Aquecimento por indução: tudo o que sempre quis saber, mas tinha medo de perguntar (fevereiro de 2018)

Pergunta do Mês: Estamos aplanear utilizar indução para aquecer materiais metálicos compósitos antes da ligação por difusão. Existe algum problema relacionado com ruído excessivo? Verificaram que certas frequências produzem mais ruído do que outras? Se sim, têm alguma solução para conter o nível de ruído?

Resposta: Nagrande maioria das aplicações de aquecimento por indução, o ruído industrial não atinge um nível significativo. Por conseguinte, não há motivo para preocupação com ruído excessivo, embora existam algumas exceções. As frequências mais baixas resultam normalmente numa corrente mais elevada na bobina, aumentando assim as forças eletromagnéticas e a vibração das espiras da bobina. Assim, é razoável esperar que um sistema que utilize a frequência da rede elétrica (60 Hz) esteja associado a uma maior intensidade de ruído industrial, em comparação com 3 kHz ou 30 kHz. Além disso, os sistemas com maior potência em kW provavelmente também estarão associados a mais ruído. Por conseguinte, assumindo que todos os outros fatores são idênticos, 500 kW podem produzir mais ruído do que 100 kW.

Ao abordar o ruído audível, devemos ter em conta os dois fatores principais que influenciam a forma como os seres humanos são afetados pelo ruído industrial: a magnitude e o nível de desagrado/desconforto. Por exemplo, o ruído audível de baixa frequência (por exemplo, 50–60 Hz) pode ter uma magnitude mais elevada, mas pode não ser tão desagradável para o ouvido humano quando comparado com um ruído de menor magnitude a uma frequência mais elevada (por exemplo, 1 kHz).

A seguir, apresentam-se as quatro principais fontes de ruído durante o aquecimento por indução:

• Ruído gerado pela fonte de alimentação.Existem inúmerasfontes de alimentação disponíveis no mercado. No caso do aquecimento por indução, as combinações de potência e frequência que utilizam inversores de módulo único variam desde a frequência da rede até várias centenas de kHz, com níveis de potência que excedem os 1000 kW, mesmo para uma frequência na ordem dos 800 kHz. As características de conceção das fontes de alimentação modernas, baseadas na tecnologia de semicondutores, resultam num funcionamento praticamente silencioso. Por conseguinte, o ruído proveniente da fonte de alimentação não constitui, normalmente, motivo de preocupação.
• Ruído gerado pela vibração das espiras da bobina de cobre.As duas principais abordagens para a construção de bobinas de indução podem ser classificadas como de enrolamento aberto ou revestidas com material refratário [Ref. 1]. O método de enrolamento aberto permite uma reparação mais conveniente em caso de avaria, mas as espiras da bobina têm de ser fixadas com pernos e dispositivos de fixação adequados para eliminar ou minimizar a vibração e o ruído. Uma bobina revestida com um refratário moldável (por exemplo, tipos especiais de cimento) oferece durabilidade e uma vida útil mais longa, eliminando ou reduzindo drasticamente a vibração das espiras de cobre da bobina. As bobinas de indução devidamente concebidas não apresentam níveis de ruído problemáticos.
• Ruído gerado pela vibração da peça de trabalho ou por ondas sonoras ressonantes (efeito de amplificação).Se uma peça de trabalho for composta por algumas peças soltas, estas podem vibrar e produzir ruído. Para avaliar esta possibilidade, seria necessário analisar a geometria específica da peça de trabalho. Em certas aplicações de soldadura por difusão, pode ser aplicada pressão para minimizar a possibilidade de vibrações de componentes individuais. Ao aquecer por indução peças ocas (por exemplo, aquecimento por indução de tubos com paredes relativamente finas), certas frequências, em combinação com densidades de potência suficientemente elevadas, podem emitir ondas sonoras ressonantes de magnitude apreciável, excedendo o limite audível. Em casos como este, o ruído audível também pode ser um fator dominante que afeta significativamente a seleção da frequência. Cada tubo tem a sua própria frequência de ressonância estrutural (SRF), que depende do diâmetro, da espessura da parede, do material, do comprimento e de outros fatores. Quando a frequência de aquecimento da bobina de indução está suficientemente próxima da frequência de ressonância do próprio tubo, podem ocorrer vibrações de alta amplitude e ruído audível excessivo. Por outras palavras, tal como um recetor de rádio transforma ondas eletromagnéticas num som audível, podem ocorrer mecanismos semelhantes que levam um tubo ou cano a funcionar como um amplificador quando se lida com determinadas frequências. A decisão sobre se o ruído pode ser reduzido através da escolha de uma frequência diferente (mais alta ou mais baixa) depende de uma combinação entre a frequência de auto-ressonância estrutural (SRF) de uma determinada peça tubular e a frequência aplicada pelo aquecedor por indução. Por conseguinte, em casos como este, é vantajoso medir a SRF da peça de trabalho simplesmente batendo nela com um martelo e medindo o ruído audível ressonante com algum tipo de recetor audível capaz de detetar a frequência e a amplitude do sinal medido. Como resultado, é possível tomar decisões mais informadas ao determinar se uma determinada frequência melhoraria ou não o nível de ruído, em comparação com uma frequência que produz ruído inaceitável. Por exemplo, se a SRF de uma determinada peça for de 300 Hz, quanto mais distante estiver a frequência selecionada, menor será o ruído produzido. Neste caso, 6 kHz produziria um ruído visivelmente mais baixo em comparação com 1 kHz. Em contrapartida, se a SRF for de 5 kHz, a utilização de 6 kHz agravará a situação em comparação com 500 Hz. Muitas vezes, é utilizada uma atmosfera protetora ou redutora durante o aquecimento de materiais metálicos. Por conseguinte, se o seu sistema de indução estiver localizado no interior de uma câmara ou recinto estanque ao gás, isso reduzirá substancialmente o nível de ruído.

• Ruído gerado pela vibração de cabos de alimentação, barramentos e acessórios.A probabilidade de se utilizar um modelo incorreto de acessórios, cabos de alimentação e barramentos émuito reduzida. No entanto, quaisquer dúvidas podem ser esclarecidas por um especialista em aquecimento por indução.

É possível encontrar mais informações sobre estes pontos na Ref. 1.

Dr. Valery Rudnev, FASM
Diretor de Ciência e Tecnologia
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com

Referência

1. V. Rudnev, D. Loveless e R. Cook, Manual de Aquecimento por Indução, 2.ª edição, CRC Press, 2017.