Az indukciós fűtés az elektromosan vezető anyagok nagy frekvenciájú és nagy áramerősségű , érintésmentes melegítésének módja .
Az elektromágneses indukció felfedezése 1831-ben Michael Faradayé . Amikor egy vezető mozog a mágnes mezőjében, akkor EMF indukálódik benne , akárcsak egy mágnes mozgásakor, amelynek erővonalai metszik a vezető áramkört. Az áramkörben lévő áramot induktívnak nevezzük. Számos eszköz találmánya az elektromágneses indukció törvényén alapul, beleértve a meghatározókat is - generátorokat és transzformátorokat, amelyek elektromos energiát termelnek és osztanak el, ami az egész elektromos ipar alapja.
1841-ben James Joule (és ettől függetlenül Emil Lenz ) kvantitatív értékelést fogalmazott meg az elektromos áram termikus hatásáról: „Az elektromos áram áramlása során a közeg térfogategységére jutó hőteljesítmény arányos az elektromos áram sűrűségének szorzatával. az elektromos áram és az elektromos térerősség nagysága” ( Joule törvénye – Lenz ). Az indukált áram termikus hatása a fémek érintésmentes melegítésére szolgáló eszközök keresését eredményezte. Az első kísérleteket az acél melegítésével induktív árammal E. Colby végezte az USA-ban.
Az első sikeresen működő ún. Az acél olvasztására szolgáló csatornás indukciós kemencét 1900-ban a Benedicks Bultfabrik építette Gysingben, Svédországban. Az akkori tekintélyes "A MÉRNÖK" folyóiratban 1904. július 8-án megjelent egy híres kiadvány , ahol a svéd feltaláló mérnök, FA Kjellin beszél a fejlődéséről. A kemencét egyfázisú transzformátor táplálta. Az olvasztást gyűrű alakú tégelyben végezték, a benne lévő fém egy 50-60 Hz-es árammal hajtott transzformátor szekunder tekercsét képviselte.
Az első 78 kW-os kemencét 1900. március 18-án helyezték üzembe, és nagyon gazdaságtalannak bizonyult, mivel az olvasztási kapacitás mindössze 270 kg acél volt naponta. A következő kemencét ugyanazon év novemberében gyártották, 58 kW teljesítményű és 100 kg acél kapacitással. A kemence magas jövedelmezőséget mutatott, az olvasztási kapacitás 600-700 kg acél volt naponta. A hőingadozások miatti béléskopás azonban elfogadhatatlan mértékűnek bizonyult, és a gyakori béléscsere csökkentette az ebből eredő hatékonyságot .
A feltaláló arra a következtetésre jutott, hogy a maximális olvasztási teljesítmény érdekében az olvadék jelentős részét meg kell hagyni a kisütés során, ami sok problémát elkerül, beleértve a bélés kopását. Ez a maradék acél olvasztási módszer, amelyet "lápnak" kezdtek nevezni, a mai napig fennmaradt néhány olyan iparágban, ahol nagy kapacitású kemencéket használnak.
1902 májusában egy jelentősen továbbfejlesztett 1800 kg kapacitású kemencét helyeztek üzembe, a lefolyó 1000-1100 kg, a mérleg 700-800 kg, a teljesítmény 165 kW, az acél olvasztási kapacitása elérte a 4100 kg per nap! Az ilyen 970 kWh/t energiafogyasztási eredmény lenyűgöz a hatékonyságával, ami nem sokkal marad el a modern, körülbelül 650 kWh/t -os termelékenységtől . A feltaláló számításai szerint 165 kW teljesítményfelvételből 87,5 kW ment veszteségbe, a hasznos hőteljesítmény 77,5 kW volt, és nagyon magas, 47%-os összhatásfokot kaptunk. A jövedelmezőséget a tégely gyűrűs kialakítása magyarázza, amely lehetővé tette alacsony áramerősségű és nagyfeszültségű - 3000 V -os többfordulatú induktor készítését. A hengeres tégelyes modern kemencék sokkal kompaktabbak, kevesebb tőkebefektetést igényelnek, könnyebbek üzemeltetni, számos fejlesztéssel felszerelve száz éves fejlesztésük során, de a hatásfok elenyésző mértékben nőtt. Igaz, a feltaláló publikációjában figyelmen kívül hagyta azt a tényt, hogy a villamos energiát nem az aktív teljesítményért, hanem a teljes teljesítményért fizetik, amely 50-60 Hz-es frekvencián megközelítőleg kétszerese az aktív teljesítménynek. A modern kemencékben pedig a meddőteljesítményt egy kondenzátortelep kompenzálja.
