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EuroWire – Mayo de 2007
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español
la resistividad del conductor, de la
frecuencia de la corriente alterna y de la
efectiva permeabilidad del conductor.
La profundidad efectiva de penetración
de la corriente, en formamétrica, se obtiene
con la fórmula:
En esta fórmula:
p = profundidad de penetración de la
corriente
r = resistividad en microohmios
centímetros
µ = permeabilidad efectiva
(µ = 1 para materiales no magnéticos)
Seleccionando la frecuencia correcta, se
puede controlar la cantidad de material
calentada: con altas frecuencias se
obtendrán niveles bajos de penetración
efectiva, mientras que se obtendrá una
penetración más profunda con frecuencias
más bajas.
Aplicando
nuestra
formula,
aproxi-
madamente un 90% del calor total se
produce en la capa de penetración “p”, con
capas interiores calentadas por conducción
a través del material. Sin embargo, para
obtener un calentamiento óptimo a través
de todo el material, se debe evitar que
las corrientes opuestas que fluyen por
las superficies opuestas del conductor
se sobrepongan, porque en este caso se
anularía la corriente.
Normalmente “p” debería ser menos de
la mitad del radio del conductor, aunque
esta regla no se aplica siempre.
Además, se utilizan distintas profundi-
dades de penetración de corriente para
diferentes materiales y temperaturas a
varias frecuencias.
En el proceso de calentamiento por
inducción, un componente de metal
situado dentro o cerca de una bobina de
inducción se calienta debido al paso de
una corriente de inducción a través de
la bobina, que a su vez, introduce otra
corriente dentro del componente.
El calor es generado por la resistencia
a esta corriente inducida, según la ley
I²R (donde I = Corriente y R = Resistencia)
y también por pérdida por histéresis en
materiales magnéticos: un efecto que
desaparece a la temperatura de Curie
(aprox. 1.400°F / 760°C).
Selección de la potencia (para alambre
calentado completamente)
Después de seleccionar la frecuencia
correcta y las unidades de potencia
adecuadas, lo siguiente es considerar los
requisitos de potencia; lo primero será
determinar el contenido de calor del
conductor. El contenido de calor de un
alambre en movimiento es simplemente
una función de la productividad, del calor
específico y del aumento de temperatura.
Sin embargo, este cálculo aparentemente
simple,
es
complicado
porque
el
calor específico varía al aumentar la
temperatura. Tomando como ejemplo un
acero de medio contenido de carbono,
el calor específico varía en función de un
factor de 1,3 entre 68°F (20°C) y 1.022°F
(550°C), y 1,5 entre 68°F (20°C) y 1.652°F
(900°C).
Por lo tanto, para determinar el contenido
de calor necesario para calentar acero al
carbono a 1.022°F (550°C) y 1.652°F (900°C),
como regla empírica aproximativa, se
pueden usar valores de calor específico
de 0,58 y 0,63.
Con esta regla, el contenido de calor del
alambre calentado a 1.022°F (550°C) será
2,31 x lb/min (1,05 x kg/min), mientras
que a 1.652°F (900°C) será 4,27 x lb/min
(1,94 x kg/min) con el resultado expresado
en kW. Tras determinar el contenido de
calor del producto, el paso siguiente es
determinar la salida de potencia de la
unidad de potencia seleccionando el
rendimiento térmico correspondiente a la
salida de la unidad de potencia.
Rendimiento térmico
Un sistema de inducción típico consiste
en una unidad de potencia, una bobina
de calentamiento y los equipos necesarios
para “acoplar” la bobina de calentamiento
(y el alambre procesado) a la unidad de
potencia. La unidad de potencia puede
ser un convertidor, un invertidor o un
generador.
Esta unidad permite convertir una
alimentación trifásica de 50 ó 60 Hz a una
frecuencia de salida nominal de entre
250Hz y 800kHz en una sola fase con
salidas de potencias de 1kW a 4MW en
una amplia gama de combinaciones de
frecuencias de potencia, y con la posibilidad
de combinaciones de doble frecuencia.
Estas unidades de potencia pueden ser de
tiristores o transistores.
La bobina de calentamiento que se usa
para calentar alambres consiste en un tubo
de cobre enrollado en espiral.
El tubo puede ser redondo, cuadrado o
rectangular, y a menudo presenta bandas
de cobres soldadas en el diámetro interno
de la espiral. La longitud de la bobina, su
diámetro interno, número de espiras y el
porcentaje de cobre respecto al espacio
libre a lo largo del diámetro interno de la
espiral son todos parámetros importantes
para el rendimiento del sistema.
Todas las unidades de potencia funcionan
en una banda de frecuencia de, por
ejemplo, 7-11kHz, 20-25kHz, y 40-50kHz
para frecuencias de salida nominales
de unidades de 10kHz, 25kHz y 50kHz
respectivamente.
Para que el sistema funcione dentro de esta
banda, se pueden variar la inductancia de
la bobina, la tensión de funcionamiento
de la bobina y la capacidad (KVAR) del
circuito tanque (resonante) de la unidad
de potencia para cumplir requisitos
específicos de dimensiones del alambre,
materiales, velocidades de producción y
temperaturas.
Figura 1
.
Línea de proceso de temple y revenido de alambre
▼
F
r
μ
π ρ
10
20
1
=