Cos'è il riscaldamento a induzione?
Il riscaldamento a induzione si basa sulla fornitura di energia tramite induzione elettromagnetica.
Una bobina, opportunamente dimensionata, posta vicino alle parti metalliche da riscaldare, attraversata da corrente alternata ad alta o media frequenza, induce nel pezzo in lavorazione correnti (correnti parassite) la cui intensità può essere controllata e modulata.
Il riscaldamento avviene senza contatto fisico, coinvolge solo le parti metalliche da trattare ed è caratterizzato da un trasferimento di energia altamente efficiente senza dispersione di calore.
La profondità di penetrazione delle correnti generate è direttamente correlata alla frequenza operativa del generatore utilizzato; più alta è la frequenza, più le correnti indotte si concentrano sulla superficie. In questo caso, l'omogeneità del riscaldamento su una massa rilevante può essere ottenuta grazie al principio della conduzione termica, che permette al calore di propagarsi in profondità.
Principali Applicazioni del Riscaldamento a Induzione
- Brasatura forte
- Saldatura a stagno
- Trattamenti termici (tempra, ricottura, rinvenimento, ecc.)
- Fusione (metalli ferrosi e non ferrosi)
- Forgiatura
- Montaggio a interferenza
Benefici e Vantaggi del Riscaldamento a Induzione
Il riscaldamento a induzione è ampiamente utilizzato nelle applicazioni industriali e consente di ottenere:
- Riduzione dei tempi di riscaldamento
- Riscaldamento localizzato
- Consumo energetico efficiente
- Processo di riscaldamento controllabile e ripetibile
- Miglioramento della qualità del prodotto
- Sicurezza per l’operatore
- Miglioramento delle condizioni di lavoro
Come funziona il riscaldamento a induzione?
Il fenomeno del riscaldamento per induzione elettromagnetica si basa su tre principi fisici, descritti di seguito:
- Trasferimento di energia dall’induttore al pezzo da riscaldare tramite campi elettromagnetici.
- Trasformazione dell’energia elettrica in calore per effetto Joule. (P=I²R)
- Trasmissione del calore all’interno della massa per conduzione termica.
Il campo elettromagnetico è generato dalla corrente che attraversa la bobina.
Se la bobina ha una forma a solenoide, l’intensità del campo elettromagnetico è proporzionale anche al numero di spire della bobina.
Su un pezzo posto all’interno o vicino alla bobina di riscaldamento si generano correnti parassite, chiamate anche correnti indotte o correnti di Foucault.
Secondo la Legge di Laplace, l’intensità del campo magnetico è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla bobina.
Secondo la Legge di Faraday-Lenz, la corrente indotta generata nel pezzo è proporzionale alla velocità di variazione del flusso magnetico (frequenza).
Le correnti di Foucault sono correnti indotte nei conduttori che si oppongono alla variazione del flusso che le ha generate. Esse si creano quando un conduttore è esposto a un campo magnetico variabile.
Queste correnti circolari generano campi magnetici indotti che si oppongono alla variazione del campo magnetico originale secondo la legge di Lenz, causando forze repulsive o di trascinamento tra il conduttore e la bobina.
Più forte è il campo magnetico applicato, maggiore è la conducibilità elettrica del conduttore o più rapida è la variazione del campo, maggiore sarà la corrente generata.
L’energia indotta nel pezzo da riscaldare è quindi funzione di:
- Intensità di corrente nella bobina
- Frequenza operativa
- Forma della bobina e distanza dal pezzo
- Permeabilità magnetica e resistività del pezzo (influenzate dalla temperatura target e dalla temperatura di Curie nei materiali magnetici)
Effetto pelle
L'effetto pelle è la tendenza di una corrente elettrica alternata (AC) a distribuirsi all'interno di un conduttore con una densità di corrente maggiore vicino alla superficie e decrescente verso le profondità. L'effetto pelle è dovuto a correnti parassite opposte indotte dal campo magnetico variabile generato dalla corrente alternata. Pertanto, maggiore è la frequenza di lavoro, più il riscaldamento a induzione sarà concentrato sulla superficie esterna del pezzo.
