Induktionsuppvärmning är en metod för beröringsfri uppvärmning av elektriskt ledande material med hög frekvens och stora strömmar .
Upptäckten av elektromagnetisk induktion 1831 tillhör Michael Faraday . När en ledare rör sig i en magnets fält induceras EMF i den , precis som när en magnet rör sig, vars kraftlinjer skär den ledande kretsen. Strömmen i kretsen kallas induktiv. Uppfinningarna av många enheter är baserade på lagen om elektromagnetisk induktion, inklusive de definierande - generatorer och transformatorer som genererar och distribuerar elektrisk energi, vilket är den grundläggande grunden för hela den elektriska industrin.
År 1841 formulerade James Joule (och oberoende Emil Lenz ) en kvantitativ bedömning av den termiska effekten av elektrisk ström: "Kraften av värme som frigörs per volymenhet av mediet under flödet av elektrisk ström är proportionell mot produkten av densiteten av den elektriska strömmen och storleken på den elektriska fältstyrkan” ( Joules lag - Lenz ). Den termiska effekten av den inducerade strömmen gav upphov till sökandet efter anordningar för beröringsfri uppvärmning av metaller. De första experimenten med att värma stål med induktiv ström gjordes av E. Colby i USA.
Den första framgångsrikt fungerande sk. Kanalinduktionsugnen för stålsmältning byggdes 1900 av Benedicks Bultfabrik i Gysing, Sverige. I den tidens aktningsvärda tidskrift "INGENIÖREN" den 8 juli 1904, utkom en berömd publikation , där den svenske uppfinnaringenjören FA Kjellin berättar om sin utveckling. Ugnen drevs av en enfas transformator. Smältning utfördes i en degel i form av en ring, metallen i den representerade sekundärlindningen av en transformator som drivs av en ström på 50-60 Hz.
Den första ugnen på 78 kW togs i drift den 18 mars 1900 och visade sig vara mycket oekonomisk, eftersom smältkapaciteten endast var 270 kg stål per dag. Nästa ugn tillverkades i november samma år med en kapacitet på 58 kW och en kapacitet på 100 kg för stål. Ugnen visade hög lönsamhet, smältkapaciteten var från 600 till 700 kg stål per dag. Fodrets slitage på grund av termiska fluktuationer visade sig dock vara på en oacceptabel nivå, och frekventa foderbyten minskade den resulterande effektiviteten.
Uppfinnaren kom till slutsatsen att för maximal smältprestanda är det nödvändigt att lämna kvar en betydande del av smältan under tömningen, vilket undviker många problem, inklusive foderslitage. Denna metod att smälta stål med en rest, som började kallas "mosse", har överlevt till denna dag i vissa industrier där ugnar med stor kapacitet används.
I maj 1902 togs en väsentligt förbättrad ugn med en kapacitet på 1800 kg i drift, avloppet var 1000-1100 kg, balansen var 700-800 kg, effekten var 165 kW, stålsmältningskapaciteten kunde nå 4100 kg pr. dag! Ett sådant energiförbrukningsresultat på 970 kWh/t imponerar med sin effektivitet, som inte är mycket sämre än den moderna produktiviteten på cirka 650 kWh/t . Enligt uppfinnarens beräkningar, av en effektförbrukning på 165 kW, gick 87,5 kW i förluster, den användbara termiska effekten var 77,5 kW och en mycket hög total verkningsgrad på 47 % erhölls. Lönsamheten förklaras av degelns ringdesign, vilket gjorde det möjligt att göra en flervarvsinduktor med låg ström och hög spänning - 3000 V. Moderna ugnar med en cylindrisk degel är mycket mer kompakt, kräver mindre kapitalinvesteringar, är lättare att fungera, utrustade med många förbättringar under hundra år av deras utveckling, men effektiviteten ökas obetydlig. Det är sant att uppfinnaren i sin publikation ignorerade det faktum att el inte betalas för aktiv effekt, utan för full effekt, som vid en frekvens på 50-60 Hz är ungefär dubbelt så hög som aktiv effekt. Och i moderna ugnar kompenseras reaktiv effekt av en kondensatorbank.