Találmányával FA Kjellin mérnök megalapozta a színesfémek és acél olvasztására szolgáló ipari csatornakemencék fejlesztését Európa és Amerika ipari országaiban. Az 50-60 Hz-es csatornakemencékről a modern, nagyfrekvenciás olvasztótégelyes kemencékre való átállás 1900-tól 1940-ig tartott.
Az indukciós melegítés az anyagok melegítése elektromos árammal, amelyet váltakozó mágneses tér indukál. Ezért ez a vezető anyagból (vezetőkből) készült termékek melegítése az induktorok (váltakozó mágneses tér forrásai) mágneses tere által.
Az indukciós melegítést a következőképpen hajtjuk végre. Az úgynevezett induktorba elektromosan vezető (fém, grafit) munkadarabot helyeznek , amely egy vagy több huzal (leggyakrabban réz) menete. Különböző frekvenciájú (tíz Hz-től több MHz-ig) erős áramokat indukálnak az induktorban egy speciális generátor segítségével, aminek következtében elektromágneses mező keletkezik az induktor körül . Az elektromágneses tér örvényáramot indukál a munkadarabban . Az örvényáramok felmelegítik a munkadarabot Joule-hő hatására .
Az induktor-blank rendszer egy mag nélküli transzformátor , amelyben az induktor a primer tekercs. A munkadarab mintegy szekunder tekercs, rövidre zárva. A tekercsek közötti mágneses fluxus levegőben záródik.
Az örvényáramok nagy frekvencián az általuk kialakított mágneses tér által a munkadarab vékony felületi rétegeibe Δ ( bőrhatás ) kerülnek kiszorításra, aminek következtében sűrűségük meredeken növekszik, és a munkadarab felmelegszik. A fém alsó rétegei a hővezető képesség miatt felmelegednek. Nem az áramerősség a fontos, hanem a nagy áramsűrűség. A Δ bőrrétegben az áramsűrűség e -szeresére nő a munkadarabban lévő áramsűrűséghez képest, miközben a teljes hőleadásból származó hő 86,4%-a a bőrrétegben szabadul fel. A bőrréteg mélysége a sugárzási frekvenciától függ: minél nagyobb a frekvencia, annál vékonyabb a bőrréteg. Ez a munkadarab anyagának μ relatív mágneses permeabilitásától is függ.
Vas, kobalt, nikkel és mágneses ötvözetek esetében a Curie-pont alatti hőmérsékleten a μ értéke több száz és tízezer között van. Más anyagok (olvadékok, színesfémek, folyékony alacsony olvadáspontú eutektikumok , grafit, elektromosan vezető kerámiák stb.) μ körülbelül eggyel egyenlő.
Képlet a bőrmélység kiszámításához mm-ben:
,ahol ρ a munkadarab anyagának fajlagos elektromos ellenállása a feldolgozási hőmérsékleten, Ohm m, f az induktor által keltett elektromágneses tér frekvenciája, Hz.
Például 2 MHz-es frekvencián a borítás mélysége a réz esetében körülbelül 0,047 mm, a vas esetében ≈ 0,0001 mm .
Az induktor működés közben nagyon felforrósodik, mivel elnyeli saját sugárzását. Ezenkívül elnyeli a forró munkadarab hősugárzását. Vízzel hűtött rézcsövekből induktorokat készítenek. A víz ellátása szívással történik - ez biztosítja a biztonságot égés vagy az induktor egyéb nyomáscsökkenése esetén.
Az induktorban lévő váltakozó áram ellentétes irányú áramot hoz létre a munkadarabban. A munkadarab induktor közelében lévő területe egy áramvezető vezető "tekercsének" tekinthető. Az ellentétes irányú áramok taszítják egymást az Ampère-törvény szerint. Így a munkadarab kilökődik az induktortól (elektromágneses robbanás).
Az elektromosan vezető munkadarab felfüggesztéséhez speciális kialakítású induktorokat használnak, amelyek általában ellenfordulatú kúp formájában készülnek. Az elektromágneses tér egy ilyen induktivitásban alulról és oldalról erősebb, potenciállyukat képezve, amely megakadályozza a munkadarab le- és oldalirányú mozgását.
A levitációval egyidejűleg a munkadarab intenzív melegítését hajtják végre, amely lehetővé teszi az olvasztást anélkül, hogy érintkezésbe lépne a tégelyel, és anélkül, hogy a mintát szennyezné a tégely anyagával. Ezt a módszert például ultratiszta ötvözetminták előállítására használják.
