Indukční ohřev, základní principy a technologie.

1. srpna 2013 Indukční ohřev je metoda bezkontaktního ohřevu vysokofrekvenčními proudy (RFH – radiofrekvenční ohřev, ohřev radiofrekvenčními vlnami) elektricky vodivých materiálů.

Indukční ohřev je ohřev materiálů elektrickými proudy, které jsou indukovány střídavým magnetickým polem. Jedná se tedy o ohřev výrobků z vodivých materiálů (vodičů) magnetickým polem induktorů (zdrojů střídavého magnetického pole). Indukční ohřev se provádí následovně. Elektricky vodivý (kovový, grafitový) obrobek je umístěn v tzv. induktoru, což je jeden nebo více závitů drátu (nejčastěji mědi). V induktoru se pomocí speciálního generátoru indukují silné proudy různých frekvencí (od desítek Hz do několika MHz), v důsledku čehož se kolem induktoru objeví elektromagnetické pole. Elektromagnetické pole indukuje vířivé proudy v obrobku. Vířivé proudy ohřívají obrobek vlivem Jouleova tepla (viz Joule-Lenzův zákon).

Systém induktor-blank je bezjádrový transformátor, ve kterém je induktor primárním vinutím. Obrobek je sekundární vinutí, zkratované. Magnetický tok mezi vinutími je uzavřen vzduchem.

Při vysokých frekvencích jsou vířivé proudy vytlačovány magnetickým polem, které sami generují, do tenkých povrchových vrstev obrobku Δ ​​(Surface effect), v důsledku čehož se jejich hustota prudce zvyšuje a obrobek se zahřívá. Podkladové vrstvy kovu se zahřívají v důsledku tepelné vodivosti. Není důležitý proud, ale vysoká proudová hustota. V potahové vrstvě Δ se proudová hustota snižuje e-krát vzhledem k proudové hustotě na povrchu obrobku, přičemž 86,4 % tepla se uvolňuje v potahové vrstvě (z celkového uvolněného tepla. Hloubka potahové vrstvy Obr. závisí na frekvenci záření: čím vyšší frekvence, tím tenčí vrstva kůže Závisí také na relativní magnetické permeabilitě μ materiálu obrobku.

Pro železo, kobalt, nikl a magnetické slitiny při teplotách pod Curieovým bodem má μ hodnotu od několika stovek do desítek tisíc. Pro ostatní materiály (taveniny, neželezné kovy, kapalná nízkotavitelná eutektika, grafit, elektrolyty, elektricky vodivá keramika atd.) se μ rovná přibližně jednotce.

Například při frekvenci 2 MHz je hloubka slupky pro měď asi 0,25 mm, pro železo ≈ 0,001 mm.

Induktor se během provozu velmi zahřívá, protože pohlcuje své vlastní záření. Kromě toho absorbuje tepelné záření z horkého obrobku. Induktory jsou vyrobeny z měděných trubek chlazených vodou. Voda je přiváděna sáním – to zajišťuje bezpečnost v případě vyhoření nebo jiného odtlakování tlumivky.

Použití:
Ultra čisté bezkontaktní tavení, pájení a svařování kovů.
Získávání prototypů slitin.
Ohýbání a tepelné zpracování strojních součástí.
Výroba šperků.
Zpracování malých dílů, které mohou být poškozeny plynovým plamenem nebo obloukovým ohřevem.
Povrchové kalení.
Kalení a tepelné zpracování tvarově složitých dílů.
Dezinfekce lékařských nástrojů.

Vysokorychlostní ohřev nebo tavení jakéhokoli elektricky vodivého materiálu.

Ohřev je možný v ochranné plynové atmosféře, v oxidačním (nebo redukčním) prostředí, v nevodivé kapalině nebo ve vakuu.

Ohřev stěnami ochranné komory ze skla, cementu, plastů, dřeva – tyto materiály velmi slabě absorbují elektromagnetické záření a zůstávají během provozu instalace studené. Ohřívá se pouze elektricky vodivý materiál – kov (včetně roztaveného), uhlík, vodivá keramika, elektrolyty, tekuté kovy atd.

Vlivem vznikajících MHD sil dochází k intenzivnímu promíchávání tekutého kovu až po jeho udržení ve vzduchu nebo ochranném plynu – tak se v malých množstvích získávají ultračisté slitiny (levitační tavení, tavení v elektromagnetickém kelímku) .

Protože se ohřev provádí elektromagnetickým zářením, nedochází ke kontaminaci obrobku produkty hoření hořáku v případě ohřevu plynovým plamenem nebo materiálem elektrody v případě ohřevu obloukem. Umístění vzorků do atmosféry inertního plynu a vysoké rychlosti zahřívání eliminuje tvorbu kotelního kamene.