Ingenjören FA Kjellin lade med sin uppfinning grunden för utvecklingen av industriella kanalugnar för smältning av icke-järnmetaller och stål i industriländerna i Europa och Amerika. Övergången från 50-60 Hz kanalugnar till moderna högfrekventa degelugnar varade från 1900 till 1940.
Induktionsuppvärmning är uppvärmning av material med elektriska strömmar som induceras av ett alternerande magnetfält. Därför är detta uppvärmning av produkter gjorda av ledande material (ledare) av magnetfältet hos induktorer (källor för ett alternerande magnetfält).
Induktionsuppvärmning utförs enligt följande. Ett elektriskt ledande (metall, grafit) arbetsstycke placeras i den så kallade induktorn , som är ett eller flera varv av tråd (oftast koppar). Kraftfulla strömmar av olika frekvenser (från tiotals Hz till flera MHz) induceras i induktorn med hjälp av en speciell generator, som ett resultat av vilket ett elektromagnetiskt fält uppstår runt induktorn . Det elektromagnetiska fältet inducerar virvelströmmar i arbetsstycket . Virvelströmmar värmer upp arbetsstycket under inverkan av Joule-värme .
Induktor-blanksystemet är en kärnlös transformator , där induktorn är den primära lindningen. Arbetsstycket är så att säga en sekundärlindning, kortsluten. Det magnetiska flödet mellan lindningarna stänger in luft.
Vid en hög frekvens förskjuts virvelströmmar av magnetfältet som bildas av dem till tunna ytskikt av arbetsstycket Δ ( hudeffekt ), vilket resulterar i att deras densitet ökar kraftigt och arbetsstycket värms upp. De underliggande skikten av metallen värms upp på grund av värmeledningsförmåga. Det är inte strömmen som är viktig utan den höga strömtätheten. I ytskiktet Δ ökar strömtätheten med en faktor e i förhållande till strömtätheten i arbetsstycket, medan 86,4 % av värmen från den totala värmeavgivningen frigörs i ytskiktet. Hudskiktets djup beror på strålningsfrekvensen: ju högre frekvens, desto tunnare hudskikt. Det beror också på den relativa magnetiska permeabiliteten μ för arbetsstyckets material.
För järn, kobolt, nickel och magnetiska legeringar vid temperaturer under Curie-punkten har μ ett värde från flera hundra till tiotusentals. För andra material (smältor, icke-järnmetaller, flytande lågsmältande eutektika , grafit, elektriskt ledande keramik, etc.) är μ ungefär lika med en.
Formel för beräkning av huddjup i mm:
,där ρ är den specifika elektriska resistansen för arbetsstyckets material vid bearbetningstemperaturen, Ohm m, f är frekvensen för det elektromagnetiska fältet som genereras av induktorn, Hz.
Till exempel, vid en frekvens på 2 MHz är skaldjupet för koppar cirka 0,047 mm, för järn ≈ 0,0001 mm .
Induktorn blir mycket varm under drift, eftersom den absorberar sin egen strålning. Dessutom absorberar den värmestrålning från ett hett arbetsstycke. De gör induktorer av kopparrör som kyls av vatten. Vatten tillförs genom sug - detta garanterar säkerheten i händelse av brännskada eller annan tryckavlastning av induktorn.
En växelström i induktorn genererar en ström i motsatt riktning i arbetsstycket. Området för arbetsstycket nära induktorn kan betraktas som en "spole" av en strömförande ledare. Strömmar som flyter i motsatta riktningar stöter bort varandra enligt Ampères lag. Således stöts arbetsstycket bort från induktorn (elektromagnetisk sprängning).
För att suspendera ett elektriskt ledande arbetsstycke används induktorer av speciella konstruktioner, vanligtvis gjorda i form av en kon med en motsväng. Det elektromagnetiska fältet i en sådan induktor är starkare från botten och sidorna och bildar en potentiell brunn som hindrar arbetsstycket från att röra sig nedåt och i sidled.
Samtidigt med levitation utförs en intensiv uppvärmning av arbetsstycket, vilket möjliggör smältning utan kontakt med degeln och utan kontaminering av provet med degelmaterialet. Denna metod används till exempel för att få ultrarena prover av legeringar.