A fűtőinduktor egy induktor , amely a működő rezgőkör része egy kompenzáló kondenzátorral. Az áramkör felépítése vagy elektronikus csövek, vagy félvezető elektronikus kulcsok segítségével történik. A 300 kHz-ig terjedő üzemi frekvenciájú telepítéseknél IGBT - szerelvényeken lévő invertereket vagy MOSFET - tranzisztorokat használnak. Az ilyen berendezéseket nagy részek fűtésére tervezték. A kis részek melegítésére nagy frekvenciákat használnak (5 MHz-ig, közepes és rövid hullámok tartománya), a nagyfrekvenciás berendezéseket elektronikus csövekre építik .
Ezenkívül a kis alkatrészek melegítésére a nagyfrekvenciás berendezések MOSFET -ekre épülnek 1,7 MHz-ig. A tranzisztorok magasabb frekvencián történő vezérlése és védelme bizonyos nehézségeket jelent, ezért a magasabb frekvenciájú beállítások még mindig meglehetősen drágák.
A kis alkatrészek melegítésére szolgáló induktor kicsi és kis induktivitással rendelkezik, ami alacsony frekvenciákon a működő rezgőkör minőségi tényezőjének csökkenéséhez és a hatékonyság csökkenéséhez vezet, valamint veszélyt jelent a fő oszcillátorra (alacsony frekvencián) , az induktor induktív ellenállása (az oszcillációs kör tekercsének) kicsi, és rövidzárlat a tekercsben (induktor). Az oszcillációs kör minőségi tényezője arányos L / C-vel, az alacsony minőségi tényezővel rendelkező rezgőkör nagyon rosszul "szivattyúzott" energiával.Az oszcillációs kör minőségi tényezőjének növelésére két módszert alkalmaznak:
Mivel az induktor a leghatékonyabban magas frekvencián működik, az indukciós fűtést a nagy teljesítményű generátorlámpák fejlesztése és gyártása után ipari alkalmazásra került . Az első világháború előtt az indukciós fűtés csak korlátozottan használható. Abban az időben generátorként nagyfrekvenciás gépi generátorokat ( V. P. Vologdin munkái ) vagy szikrakisüléses berendezéseket használtak.
Az oszcillátor áramkör elvileg bármilyen lehet ( multivibrátor , RC oszcillátor, önálló gerjesztésű oszcillátor, különféle relaxációs oszcillátorok ), amely induktortekercs formájú terhelésen működik és elegendő teljesítménnyel rendelkezik. Az is szükséges, hogy az oszcillációs frekvencia kellően magas legyen.
Például egy 4 mm átmérőjű acélhuzal néhány másodperc alatt történő "elvágásához" legalább 2 kW rezgőteljesítmény szükséges legalább 300 kHz frekvencián.
A sémát a következő kritériumok szerint választják ki: megbízhatóság; fluktuációs stabilitás; a munkadarabban felszabaduló erő stabilitása; könnyű gyártás; könnyű beállítás; minimális alkatrészek száma a költségek csökkentése érdekében; olyan alkatrészek használata, amelyek összességében csökkentik a súlyt és a méreteket stb.
Évtizedek óta egy induktív hárompontos generátort használnak nagyfrekvenciás rezgések generátoraként ( Hartley generátor, autotranszformátor visszacsatolású generátor, induktív hurok feszültségosztón alapuló áramkör). Ez egy öngerjesztett párhuzamos tápáramkör az anódhoz és egy oszcillációs áramkörön készült frekvenciaszelektív áramkör. Sikeresen alkalmazták és használják továbbra is laboratóriumokban, ékszerműhelyekben, ipari vállalkozásokban, valamint az amatőr gyakorlatban. Például a második világháború alatt a T-34 harckocsi görgőinek felületkeményítését ilyen berendezéseken végezték.
Három pont hátrány:
Babat , Lozinsky és más tudósok vezetésével két- és háromkörös generátor áramköröket fejlesztettek ki, amelyek nagyobb hatásfokkal rendelkeznek (akár 70%), és jobban tartják a működési frekvenciát. Működésük elve a következő. A csatolt áramkörök alkalmazása és a közöttük lévő kapcsolat gyengülése miatt a munkakör induktivitásának változása nem jár erős változással a frekvenciabeállító áramkör frekvenciájában. A rádióadókat ugyanezen elv szerint építik fel.
A többáramkörös rendszerek hátránya a megnövekedett összetettség és a VHF sávban a parazita rezgések előfordulása, amelyek haszontalanul disszipálják az áramot és letiltják a telepítés elemeit. Ezenkívül az ilyen berendezések hajlamosak az oszcilláció késleltetésére - a generátor spontán átmenetére az egyik rezonáns frekvenciáról a másikra.
