O aquecimento por indução de peças metálicas para efeito de tratamento térmico é, hoje, largamente utilizado e é composto de cinco elementos básicos (Fig. 1.).
1. Conversor estático de frequência;
2. Bobina de indução ou indutor;
3. Sistema de controle eletrônico (PLC /CNC);
4. Sistema de posicionamento e movimentação da peça obra;
5. Sistema de recirculação da água de resfriamento.
Vamos tratar neste artigo do principal elemento, que é o conversor estático de frequência ou gerador de potência, como é popularmente conhecido.
Com a invenção dos componentes semicondutores foi possível a criação de geradores estáticos de frequência que transformam a energia elétrica da rede, de tensão e frequência fixas em uma potencia controlada e de maior frequência, como veremos a seguir. Abaixo, temos um circuito elétrico básico que mostra um conversor típico em que a tensão de entrada em frequência de rede de 60Hz é primeiramente retificada através de uma ponte de diodos ou tiristores, em corrente contínua e, em seguida, novamente alternada através de um oscilador a tiristores (SCR) ou transistores (IGBT/Mof-Fet) para uma frequência mais alta em níveis que desejamos, de acordo com o processo de aquecimento no qual será aplicada. Normalmente, são utilizados transformadores isoladores para se ter um separação entre a rede elétrica e o indutor onde se produz o aquecimento para maior segurança.
Essa conversão de energia é feita de modo controlado, hoje através de sistemas microprocessados, obtendo-se dessa forma uma variação de tensão e potência de saída desde 10% a 100%, de forma contínua, ajustável e regulada mesmo sob variação da tensão da rede.
Esses conversores estáticos têm várias configurações, sendo principalmente o conversor tipo série e o tipo paralelo. Cada um deles tem suas vantagens e desvantagens dependendo da aplicação. Portanto, antes de se especificar um conversor deve-se primeiramente determinar as condições de uso e processo, de forma a se escolher a melhor opção que proporcionará um ótimo controle de processo e uma maior eficiência energética.
Os equipamentos mais modernos têm um rendimento de conversão de energia bastante elevado da ordem de 95% e, quando utilizados de forma correta, em conjunto com os indutores, têm um alto rendimento, diminuindo os custos de operação.
Atualmente, os conversores estáticos de frequência têm potência desde 1kW até 20MW, e dependendo da potência e frequência em que irão operar utilizam componentes eletrônicos distintos.
Nos conversores de baixa frequência, ou seja, de 60Hz até 10kHz, ainda são utilizados os tiristores (SCR) com vantagem econômica, porém, com o aperfeiçoamento dos módulos IGBT esses passaram a ser largamente utilizados.
Nas frequências acima de 10kHz e até 100kHz se utilizam os módulos IGBT devido à sua capacidade de chaveamento em altas frequências.
Nas frequências superiores são utilizados transistores Mos-Fet que permitem chaveamento a frequências de 450kHz ou superiores e este é o limite nas aplicações mais comuns de aquecimento por indução.
Frequências acima de 450kHz e na faixa de MHz são utilizadas em casos especiais onde a corrente de penetração tem que ser muito pequena, ou seja, aquecimento extrassuperficial, contudo os conversores estáticos para essas frequências ainda têm custo muito elevado, não se justificando para aplicações simples de tratamento térmico. Nesse caso, ainda são utilizados geradores a válvula termo iônica que permitem frequências de até 5MHz. Ao lado (Fig. 6) temos um circuito elétrico básico que mostra um conversor típico onde a tensão de entrada em frequência de rede de 60Hz é primeiramente retificada através de uma ponte.
A Fig. 9 mostra o uso dos diversos tipos de componentes eletrônicos para chaveamento de acordo com a frequência do conversor, contudo, devido ao crescente avanço nas tecnologias de desenvolvimento e fabricação desses componentes há uma mudança progressiva nessa tabela.
Nos processos de têmpera e revenimento por indução mais comuns são utilizadas potências que variam normalmente entre 15kW e 350kW e frequências entre 3kHz e 450kHz. Nessa faixa se concentram 80% dos casos. Muitos são os fabricantes desses conversores e cada um possui sua própria técnica e especialidade, porém, os preceitos físicos básicos são válidos para todos e devem ser conhecidos e explorados antes de se fazer a escolha.
Vamos imaginar uma aplicação de aquecimento para têmpera de um eixo cilíndrico onde se quer fazer o processo com aquecimento do comprimento total e com determinada profundidade de camada tratada. Nesse caso se encontrou, através de cálculos prévios, a necessidade de 100kW de potência na peça e uma frequência de 50kHz. Devemos, então, adicionar agora todas as possíveis perdas no indutor e na transmissão de potência até a saída do conversor estático, chegando-se na potência nominal necessária. Usualmente se determina esse cálculo a uma condição de utilização de 80 a 85%, de capacidade total, de forma que sempre tenhamos uma folga para casos extremos de necessidade.
No caso de considerarmos 100kW na peça e um rendimento da bobina indutora de 80%, uma perda de transmissão do conversor até a bobina da ordem de 10% e o coeficiente de utilização de 85% devemos escolher um conversor estático de 163kW de potência máxima ou o modelo mais próximo dessa especificação.
Pmáxima= Potência necessária na peças
rendimento bobina x utilização x perdas transmissão
Pmáxima = 100/ 0.85 x 0.80 x 0.90 = 163 kW
Uma vez escolhido o conversor correto, podemos passar para os outros itens de nosso sistema, e um dos fatores mais importantes para a operação e manutenção dos conversores estáticos de frequência é o seu resfriamento, que é necessário para eliminar o calor gerado nos componentes eletroeletrônicos internos. Principalmente em locais com temperatura ambiente elevada temos que prever um sistema de refrigeração adequado para o equipamento escolhido. Esse resfriamento também será utilizado para o circuito tanque e em alguns casos para a própria bobina de aquecimento. Esse dimensionamento deve obedecer determinadas regras básicas que trataremos em outra oportunidade.
Os demais elementos do sistema de aquecimento por indução para Tratamento Térmico são igualmente importantes e requerem cuidados em seu dimensionamento. Serão, portanto, descritos e explicados na segunda parte deste artigo para a próxima edição da revista.