Värmeinduktorn är en induktor som ingår i den fungerande oscillerande kretsen med en kompenserande kondensatorbank. Uppbyggnaden av kretsen utförs antingen med hjälp av elektroniska rör eller med hjälp av elektroniska halvledarnycklar. På installationer med en arbetsfrekvens på upp till 300 kHz används växelriktare på IGBT- aggregat eller MOSFET- transistorer. Sådana installationer är utformade för uppvärmning av stora delar. För att värma små delar används höga frekvenser (upp till 5 MHz, intervallet för medel- och kortvågor), högfrekventa installationer byggs på elektroniska rör .
För uppvärmning av små delar är högfrekvensinstallationer också byggda på MOSFET:er för driftfrekvenser upp till 1,7 MHz. Att styra och skydda transistorer vid högre frekvenser ger vissa svårigheter, så högre frekvensinställningar är fortfarande ganska dyra.
Induktorn för uppvärmning av små delar är liten och har en liten induktans, vilket leder till en minskning av kvalitetsfaktorn för den fungerande oscillerande kretsen vid låga frekvenser och en minskning av effektiviteten, och utgör också en fara för masteroscillatorn (vid låga frekvenser) , induktorns induktiva resistans (spolen i oscillerande krets) är liten, och kortslutning i spolen (induktor). Kvalitetsfaktorn för oscillerande krets är proportionell mot L / C, oscillerande krets med en låg kvalitetsfaktor är mycket dåligt "pumpad" med energi.För att öka kvalitetsfaktorn hos den oscillerande kretsen används två sätt:
Eftersom induktorn fungerar mest effektivt vid höga frekvenser, fick induktionsvärme industriell tillämpning efter utveckling och start av produktion av kraftfulla generatorlampor . Före första världskriget var induktionsuppvärmning av begränsad användning. På den tiden användes högfrekventa maskingeneratorer (verk av V.P. Vologdin ) eller gnistladdningsanläggningar som generatorer.
Oscillatorkretsen kan i princip vara vilken som helst ( multivibrator , RC-oscillator, oberoende exciterad oscillator, olika relaxationsoscillatorer ), som arbetar på en belastning i form av en induktorspole och har tillräcklig effekt. Det är också nödvändigt att oscillationsfrekvensen är tillräckligt hög.
Till exempel, för att "klippa" en ståltråd med en diameter på 4 mm på några sekunder, krävs en oscillerande effekt på minst 2 kW vid en frekvens på minst 300 kHz.
Schemat väljs enligt följande kriterier: tillförlitlighet; fluktuationsstabilitet; stabiliteten hos den kraft som frigörs i arbetsstycket; enkel tillverkning; enkel installation; minsta antal delar för att minska kostnaderna; användning av delar som totalt ger en minskning av vikt och mått m.m.
Under många decennier har en induktiv trepunktsgenerator använts som en generator av högfrekventa svängningar ( en Hartley - generator, en generator med autotransformatoråterkoppling, en krets baserad på en induktiv loopspänningsdelare). Detta är en självexciterad parallell strömförsörjningskrets för anoden och en frekvensselektiv krets gjord på en oscillerande krets. Det har framgångsrikt använts och fortsätter att användas i laboratorier, smyckesverkstäder, industriföretag, såväl som i amatörpraktik. Till exempel, under andra världskriget, utfördes ythärdning av rullarna på T-34-tanken på sådana installationer.
Tre poängs nackdelar:
Under ledning av Babat , Lozinsky och andra forskare utvecklades två- och trekretsgeneratorkretsar som har en högre effektivitet (upp till 70%) och som också bättre håller driftsfrekvensen. Principen för deras agerande är följande. På grund av användningen av kopplade kretsar och försvagningen av förbindelsen mellan dem, innebär en förändring av arbetskretsens induktans inte en kraftig förändring av frekvensinställningskretsen. Radiosändare är konstruerade enligt samma princip.
Nackdelen med flerkretssystem är den ökade komplexiteten och förekomsten av parasitära svängningar i VHF-bandet, som värdelöst avleder kraft och inaktiverar elementen i installationen. Sådana installationer är också benägna att fördröja oscillationer - en spontan övergång av generatorn från en av resonansfrekvenserna till en annan.
