentamiento por inducción, son dos las características más importantes que definen la eficacia térmica y energética del proceso:


  • El efecto piel que caracteriza la distribución de las corrientes inducidas en la pieza.

  • La potencia disipada en la pieza que caracteriza el rendimiento del fenómeno eléctrico.

Los parámetros más importantes que intervienen en el proceso del calentamiento por inducción son:


  • La frecuencia de la corriente.

  • La naturaleza del material a calentar y su estado.

  • La intensidad de campo magnético inductor.

  • El acoplamiento entre el inductor y la pieza a calentar.

  • El tipo de inductor y sus características geométricas.

  • La naturaleza del material conductor del inductor.


La distribución de la corriente y la energía disipada en la pieza pueden ser determinadas rigurosamente utilizando las leyes de Maxwell que resumen las leyes fundamentales del Electromagnetismo.

1.5 Efecto piel. Profundidad de penetración
La profundidad de penetración anteriormente citado como efecto piel, se puede resumir de esta manera:

“Contra más grande sea la frecuencia de las corrientes en un conductor más se concentrarán estas en la superficie.”
En la figura 1.3 se muestra gráficamente la distribución de la corriente en función de la distancia desde la superficie al centro del material.


Figura 1.3. Distribución de la corriente en función de la profundidad.
“todo ocurre como si reemplazaremos le distribución decreciente real de la corriente por otra corriente uniforme i0 (corriente en la superficie) en el espesor δ (profundidad de penetración).”

donde se tiene:
ρ resistividad del material

μ0 permeabilidad magnética del vacío 4π10-7

μr permeabilidad magnética relativa del material

f frecuencia de trabajo
En la figura 1.4 se encuentran las curvas de evolución de la profundidad de penetración en función de la frecuencia para algunos materiales.


Figura 1.4. Curva de la profundidad de penetración en función de la frecuencia para diversos materiales.
Por lo tanto la elección de la frecuencia de funcionamiento es uno de los parámetros más importantes que se han de tener en cuenta en el diseño de una aplicación de calentamiento por inducción.
Así, por ejemplo, para la forja de metales con simetría cilíndrica donde se pretende un calentamiento homogéneo de la pieza en todo su diámetro, se ha de utilizar una frecuencia tal que se asegure que la profundidad de penetración sea mayor que el radio de la pieza.
Sin embargo para temples donde se especifique una profundidad reducida, la frecuencia de trabajo debe ser alta.
1.6 Equipos para calentamiento por inducción.
Un equipo de calentamiento por inducción se compone esencialmente de los siguientes componentes:


  • 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.

  • Sistema 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 a la frecuencia de funcionamiento.

  • Equipo de refrigeración. El inductor y demás componentes (condensadores, elementos de potencia, etc.) necesitan disipar grandes potencias. El elemento refrigerante usado suele ser agua en la mayoría de los casos.

  • Sistema de control de la aplicación. Comprende un manipulador de las piezas a calentar y un control de los parámetros del calentamiento (potencia, tiempo de calentamiento, etc.).



Figura 1.5. Esquema de una aplicación de calentamiento por inducción.
Los inductores se construyen generalmente con cobre electrolítico para reducir el máximo las perdidas por efecto Joule. Aún así, estas perdidas son grandes y es necesario utilizar perfiles de cobre que permitan el paso de agua de refrigeración ya que la mayoría de los casos la refrigeración por aire es insuficiente.
La concepción geométrica del inductor está en función de la aplicación del calentamiento y su diseño es, es ciertos casos, de gran dificultad.
El sistema de alimentación eléctrica esta constituido por un convertidor que a partir de corrientes a la frecuencia de red obtiene otra corriente de la frecuencia deseada destinada a la alimentación del inductor de calentamiento.

1.6.1. Convertidores rotativos
Su utilización corresponde a las aplicaciones de media frecuencia (250 Hz a 10 kHz). Se compone esencialmente de un motor asíncrono trifásico alimentado por una red de 50 Hz acoplado mecánicamente a un alternador monofásico de la frecuencia requerida. Este alternador alimenta la carga formada por el inductor y los condensadores de compensación. La frecuencia de funcionamiento es, por lo tanto, fija ya que el acoplo entre el motor y el alternador así lo es.

