Riscaldamento a induzione: tutto quello che avresti voluto sapere, ma non hai mai osato chiedere (febbraio 2018)

Domanda del mese: Stiamovalutando l'utilizzo dell'induzione per riscaldare materiali metallici compositi prima della saldatura per diffusione. Esistono problemi legati a un livello di rumore eccessivo? Avete riscontrato che alcune frequenze sono più rumorose di altre? In tal caso, disponete di una soluzione per contenere il livello di rumore?

Risposta: Nellastragrande maggioranza delle applicazioni di riscaldamento a induzione, il rumore industriale non raggiunge livelli apprezzabili. Pertanto, non vi è motivo di preoccuparsi di un rumore eccessivo, sebbene vi siano alcune eccezioni. Le frequenze più basse comportano in genere una corrente nella bobina più elevata, aumentando così le forze elettromagnetiche e la vibrazione delle spire della bobina. È quindi ragionevole aspettarsi che un sistema che utilizza la frequenza di rete (60 Hz) generi un rumore industriale di maggiore entità rispetto a uno che opera a 3 kHz o 30 kHz. Inoltre, i sistemi con una potenza in kW maggiore molto probabilmente genereranno anche più rumore. Pertanto, a parità di tutti gli altri fattori, un sistema da 500 kW può produrre più rumore rispetto a uno da 100 kW.

Quando si parla di rumore udibile, occorre tenere presenti i due fattori principali che influenzano l’impatto del rumore industriale sull’uomo: l’intensità e il livello di fastidio o disagio. Ad esempio, un rumore udibile a bassa frequenza (ad es. 50–60 Hz) potrebbe avere un’intensità maggiore, ma potrebbe non risultare altrettanto fastidioso all’orecchio umano rispetto a un rumore di intensità inferiore ma a frequenza più elevata (ad es. 1 kHz).

Di seguito sono elencate le quattro principali fonti di generazione di rumore durante il riscaldamento a induzione:

• Rumore generato dall'alimentatore.Sul mercato sono disponibili numerosimodelli di alimentatori. Per il riscaldamento a induzione, le combinazioni di potenza e frequenza che utilizzano inverter a modulo singolo variano dalla frequenza di rete a diverse centinaia di kHz, con livelli di potenza che superano i 1000 kW anche per frequenze nell'ordine degli 800 kHz. Le caratteristiche progettuali delle moderne fonti di alimentazione basate sulla tecnologia dei semiconduttori garantiscono un funzionamento pressoché silenzioso. Pertanto, il rumore proveniente dall'alimentatore non rappresenta solitamente un problema.
• Rumore generato dalle vibrazioni delle spire della bobina di rame.I due approcci principali alla realizzazione delle bobine di induzione possono essere classificati come “a avvolgimento aperto” o “incapsulati in materiale refrattario” [Rif. 1]. Il metodo a avvolgimento aperto consente una riparazione più agevole in caso di guasto, ma le spire della bobina devono essere fissate utilizzando perni e appositi dispositivi di fissaggio per eliminare o ridurre al minimo le vibrazioni e il rumore. Una bobina incapsulata che utilizza un materiale refrattario colabile (ad esempio, tipi speciali di cemento) offre maggiore resistenza e una durata più lunga, eliminando o riducendo drasticamente le vibrazioni delle spire di rame della bobina. Le bobine a induzione progettate correttamente non presentano livelli di rumore problematici.
• Rumore generato dalle vibrazioni del pezzo in lavorazione o da onde sonore risonanti (effetto di amplificazione).Se un pezzo in lavorazione è costituito da parti separate, queste potrebbero vibrare e produrre rumore. Per valutare questa possibilità, occorre esaminare la geometria specifica del pezzo. In alcune applicazioni di saldatura per diffusione è possibile applicare una pressione per ridurre al minimo la possibilità di vibrazioni dei singoli componenti. Nel riscaldamento a induzione di pezzi cavi (ad esempio, il riscaldamento a induzione di tubi o condutture con pareti relativamente sottili), determinate frequenze, in combinazione con densità di potenza sufficientemente elevate, potrebbero emettere onde sonore risonanti di ampiezza apprezzabile, superando il limite udibile. In casi come questo, il rumore udibile può anche essere un fattore dominante che influenza notevolmente la scelta della frequenza. Ogni tubo ha una propria frequenza di risonanza strutturale (SRF), che dipende dal diametro, dallo spessore della parete, dal materiale, dalla lunghezza e da altri fattori. Quando la frequenza di riscaldamento della bobina di induzione è sufficientemente vicina alla frequenza di risonanza propria del tubo, possono verificarsi vibrazioni di elevata ampiezza e un rumore udibile eccessivo. In altre parole, proprio come un ricevitore radio trasforma le onde elettromagnetiche in un suono udibile, possono verificarsi meccanismi in qualche modo simili che inducono un tubo o una conduttura a fungere da amplificatore quando si ha a che fare con determinate frequenze. La decisione se sia possibile ridurre il rumore scegliendo una frequenza diversa (più alta o più bassa) dipende da una combinazione tra la frequenza di auto-risonanza strutturale (SRF) di un particolare pezzo tubolare e la frequenza applicata dal riscaldatore a induzione. Pertanto, in casi come questo, è utile misurare la SRF del pezzo semplicemente colpendolo con un martello e misurando il rumore udibile di risonanza con un ricevitore acustico in grado di rilevare la frequenza e l’ampiezza del segnale misurato. Di conseguenza, è possibile prendere decisioni più informate nel determinare se una certa frequenza migliorerebbe o meno il livello di rumore rispetto a una frequenza che produce un rumore inaccettabile. Ad esempio, se la SRF di un determinato pezzo è di 300 Hz, più la frequenza selezionata si discosta da tale valore, minore sarà il rumore prodotto. In questo caso, 6 kHz produrrebbero un rumore notevolmente inferiore rispetto a 1 kHz. Al contrario, se la SRF è di 5 kHz, l’uso di 6 kHz peggiorerebbe la situazione rispetto a 500 Hz. Spesso, durante il riscaldamento dei materiali metallici, viene utilizzata un’atmosfera protettiva o riduttiva. Pertanto, se il sistema a induzione è collocato all’interno di una camera o di un involucro a tenuta di gas, ciò ridurrà sostanzialmente il livello di rumore.

• Rumore generato dalle vibrazioni dei cavi di alimentazione, delle sbarre collettrici e degli apparecchi.La probabilità di utilizzare apparecchi, cavi di alimentazione e sbarre collettrici non conformi alle specifiche èmolto bassa. Tuttavia, eventuali dubbi possono essere chiariti da un esperto di riscaldamento a induzione.

Per un approfondimento su questi punti, si veda il Rif. 1.

Dott. Valery Rudnev, FASM
Direttore, Scienza e Tecnologia
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com

Riferimento

1. V. Rudnev, D. Loveless e R. Cook, *Manuale sul riscaldamento a induzione*, 2ª edizione, CRC Press, 2017.