Como um aquecedor por indução funciona e funciona

O princípio de funcionamento de um aquecedor por indução consiste em aquecer uma peça de metal eletricamente condutora por meio de uma corrente de Foucault fechada induzida nela.

As correntes parasitas são correntes que surgem em fios sólidos devido ao fenômeno da indução eletromagnética quando esses fios são penetrados por um campo magnético alternado. A energia é usada para criar essas correntes, que é convertida em calor e aquece os fios.

Para reduzir essas perdas e eliminar o aquecimento, em vez de fios sólidos, são usados ​​fios em camadas, nos quais as camadas individuais são separadas por isolamento. Este isolamento evita a ocorrência de grandes correntes parasitas fechadas e reduz as perdas de energia para mantê-las. É por essas razões que os núcleos de transformadores, armaduras de geradores, etc., são feitos de finas chapas de aço isoladas umas das outras por camadas de verniz.

O indutor em um aquecedor de indução é uma bobina de corrente alternada projetada para criar um campo eletromagnético alternado de alta frequência.

O campo magnético alternado de alta frequência, por sua vez, atua sobre um material eletricamente condutor, causando nele uma corrente fechada de alta densidade e, assim, aquecendo a peça até que ela derreta. Este fenômeno é conhecido há muito tempo e tem sido explicado desde a época de Michael Faraday, que descreveu fenômeno da indução eletromagnética em 1931

O campo magnético variável no tempo induz uma EMF alternada no condutor, que se cruza com suas linhas de força. Esse fio geralmente pode ser um enrolamento de transformador, um núcleo de transformador ou uma peça sólida de algum metal.

Se o EMF for induzido na bobina, um transformador ou receptor é produzido e, se diretamente no circuito magnético ou em um curto-circuito, é produzido o aquecimento por indução do circuito magnético ou da bobina.

Em um transformador mal projetado, por exemplo, aquecimento do núcleo por correntes de Foucault seria inequivocamente prejudicial, mas em um aquecedor de indução tal fenômeno serve a um propósito útil.

Do ponto de vista da natureza da carga, um aquecedor de indução com uma parte condutora aquecida é como um transformador com um enrolamento secundário em curto-circuito de uma volta. Como a resistência dentro da peça de trabalho é extremamente pequena, mesmo um pequeno campo elétrico parasita induzido é suficiente para criar uma corrente de densidade tão alta que seu efeito térmico (cf. A lei de Joule-Lenz) seria muito expressivo e prático.

O primeiro forno de canal desse tipo apareceu na Suécia em 1900, era alimentado com corrente com frequência de 50-60 Hz, era usado para derreter o canal de aço e o metal era alimentado em um cadinho disposto em rotação de cadeia curta do enrolamento secundário de um transformador.O problema de eficiência estava obviamente presente, pois a eficiência era inferior a 50%.

Hoje, um aquecedor por indução é um transformador sem fio que consiste em uma ou mais voltas de um tubo de cobre relativamente grosso, através do qual o refrigerante de um sistema de resfriamento ativo é bombeado por meio de uma bomba. Uma corrente alternada com frequência de vários kilohertz a vários megahertz é aplicada ao corpo condutivo do tubo, como um indutor, dependendo dos parâmetros da amostra que está sendo processada.

O fato é que em altas frequências a corrente parasita é deslocada da amostra aquecida pela própria corrente parasita, porque o campo magnético dessa corrente parasita desloca a corrente que foi gerada em direção à superfície.

Isso se manifesta como efeito de pele, quando a densidade de corrente máxima é o resultado da superfície da peça de trabalho caindo em uma camada fina, e quanto maior a frequência e menor a resistência elétrica do material aquecido, mais fina é a camada da casca.

Para o cobre, por exemplo, a 2 MHz, a pele tem apenas um quarto de milímetro! Isso significa que as camadas internas do tarugo de cobre não são aquecidas diretamente por correntes parasitas, mas por condução de calor de sua fina camada externa. No entanto, a tecnologia é eficiente o suficiente para aquecer ou derreter rapidamente quase qualquer material eletricamente condutor.

Aquecedores de indução modernos estão sendo construídos baseado em um circuito oscilante (bobina-indutor e capacitor) alimentado por um inversor ressonante incluído IGBT ou MOSFET — transistorespermitindo atingir frequências de operação de até 300 kHz.

Para frequências mais altas, são utilizados tubos de vácuo, que possibilitam atingir frequências de 50 MHz e superiores, por exemplo, para derreter joias, são necessárias frequências bastante altas, pois o tamanho da peça é muito pequeno.

Para aumentar o fator de qualidade dos circuitos de trabalho, eles recorrem a uma de duas maneiras: aumentar a frequência ou aumentar a indutância do circuito adicionando inserções ferromagnéticas à sua construção.

O aquecimento dielétrico também é realizado usando um campo elétrico de alta frequência na indústria. A diferença do aquecimento por indução são as frequências de corrente usadas (até 500 kHz com aquecimento por indução e mais de 1000 kHz com dielétrico). Nesse caso, é importante que a substância a ser aquecida não conduza bem a eletricidade, ou seja, era um dielétrico.

A vantagem do método é a geração de calor diretamente no interior da substância. Nesse caso, substâncias pouco condutoras podem aquecer rapidamente por dentro. Para mais detalhes veja aqui: Fundamentos físicos fundamentais dos métodos de aquecimento dielétrico de alta frequência