Figura 1.6. Esquema de un generador rotativo.
En la actualidad los convertidores rotativos han quedado prácticamente en desuso ya que han sido ampliamente superados por otros tipos de generadores estáticos en calidad y rendimiento.
1.6.2. Generadores con tubo electrónico “Tryodo”
Hasta la aparición de los generadores a transistores las aplicaciones de frecuencias por encima de 10 kHz se han resuelto mediante el uso de generadores con tubo electrónico que pueden funcionar desde 4 kHz hasta 2Mhz con potencias entre 1Kw y más de un 1 MW.
Se compone esencialmente de las siguientes partes:


  • Una fuente de tensión continua de 5KV a 15KV compuesta por un transformador trifásico elevador y un rectificador de alta tensión. Normalmente la regulación de la tensión de salida se realiza mediante un control de fase en el primario del transformador.

  • Una etapa osciladora compuesta por un circuito oscilante con uno o varios triodos (tubo electrónico) para su excitación.

  • Un transformador de adaptación del circuito de carga.


Dentro de un esquema general existen dos variantes dependiendo de cual es la conexión de los condensadores de compensación. Los generadores “clásicos” tienen estos condensadores en el circuito de alta tensión mientras que en los generadores “aperiódicos” van conectados en el secundario del transformador de adaptación, en el circuito de baja tensión.
Una de las mayores ventajas de estos generadores es que son circuitos autooscilantes y por lo tanto, su funcionamiento es, en principio, independiente de la frecuencia de la carga.


Figura 1.7. Diagrama de bloques de los generadores con válvula.
1.6.3. Generadores estáticos con tiristores.
Este tipo de generadores trabaja a media frecuencia de 3 Hz a 10 kHz. Existen en la actualidad varias estructuras distintas de generadores con tiristores de las que se pueden destacar dos grandes familias:


  • Generadores con carga paralelo.

  • Generadores con carga serie.


1.6.3.1. Generadores con carga paralelo
Se componen fundamentalmente de lo siguiente:


  • Un transformador de entrada destinado a adaptar la tensión de la red a la de salida.

  • Un rectificador trifásico completo controlado con una inductancia de aislamiento con lo que este conjunto se convierte en una fuente de corriente continua regulada.

  • Un puente inversor monofásico destinado a transformar la corriente continua del rectificador en corriente de media frecuencia.

  • El circuito de carga formado por el paralelo del inductor y los condensadores de compensación.


Ante un pulso se corriente, este circuito de carga tiende a oscilar a su frecuencia de resonancia. De esta manera con un adecuado circuito de control de la secuencia de conducción de los tristores, el inversor puede funcionar automáticamente a la frecuencia de resonancia de la carga. La frecuencia de funcionamiento es por lo tanto variable y autoajustabla dentro de un rango aproximado del 25% alrededor de la frecuencia nominal de funcionamiento.
La tensión de salida del inversor es directamente proporcional a la del rectificador para un factor de potencia en la carga dado, con lo que se puede regular fácilmente la potencia entregada a la carga mediante el control del rectificador.

Figura 1.8. Diagrama de bloques de los generadores paralelo.
La posibilidad de disponer de tiristores de gran capacidad de corriente permite que la gama de este tipo de generadores vaya desde algunas decenas de kilovatios a 2 o 3 megavatios.
1.6.3.2. Generadores con carga serie
Estos generadores estáticos con tiristores se componen de :


  • Un conjunto de bobinas que aseguren el correcto filtraje de la red.

  • Un rectificador trifásico completo no controlado por un condensador de filtrado. De esta manera el conjunto rectificador y condensador constituye una fuente de tensión.

  • Un puente inversor monofásico con tiristores.

  • El circuito de carga formado por la serie del inductor y los condensadores de compensación.


Mediante el correcto disparo de los tiristores se obtiene una corriente sinusoidal a través de la carga. La frecuencia de la oscilación está, por lo tanto, fijada por el control del inversor y se puede regular la potencia de salida acercando más o menos esta frecuencia a la de resonancia serie de la carga.

Figura 1.9. Diagrama de bloques de los generadores serie.
La ventaja de este tipo de generadores estriba esencialmente en que no es necesario ningún circuito auxiliar de arranque. Esta cualidad es particularmente interesante para las aplicaciones de calentamientos de alta cadencia, ya que se puede entregar la potencia máxima casi instantáneamente. Además, la fuente de tensión esta formada por un rectificador no controlado y un condensador de filtro cuyo coste y complejidad es mucho menor que la del rectificador controlado y la voluminosa inductancia de aislamiento que constituye la fuente de corriente en un generador paralelo.
Sin embargo, existen algunos inconvenientes frente al generador paralelo como son:


  • La regulación de salida es menos precisa sobre todo a bajas cargas.

  • La protección ante cortocircuitos es la carga es más complicada.


