Circuito de Aquecimento por Indução: Princípios, Projeto e Aplicações da Bobina de Trabalho

1. Princípio de Funcionamento do Aquecedor por Indução

O circuito de aquecimento por indução aquece materiais condutores sem contato, usando campo magnético de alta frequência para aquecer cerâmicas ferromagnéticas e metais. Adequado para fusão e forjamento de aço e alumínio; comercialmente usado em brasagem, soldagem e tratamento térmico.

Intrigante de construir: não precisa de elemento de aquecimento por indução separado. O dispositivo assemelha-se a um cooktop por indução que mantém a temperatura. Este guia explica a construção de circuitos de aquecimento por indução. O circuito primário é fácil e usa componentes padrão.

Segundo a lei de Faraday, a indução eletromagnética: alternar o condutor no campo elétrico gera campo magnético alternado. No processo, a frequência move-se mais rápido que os elétrons no ferro, causando corrente reversa — a corrente de Foucault (eddy current).

Pelo desenvolvimento de alta corrente de Foucault, o ferro aquece. O princípio funciona vice-versa quando o campo magnético muda no condutor. Calor extremo = I² × R (ferro). Resistividade do ferro = 97 nΩ·m.

Como o calor equivale à frequência de operação, transformadores de porta comuns não funcionam em aplicações de aquecimento por indução de alta frequência. O princípio de Joule: após a corrente passar pelo material, gera materiais magnéticos. Projetos simples sintonizam na frequência de ressonância da bobina de cobre e banco de capacitores, semelhante ao circuito tanque (tank circuit).

A fonte RF de estado sólido aplica-se à bobina indutora e ao material a aquecer.

2. Elementos do Circuito de Aquecimento por Indução

2.1 Materiais

• Casamento de impedância: A capacidade da fonte de aquecimento por indução é similar a dispositivos de geração anterior. Por ter CA e tensão máxima, a impedância de potência e carga devem ser próximas para entregar potência total à peça. Circuitos de controle de casamento de impedância fazem tensão, corrente e potência atingirem limites máximos. Útil também em transformadores elétricos.
• Fonte de alimentação: Parte essencial do sistema. Classificada por faixa de frequência de operação e potência. Tipos: multiplicadores de frequência, conversores de centelha (spark-gap), inversores de tensão.
• Tanque de ressonância: Indutores e capacitores em paralelo com frequência de ressonância. No capacitor do tanque, a fonte fornece energia que oscila entre capacitor (energia eletrostática) e indutor (energia eletromagnética). A transferência de energia é amortecida por perdas no indutor, carga e capacitor. O banco de capacitores fornece capacitância necessária para atingir frequência de ressonância compatível com a fonte.

• Indutores do aquecedor por indução

2.2 Projeto da Bobina de Trabalho (Work Coil)

A bobina é tubulação de cobre conformada que aplica potência de várias formas. A corrente indutiva no material iguala-se ao número de espiras. Para eficiência e eficácia do padrão de aquecimento, o projeto da bobina primária é essencial.

É material condutor pelo qual passa CA para criar campo magnético. Componentes condutores e peças metálicas ficam dentro, ao lado ou através da bobina — nunca tocam o anel, mas geram indução magnética no metal criando calor.

Bobinas geralmente funcionam como indutores de cobre refrigerados a água. Existem vários formatos conforme aplicação; a bobina helicoidal multi-espiras é a mais comum. Com o anel, a largura do padrão de aquecimento é determinada pelo número de espiras. Espiras únicas servem para aquecimento de ponta de material, silício ou banda estreita. Bobinas helicoidais multi-posição aquecem múltiplas peças. Anéis internos aquecem furos internos; bobinas panqueca aquecem apenas um lado do material.

Condições a Considerar

1. Em materiais magnéticos, a bobina gera calor pelo efeito de histerese e corrente de Foucault.
2. Próximo à conexão de bobinas separadas, o fluxo magnético é menor. O centro ID da bobina nunca está no centro do calor de indução.
3. Para aumentar eficiência, reduza a distância entre bobina panqueca e carga.
4. Se a peça estiver no centro da bobina, acople-a ao campo magnético/fio. Se descentralizada, a área mais próxima das espiras recebe mais calor.
5. Para dimensionar a potência da bobina, considere convecção, radiação e perda de calor por condução.
6. Quanto maior a frequência crítica da CA, menor a profundidade de penetração do aquecimento.
7. Materiais com maior frequência de ressonância aquecem mais rápido.

Eficiência da Bobina

Eficiência = energia transferida à carga pela bobina bifilar / energia transmitida à bobina

Modificação da Bobina Conforme Aplicação

Embora o aquecimento uniforme seja desejado, o perfil não é constante em muitas aplicações. Duas formas de modificar:

1. Desacoplar curvas onde a bobina helicoidal tem seção transversal maior.
2. Aumentar espaçamento entre espiras onde a seção transversal é maior.

Situação similar ao aquecer superfícies planas com grande bobina panqueca: áreas externas recebem menos calor que o centro. Para evitar, aumente o espaço entre objeto plano e superfície da bobina conectando padrão cônico à bobina panqueca.

Tipos de Bobinas de Aquecimento

Bobinas de Canal (Channel Coils)

Usadas quando o tempo de aquecimento não é curto nem longo, exigindo níveis de potência relativamente baixos. Várias bobinas passam a velocidade constante para atingir pressão máxima na saída. Extremidades dobradas para entrada/saída. Para aquecimento de perfil em ferro, usa-se concentrador de fluxo tipo placa com bobinas de canal multi-espiras.

Bobina Dupla Deformada

Para temperatura uniforme, aquecimento de pontas de eixo e brasagem. Lados inclinados ajudam no aquecimento uniforme. Para efeito magnético, atente ao caminho de ambas bobinas panqueca onde os enrolamentos primários formam.

Bobina de Retorno Dividido (Split-Return)

Para soldagem de plástico, metal e banda estreita dopada com cerâmicas ferromagnéticas. Induz alta corrente na área de solda, dividindo-a em duas. O aquecimento indutivo no caminho de solda é maior que nas outras partes do objeto.

Projeto de Terminais (Leads) para Bobinas de Indução

Embora curtos, os terminais são essenciais no circuito tanque e bobina de calor por possuírem indutância finita. O diagrama mostra o circuito da estação de calor de um circuito de ressonância. C = capacitor de ressonância na estação; L = indutância total dos terminais da bobina; V = tensão de entrada total da fonte de indução para o trabalho do circuito.

Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:FET_Armstrong_oscillator.svg

Concentrador de Fluxo

Material de baixa condutividade elétrica e alta permeabilidade que amplifica o fluxo/campo magnético na carga de aquecimento. Melhora a eficiência térmica em baixo nível de potência.

Dedução de Indutância dos Terminais

Indústrias usam bobinas de alta indutância em baixa frequência porque L-terminal é menor que L-bobina.

3. Exemplo de Exibição do Circuito de Aquecimento por Indução

Abaixo, diagrama e configuração do circuito de aquecimento por indução.

Conclusão

Comparado a vários dispositivos eletrônicos, aparelhos de aquecimento por indução oferecem mais eficiência, melhor controle e velocidade. O nível de eficiência depende da qualidade da construção e implementação.

O circuito fornece método rápido, limpo e não poluente de aquecimento. Com os diagramas, o funcionamento e projeto do circuito tanque e bobina de indução tornam-se fáceis de construir e testar. Estamos à disposição para dúvidas.