Bobina per riscaldamento a induzione
È utilizzata per trasferire energia al pezzo. Il design della bobina è uno degli elementi più importanti del sistema ed è una vera e propria scienza. La bobina è progettata per:
- concentrare il riscaldamento solo dove necessario
- massimizzare l'efficienza del riscaldamento
- consentire l'integrazione nella macchina di produzione
Struttura e storia dei generatori di riscaldamento a induzione
Un riscaldatore a induzione è tipicamente composto da tre elementi
- Unità di Potenza (inverter/generatore): Questa parte del sistema serve a prendere la frequenza di rete e aumentarla fino a un intervallo tra 20 e 900 kHz. La potenza tipica in uscita di un'unità va da 2 a 500 kW.
- Testa di Lavoro: Contiene una combinazione di condensatori e trasformatori ed è utilizzata per adattare l'unità di potenza alla bobina di lavoro
- Bobina di Lavoro (induttore): Serve a trasferire energia al pezzo. Il design della bobina è uno degli elementi più importanti del sistema ed è una scienza a sé stante
Struttura classica - Generatore oscillatore a valvole (1970-1990)
La valvola termoionica a multi-elettrodo nel vuoto era il cuore del circuito auto-oscillante responsabile della creazione della corrente elettrica ad alta frequenza che scorre nella bobina.
Problemi:
- Instabilità della potenza in uscita: la potenza di uscita è influenzata dalle fluttuazioni della tensione di alimentazione, e il generatore non riesce a seguire la potenza impostata in caso di variazione del carico (es. riscaldamento oltre il Punto di Curie)
- Difficoltà nella regolazione della potenza
- Bassa efficienza (circa il 60%)
- Durata della valvola
- Altissima tensione anodica (pericolo per la sicurezza dell’operatore)
- Grandi dimensioni complessive
Struttura convenzionale (1990 – oggi) - Generatori a transistor a stato solido
Oggi l'uso di transistor MOSFET o IGBT ha sostituito l'impiego delle valvole a vuoto ed è diventato il cuore di tutti i generatori convenzionali per riscaldamento induttivo sul mercato.
Caratteristiche principali:
- Dimensioni complessive più ridotte rispetto ai generatori a valvole
- Maggiore efficienza
- Gamma di frequenza di lavoro più elevata
Problemi:
- Elevato flusso di corrente dal generatore alla testa di riscaldamento
- Instabilità della potenza in uscita in caso di fluttuazioni della tensione di rete o variazioni del carico
- L’uso del generatore convenzionale è possibile solo in processi di riscaldamento con ampie tolleranze ammesse.
Generatori per riscaldamento a induzione CEIA
Caratteristiche principali e differenze rispetto ai generatori convenzionali
- Controllo in tempo reale della generazione di potenza tramite microprocessore
- Design estremamente compatto
- Sensori di retroazione della tensione della bobina
- Testa di riscaldamento risonante (basso flusso di corrente dal generatore alla testa di riscaldamento)
- Mantiene una potenza in uscita stabile anche con variazioni delle condizioni di lavoro (rapporto di calibrazione)
- Unità di controllo specifica per la regolazione della potenza in uscita
- Certificazioni EMC e CE
Controllo preciso del ciclo attraverso la retroazione di:
- Tensione della bobina
- Corrente della bobina
- Fase di uscita RF
- Corrente in ingresso
- Pirometro ottico per il controllo della temperatura (80÷2200 °C) (175÷3990 °F)
Un totale di 5 parametri di retroazione per garantire un processo di riscaldamento preciso e costante.
Il sistema di riscaldamento induttivo CEIA permette un controllo della temperatura molto rapido e accurato. Sono adatti per processi industriali e automatici e sono installati anche su sistemi robotici dove è richiesto:
- Ripetibilità estremamente alta
- Nessuna tolleranza ammessa
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