A modern nagyfrekvenciás generátorok IGBT-szerelvényeken vagy nagy teljesítményű MOSFET-eken alapuló inverterek, amelyek általában a híd vagy a félhíd egyenirányító áramköre szerint készülnek. 500 kHz-ig terjedő frekvencián működik. A tranzisztorok kapui mikrokontroller vezérlőrendszerrel nyithatók. A vezérlőrendszer a feladattól függően lehetővé teszi, hogy automatikusan tartsa:
Például, ha egy mágneses anyagot a Curie-pont fölé melegítenek, a bőrréteg vastagsága meredeken megnő, az áramsűrűség csökken, és a munkadarab rosszabbul kezd felmelegedni. Az anyag mágneses tulajdonságai is eltűnnek, és a mágnesezés megfordítási folyamata leáll - a munkadarab rosszabbul kezd felmelegedni.
Ha az indukciós fűtésre szolgáló inverter nem önoszcillátor, nincs önhangoló áramköre (PLL) és külső főoszcillátorról működik (az „induktor-kompenzáló kondenzátortelep” rezgő frekvenciájához közeli frekvencián áramkör). Abban a pillanatban, amikor egy mágneses anyagból készült munkadarabot vezetnek be az induktorba (ha a munkadarab méretei elég nagyok és arányosak az induktor méreteivel), az induktor induktivitása meredeken megnő, ami az induktivitás hirtelen csökkenéséhez vezet. a rezgőkör természetes rezonanciafrekvenciája és eltérése a fő oszcillátor frekvenciájától. Az áramkör kimegy a rezonanciából a fő oszcillátorral, ami az ellenállás növekedéséhez és a munkadarabra átvitt teljesítmény hirtelen csökkenéséhez vezet. Ha az egység teljesítményét külső tápegység szabályozza, akkor a kezelő természetes reakciója az egység tápfeszültségének növelése. Ha a munkadarabot Curie-pontig melegítjük, annak mágneses tulajdonságai eltűnnek, az oszcillációs kör sajátfrekvenciája visszaáll a fő oszcillátor frekvenciájára. Az áramkör ellenállása meredeken csökken, az áramfelvétel meredeken növekszik. Ha a kezelőnek nincs ideje eltávolítani a megnövekedett tápfeszültséget, az egység túlmelegszik és meghibásodik. Ha a berendezés automatikus vezérlőrendszerrel van felszerelve, akkor a vezérlőrendszernek figyelnie kell a Curie-ponton keresztüli átmenetet, és automatikusan csökkentenie kell a fő oszcillátor frekvenciáját, beállítva azt az oszcillációs áramkörrel való rezonanciára (vagy csökkentenie kell a betáplált teljesítményt, ha a frekvencia a változtatás elfogadhatatlan).
Ha nem mágneses anyagokat melegítenek, akkor a fentiek nem számítanak. A nem mágneses anyagból készült nyersdarab induktorba való bevezetése gyakorlatilag nem változtatja meg az induktor induktivitását és nem tolja el a működő rezgőkör rezonanciafrekvenciáját, és nincs szükség vezérlőrendszerre.
Ha a munkadarab méretei sokkal kisebbek, mint az induktor mérete, akkor ez sem tolja el nagymértékben a munkakör rezonanciáját.
Indukciós tűzhely - egy konyhai elektromos tűzhely , amely fém edényeket melegít fel indukált örvényárammal, amelyet nagyfrekvenciás mágneses tér hoz létre, 20-100 kHz frekvenciával.
Egy ilyen kályha nagyobb hatásfokkal rendelkezik az elektromos tűzhelyek fűtőelemeihez képest, mivel kevesebb hőt fordítanak a test fűtésére, ráadásul nincs gyorsulási és hűtési periódus (amikor a termelt, de az edények által fel nem vett energia a elpazarolt).
Indukciós (érintésmentes) olvasztókemencék - fémek olvasztására és túlhevítésére szolgáló elektromos kemencék, amelyekben fémtégelyben (és fémben) vagy csak fémben (ha a tégely nem fémből) fellépő örvényáramok miatt felmelegedés következik be; ez a fűtési mód hatékonyabb, ha a tégely rosszul szigetelt).
Kohászati üzemek öntödéiben , valamint precíziós öntőműhelyekben és gépgyártó üzemek javítóműhelyeiben használják kiváló minőségű acélöntvények előállítására. Lehetőség van színesfémek (bronz, sárgaréz, alumínium) és ötvözeteik olvasztására grafittégelyben. Az indukciós kemence a transzformátor elvén működik, amelyben a primer tekercs egy vízhűtéses induktor, a szekunder és egyben a terhelés a tégelyben lévő fém. A fém felmelegedése és olvadása a benne folyó áramok miatt következik be, amelyek az induktor által létrehozott elektromágneses tér hatására keletkeznek.