Moderna högfrekvensgeneratorer är växelriktare baserade på IGBT-enheter eller kraftfulla MOSFETs, vanligtvis tillverkade enligt brygg- eller halvbrygglikriktarkretsen. Fungerar vid frekvenser upp till 500 kHz. Transistorernas grindar öppnas med hjälp av ett mikrokontrollsystem. Styrsystemet, beroende på uppgiften, låter dig automatiskt hålla:
Till exempel, när ett magnetiskt material värms upp över Curie-punkten, ökar tjockleken på hudlagret kraftigt, strömtätheten sjunker och arbetsstycket börjar värmas upp värre. Materialets magnetiska egenskaper försvinner också och magnetiseringsreverseringsprocessen stannar - arbetsstycket börjar värmas upp värre.
Om växelriktaren för induktionsvärme inte är en självoscillator, inte har en självjusterande krets (PLL) och arbetar från en extern masteroscillator (vid en frekvens nära resonansfrekvensen för den "induktorkompenserande kondensatorbanken" oscillerande krets). I det ögonblick som ett arbetsstycke tillverkat av magnetiskt material införs i induktorn (om arbetsstyckets dimensioner är tillräckligt stora och står i proportion till induktorns dimensioner), ökar induktansen för induktansen kraftigt, vilket leder till en abrupt minskning av induktansspolen. oscillatorkretsens naturliga resonansfrekvens och dess avvikelse från masteroscillatorns frekvens. Kretsen går ur resonans med masteroscillatorn, vilket leder till en ökning av dess motstånd och en abrupt minskning av kraften som överförs till arbetsstycket. Om enhetens effekt styrs av en extern strömförsörjning, är operatörens naturliga reaktion att öka enhetens matningsspänning. När arbetsstycket värms upp till Curie-punkten försvinner dess magnetiska egenskaper, den naturliga frekvensen hos oscillatorkretsen återgår till masteroscillatorns frekvens. Kretsens motstånd minskar kraftigt, strömförbrukningen ökar kraftigt. Om operatören inte har tid att ta bort den ökade matningsspänningen överhettas enheten och misslyckas. Om installationen är utrustad med ett automatiskt styrsystem, bör styrsystemet övervaka övergången genom Curie-punkten och automatiskt minska frekvensen för masteroscillatorn, justera den till resonans med oscillationskretsen (eller minska den tillförda effekten om frekvensen förändring är oacceptabel).
Om icke-magnetiska material värms upp spelar ovanstående ingen roll. Införandet av ett ämne tillverkat av icke-magnetiskt material i induktorn ändrar praktiskt taget inte induktansen hos induktorn och ändrar inte resonansfrekvensen för den fungerande oscillerande kretsen, och det finns inget behov av ett styrsystem.
Om arbetsstyckets dimensioner är mycket mindre än induktorns dimensioner, förändrar det inte heller resonansen hos arbetskretsen.
Induktionsspis - en elektrisk spis för kök som värmer upp metallredskap med inducerade virvelströmmar skapade av ett högfrekvent magnetfält , med en frekvens på 20-100 kHz.
En sådan spis har en högre effektivitet jämfört med värmeelement i elektriska spisar, eftersom mindre värme går åt på att värma upp kroppen, och dessutom finns det ingen accelerations- och avkylningsperiod (när energin som genereras, men inte absorberas av disken, är förlorad).
Induktionssmältugnar (beröringsfria) - elektriska ugnar för smältning och överhettning av metaller, i vilka uppvärmning sker på grund av virvelströmmar som uppstår i en metalldegel (och metall), eller endast i metall (om degeln inte är gjord av metall; denna uppvärmningsmetod är mer effektiv om degeln är dåligt isolerad).
Det används i gjuterier av metallurgiska anläggningar, såväl som i precisionsgjutverkstäder och reparationsverkstäder av maskinbyggnadsanläggningar för att erhålla stålgjutgods av hög kvalitet. Det är möjligt att smälta icke-järnmetaller (brons, mässing, aluminium) och deras legeringar i en grafitdegel. Induktionsugnen fungerar enligt principen om en transformator, där primärlindningen är en vattenkyld induktor, den sekundära och samtidigt är belastningen metallen i degeln. Uppvärmningen och smältningen av metallen uppstår på grund av de strömmar som flyter i den, som uppstår under påverkan av det elektromagnetiska fältet som skapas av induktorn.