1.6.4 Generadores con transistores.
El uso de transistores permite un mayor control y rapidez de los procesos de conmutación de tal modo que estos generadores pueden trabajar a mayores frecuencias que los generadores con tiristores.
En la actualidad existen diferentes tipos de transistores útiles para las aplicaciones de calentamiento por inducción y que cubren las diferentes gamas de potencia y frecuencia.
Estos son el transistor bipolar, usualmente con estructura Darlington, el transistor IGBT y el transistor MOS.
En el cuadro siguiente se muestraza capacidad actual de los generadores transistorizados frente a los que usan tiristores para el caso de carga paralelo.


Figura 1.10. Capacidad actual de generadores con tiristores y transistores.

1.6.5. Tipos de generadores en relación con la aplicación.
Como ya se citó en el apartado 1.3, las siguientes aplicaciones del calentamiento por inducción caracterizan por si mismas la potencia y frecuencia del generador que ha de instalarse en cada caso. En la siguiente tabla se muestran las gamas de potencia y frecuencia que requieren las distintas aplicaciones así como el tipo de generador usado.
La utilización de generadores con válvula o tubo electrónico aparece indicada para ciertas aplicaciones aunque hay en día sean sustituidos en la prácticamente mayoría de los casos por generadores transistorizados.

Figura 1.11. Tipos de generadores y gamas de potencia y frecuencia en función de la aplicación.

Apéndice
Endurecimiento por inducción
Este proceso depende, para su operación, del calentamiento localizado que producen las corrientes inducidas en un metal bajo la acción de un campo magnético rápidamente cambiante. La operación es semejante a la de un transformador en el cual el primario o bobina de trabajo está constituido por varias vueltas de tubo capilar de cobre enfriadas por agua, y la pieza que va a endurecerse desempeña el papel del secundario de un aparato de inducción de alta frecuencia.
Cuando la corriente alterna de alta frecuencia pasa por la bobina de trabajo o primario, se forma un campo magnético de alta frecuencia, el cual induce corrientes parásitas de alta frecuencia y corrientes de histéresis en el metal. El calentamiento resulta de la resistencia del metal al paso de estas corrientes. Las corrientes inducidas de alta frecuencia tienden a viajar por la superficie del metal, lo cual se conoce como efecto piel; por tanto, es posible calentar una capa poco profunda del acero sin calentar el interior. Sin embargo, el calor aplicado a la superficie tiende a fluir hacia el centro por conducción; de este modo, el tiempo de calentamiento es un factor importante para controlar la profundidad de la zona endurecida.
En los procesos por lote, la temperatura generalmente se controla especificando en forma automática el tiempo por ciclo. En los procesos continuos, la velocidad de pasaje de la pieza a través de las bobinas se ajusta para obtener la temperatura requerida. Debido a que estos métodos de control de temperatura son indirectos, las condiciones que producen la profundidad requerida de la superficie endurecida suelen determinarse experimentalmente. Un pirómetro de radiación puede utilizarse para medir y controlar la temperatura real de la pieza y mejorar la uniformidad del endurecimiento.
Los aceros al carbono con un contenido intermedio de carbono se emplean para la mayoría de las aplicaciones, sobre todo para producir superficies endurecidas delgadas. El carbono se disuelve completamente aun en el corto tiempo requerido para calentar el acero hasta la temperatura de templado. Los aceros aleados también pueden endurecerse por inducción y son necesarios particularmente cuando se requieren superficies endurecidas profundas. Los aceros de baja aleación se endurecen fácil y superficialmente mediante este método, pero los aceros altamente aleados son mas lentos y pueden necesitar un aumento de temperatura a fin de lograr la estructura deseada para un endurecimiento satisfactorio; sin embargo, debido al rápido calentamiento, los aceros aleados pueden calentarse a temperaturas mayores mediante el endurecimiento por inducción, más que por medio de los métodos convencionales, sin peligro de un excesivo crecimiento del grano. Las piezas de acero endurecidas en su superficie por inducción generalmente sufren menor distorsión total que si se hubieran templado después de calentarlas en un horno. La micro estructura del acero antes del endurecimiento por inducción es importante para seleccionar el ciclo de calentamiento que se va a emplear. Las estructuras que después del templado y revenido tienen los carburos pequeños uniformemente dispersos se austenizan más fácilmente; en consecuencia, se pueden obtener superficies endurecidas de poca profundidad con máxima dureza superficial mediante grandes rapideces de calentamiento. Las estructuras perlita-ferrita, típicas de aceros normalizados, laminados en caliente y recocidos con 0,40 a 0,50 % de carbono, también responden de forma satisfactoria al endurecimiento por inducción.
Las piezas típicas que se han endurecido por inducción son varillas para pistón, flechas para bomba, engranes para rueda dentada y levas.

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