Snadné použití díky malé velikosti induktoru.

Induktor může být vyroben ze speciálního tvaru – to umožní jeho rovnoměrné zahřívání po celém povrchu součástí složité konfigurace, aniž by to vedlo k jejich deformaci nebo lokálnímu nezahřívání.

Je snadné provádět lokální a selektivní vytápění.

Vzhledem k tomu, že k nejintenzivnějšímu ohřevu dochází v tenkých horních vrstvách obrobku a spodní vrstvy se díky tepelné vodivosti ohřívají šetrněji, je metoda ideální pro povrchové kalení součástí (jádro zůstává viskózní).

Snadná automatizace zařízení – cykly ohřevu a chlazení, nastavení a údržba teploty, podávání a odebírání obrobků.

Indukční topné jednotky:

Pro instalace s pracovní frekvencí do 300 kHz se používají invertory založené na sestavách IGBT nebo tranzistory MOSFET. Taková zařízení jsou navržena pro vytápění velkých dílů. K ohřevu malých dílů se používají vysoké frekvence (do 5 MHz, střední a krátké vlny), vysokofrekvenční instalace jsou stavěny na elektronky.

Pro zahřívání malých dílů se také staví vysokofrekvenční instalace s použitím tranzistorů MOSFET pro pracovní frekvence až do 1,7 MHz. Ovládání tranzistorů a jejich ochrana na vyšších frekvencích představuje určité potíže, takže nastavení vyšších frekvencí je stále poměrně drahé.

Induktor pro ohřev malých dílů je malých rozměrů a má nízkou indukčnost, což vede ke snížení činitele kvality pracovního oscilačního obvodu při nízkých frekvencích a snížení účinnosti a také představuje nebezpečí pro hlavní oscilátor (kvalita součinitel oscilačního obvodu je úměrný L/C, oscilační obvod s nízkým činitelem jakosti je příliš dobře „napumpován“ energií, vytvoří zkrat v induktoru a vyřadí hlavní oscilátor). Pro zvýšení faktoru kvality oscilačního obvodu se používají dva způsoby:
— zvýšení provozní frekvence, což vede ke složitějším a nákladnějším instalacím;
— použití feromagnetických vložek v induktoru; lepení induktoru panely z feromagnetického materiálu.

Protože induktor pracuje nejúčinněji při vysokých frekvencích, indukční ohřev získal průmyslové uplatnění po vývoji a zahájení výroby vysoce výkonných generátorových lamp. Před první světovou válkou měl indukční ohřev omezené použití. Jako generátory pak byly použity vysokofrekvenční strojní generátory (práce V.P. Vologdin) nebo jiskrové výboje.

Obvod generátoru může být v zásadě jakýkoliv (multivibrátor, RC generátor, generátor s nezávislým buzením, různé relaxační generátory), pracující na zátěži v podobě indukční cívky a mající dostatečný výkon. Je také nutné, aby frekvence oscilací byla dostatečně vysoká.

Například k „přeříznutí“ ocelového drátu o průměru 4 mm během několika sekund je zapotřebí oscilační výkon alespoň 2 kW při frekvenci alespoň 300 kHz.

Schéma se vybírá podle následujících kritérií: spolehlivost; vibrační stabilita; stabilita výkonu uvolněného v obrobku; snadnost výroby; snadné nastavení; minimální počet dílů pro snížení nákladů; použití dílů, které společně vedou ke snížení hmotnosti a rozměrů atd.

Jako generátor vysokofrekvenčních kmitů se dlouhá desetiletí používal indukční tříbodový generátor (Hartleyův generátor, generátor se zpětnou vazbou autotransformátoru, obvod na bázi děliče napětí indukční smyčky). Jedná se o samobudící paralelní napájecí obvod pro anodu a frekvenčně selektivní obvod vytvořený na oscilačním obvodu. S úspěchem se používal a nadále používá v laboratořích, klenotnických dílnách, průmyslových podnicích i v amatérské praxi. Například během druhé světové války bylo na takových zařízeních prováděno povrchové kalení válců tanku T-34.

Nevýhody tří bodů:

Nízká účinnost (méně než 40 % při použití lampy).

