Come funziona e funziona un riscaldatore a induzione

Il principio di funzionamento di un riscaldatore a induzione consiste nel riscaldare un pezzo metallico elettricamente conduttivo mediante una corrente parassita chiusa indotta in esso.

Le correnti parassite sono correnti che si generano nei fili pieni a causa del fenomeno dell'induzione elettromagnetica quando questi fili sono attraversati da un campo magnetico alternato. L'energia viene utilizzata per creare queste correnti, che viene convertita in calore e riscalda i fili.

Per ridurre queste perdite ed eliminare il riscaldamento, invece di fili pieni, vengono utilizzati fili a strati, in cui i singoli strati sono separati dall'isolamento. Questo isolamento impedisce il verificarsi di grandi correnti parassite chiuse e riduce le perdite di energia per mantenerle. È per questi motivi che i nuclei dei trasformatori, gli indotti dei generatori, ecc., sono costituiti da sottili lamiere di acciaio isolate tra loro da strati di vernice.

L'induttore in un riscaldatore a induzione è una bobina di corrente alternata progettata per creare un campo elettromagnetico alternato ad alta frequenza.

Il campo magnetico alternato ad alta frequenza, a sua volta, agisce su un materiale elettricamente conduttivo, provocando in esso una corrente chiusa ad alta densità e riscaldando così il pezzo fino a fonderlo. Questo fenomeno è noto da molto tempo ed è stato spiegato fin dai tempi di Michael Faraday, che lo descrisse fenomeno di induzione elettromagnetica nel lontano 1931

Il campo magnetico variabile nel tempo induce un EMF alternato nel conduttore, che si interseca con le sue linee di forza. Tale filo può generalmente essere un avvolgimento del trasformatore, un nucleo del trasformatore o un pezzo solido di metallo.

Se l'EMF viene indotto nella bobina, viene prodotto un trasformatore o un ricevitore e, se direttamente nel circuito magnetico o in un cortocircuito, viene prodotto il riscaldamento per induzione del circuito magnetico o della bobina.

In un trasformatore mal progettato, per esempio, riscaldamento del nucleo mediante correnti di Foucault sarebbe inequivocabilmente dannoso, ma in un riscaldatore a induzione un tale fenomeno ha uno scopo utile.

Dal punto di vista della natura del carico, un riscaldatore a induzione con una parte conduttiva riscaldata al suo interno è come un trasformatore con un avvolgimento secondario cortocircuitato di un giro. Poiché la resistenza all'interno del pezzo è estremamente piccola, anche un piccolo campo elettrico parassita indotto è sufficiente per creare una corrente di densità così elevata che il suo effetto termico (cfr. La legge di Joule-Lenz) sarebbe molto espressivo e pratico.

Il primo forno a canale di questo tipo apparve in Svezia nel 1900, veniva alimentato con corrente con una frequenza di 50-60 Hz, veniva utilizzato per fondere canale in acciaio e il metallo veniva immesso in un crogiolo disposto a rotazione a catena corta dell'avvolgimento secondario di un trasformatore.Il problema dell'efficienza era ovviamente presente poiché l'efficienza era inferiore al 50%.

Oggi, un riscaldatore a induzione è un trasformatore wireless costituito da una o più spire di un tubo di rame relativamente spesso attraverso il quale viene pompato il refrigerante di un sistema di raffreddamento attivo tramite una pompa. Una corrente alternata con una frequenza da diversi kilohertz a diversi megahertz viene applicata al corpo conduttivo del tubo, come un induttore, a seconda dei parametri del campione in lavorazione.

Il fatto è che alle alte frequenze la corrente parassita viene spostata dal campione riscaldato dalla corrente parassita stessa, perché il campo magnetico di questa corrente parassita sposta la corrente che si è generata verso la superficie.

Questo si manifesta come effetto pelle, quando la massima densità di corrente è il risultato della superficie del pezzo in lavorazione che cade su uno strato sottile, e maggiore è la frequenza e minore è la resistenza elettrica del materiale riscaldato, più sottile è lo strato del guscio.

Per il rame, ad esempio, a 2 MHz, la pelle è solo un quarto di millimetro! Ciò significa che gli strati interni della billetta di rame vengono riscaldati non direttamente da correnti parassite, ma per conduzione termica dal suo sottile strato esterno. Tuttavia, la tecnologia è abbastanza efficiente da riscaldare o fondere rapidamente quasi tutti i materiali elettricamente conduttivi.

Sono in costruzione moderni riscaldatori a induzione basato su un circuito oscillante (bobina-induttore e condensatore) alimentato da un inverter risonante incluso IGBT o MOSFET — transistorpermettendo di raggiungere frequenze operative fino a 300 kHz.

Per frequenze più elevate vengono utilizzati tubi a vuoto, che consentono di raggiungere frequenze di 50 MHz e superiori, ad esempio, per la fusione di gioielli, sono richieste frequenze piuttosto elevate, poiché la dimensione della parte è molto piccola.

Per aumentare il fattore di qualità dei circuiti di lavoro, ricorrono a uno dei due modi: aumentare la frequenza o aumentare l'induttanza del circuito aggiungendo inserti ferromagnetici alla sua costruzione.

Anche il riscaldamento dielettrico viene effettuato utilizzando un campo elettrico ad alta frequenza nell'industria. La differenza rispetto al riscaldamento a induzione sono le frequenze di corrente utilizzate (fino a 500 kHz con riscaldamento a induzione e oltre 1000 kHz con dielettrico). In questo caso è importante che la sostanza da riscaldare non conduca bene l'elettricità, cioè era un dielettrico.

Il vantaggio del metodo è la generazione di calore direttamente all'interno della sostanza. In questo caso, le sostanze scarsamente conduttive possono riscaldarsi rapidamente dall'interno. Per maggiori dettagli vedi qui: Fondamenti fisici fondamentali dei metodi di riscaldamento dielettrico ad alta frequenza