Silná frekvenční odchylka v době ohřevu obrobků z magnetických materiálů nad Curieovým bodem (≈700C) (změny μ), která mění hloubku vrstvy kůže a nepředvídatelně mění režim tepelného zpracování. Při tepelném zpracování kritických částí to může být nepřijatelné. Výkonné HDTV instalace musí také fungovat v úzkém rozsahu frekvencí povolených Rossvyazohrankultura, protože se špatným stíněním jsou ve skutečnosti rádiovými vysílači a mohou rušit televizní a rozhlasové vysílání, pobřežní a záchranné služby.

Při výměně obrobků (například z menšího na větší) se mění indukčnost systému induktor-obrobek, což vede i ke změně frekvence a hloubky vrstvy kůže.

Při změně jednootáčkových induktorů na víceotáčkové, na větší či menší se mění i frekvence.

Pod vedením Babata, Lozinského a dalších vědců byly vyvinuty dvou- a tříokruhové generátorové obvody, které mají vyšší účinnost (až 70 %) a také lépe udržují pracovní frekvenci. Princip jejich fungování je následující. V důsledku použití sdružených obvodů a zeslabení spojení mezi nimi nemá změna indukčnosti pracovního obvodu za následek silnou změnu frekvence obvodu pro nastavení frekvence. Rádiové vysílače jsou navrženy na stejném principu.

Nevýhodou víceokruhových systémů je zvýšená složitost a výskyt parazitních oscilací v oblasti VKV, které zbytečně odvádějí výkon a poškozují instalační prvky. Také takové instalace jsou náchylné k prodloužení oscilací – spontánnímu přechodu generátoru z jedné z rezonančních frekvencí na druhou.

Moderní HDTV generátory jsou invertory založené na IGBT sestavách nebo výkonových MOSFET tranzistorech, obvykle vyrobených podle můstkového nebo polomůstkového obvodu. Pracujte na frekvencích až 500 kHz. Brána tranzistoru se otevírají pomocí řídicího systému mikrokontroléru. Ovládací systém vám v závislosti na úkolu umožňuje automatické držení

a) konstantní frekvence
b) konstantní výkon uvolněný v obrobku
c) co nejvyšší účinnost.

Například, když se magnetický materiál zahřeje nad Curieovým bodem, tloušťka vrstvy kůže se prudce zvětší, proudová hustota klesne a obrobek se začne hůře zahřívat. Zmizí také magnetické vlastnosti materiálu a zastaví se proces obrácení magnetizace – obrobek se začne hůře zahřívat, zatěžovací odpor se prudce sníží – to může vést k „roztažení“ generátoru a jeho selhání. Řídicí systém sleduje přechod Curieovým bodem a automaticky zvyšuje frekvenci, když se zátěž prudce sníží (nebo sníží výkon).

Pokud je to možné, měl by být induktor umístěn co nejblíže k obrobku. To nejen zvyšuje hustotu elektromagnetického pole v blízkosti obrobku (úměrně druhé mocnině vzdálenosti), ale také zvyšuje účiník Cos(φ).

Zvýšení frekvence prudce snižuje účiník (úměrný třetí mocnině frekvence).

Při zahřívání magnetických materiálů se také uvolňuje dodatečné teplo v důsledku obrácení magnetizace, jejich zahřívání na Curieův bod je mnohem efektivnější.

Při výpočtu induktoru je nutné vzít v úvahu indukčnost sběrnic vedoucích k induktoru, která může být mnohem větší než indukčnost samotného induktoru (pokud je induktor vyroben ve tvaru jednoho závitu malého průměru popř. sudá část zatáčky – oblouk).

Existují dva případy rezonance v oscilačních obvodech: napěťová rezonance a proudová rezonance.
Paralelní oscilační obvod – proudová rezonance.
V tomto případě je napětí na cívce a na kondenzátoru stejné jako na generátoru. Při rezonanci se odpor obvodu mezi body větvení stane maximálním a proud (celkem I) přes odpor zátěže Rн bude minimální (proud uvnitř obvodu I-1l a I-2s je větší než proud generátoru).

V ideálním případě je impedance smyčky nekonečná – obvod neodebírá žádný proud ze zdroje. Když se frekvence generátoru změní v libovolném směru od rezonanční frekvence, impedance obvodu se sníží a proud ve vedení (I celkem) se zvýší.

Sériový oscilační obvod – napěťová rezonance.

Hlavním rysem sériového rezonančního obvodu je, že jeho impedance je při rezonanci minimální. (ZL + ZC – minimum). Při ladění frekvence nad nebo pod rezonanční frekvenci se impedance zvyšuje.
Závěr:
V paralelním obvodu při rezonanci je proud přes svorky obvodu 0 a napětí je maximální.
Naopak v sériovém obvodu má napětí tendenci k nule a proud je maximální.