Індукційний нагрів

Як влаштований і працює індукційний нагрівач

Принцип роботи індукційного нагрівача полягає в розігріві електропровідний металевої заготовки індукованим в ній замкнутим вихровим струмом.

Вихрові струми - струми, що виникають в суцільних провідниках внаслідок явища електромагнітної індукції, коли ці провідники пронизуються змінним магнітним полем. На створення цих струмів витрачається енергія, яка перетворюється в тепло і нагріває провідники.

Для зменшення цих втрат і усунення нагріву замість суцільних провідників застосовують шаруваті, в яких окремі шари розділені ізоляцією. Ця ізоляція перешкоджає виникненню великих замкнутих вихрових струмів і зменшує втрати енергії на їх підтримку. Саме з цих міркувань сердечники трансформатора, якоря генераторів і т. п. виготовляють з тонких листів сталі, ізольованих один від одного шарами лаку.

Індуктором в індукційному нагрівачі виступає котушка зі змінним струмом, призначена для створення змінного електромагнітного поля високої частоти.

Змінне магнітне поле високої частоти, в свою чергу, діє на електропровідний матеріал, наводячи в ньому замкнутий струм високої щільності, і тим самим розігріваючи заготовку аж до її розплавлення. Дане явище відомо давно, і можна пояснити з часів Майкла Фарадея, який описав явище електромагнітної індукції ще в 1931 році.

Магнітне поле що змінюється у часі наводить змінну ЕРС в провіднику, який воно при цьому своїми силовими лініями перетинає. Таким провідником може в принципі бути обмотка трансформатора, сердечник трансформатора, або цілісний шматок якогось металу.

Якщо ЕРС наводиться в обмотці, то виходить трансформатор або приймач, а якщо прямо в магнітопроводі або в накоротко замкнутої обмотці - виходить індукційний нагрів магнітопроводу або обмотки.

У неякісно спроектованому трансформаторі, наприклад, нагрівання сердечника струмами Фуко був би однозначно явищем шкідливим, але в індукційному нагрівачі схоже явище служить для досягнення корисної мети.

З точки зору характеру навантаження, індукційний нагрівач із провідниковою заготовкою що розігрівається в ньому - це як трансформатор з закороченою вторинною обмоткою з одного витка. Оскільки опір всередині заготовки вкрай малий, то навіть невеликого наведеного вихрового електричного поля досить, щоб створити струм такої високої щільності, щоб його тепловий вплив (див. Закон Джоуля-Ленца) виявився б дуже значним.

Перша канальна піч такого роду з'явилася в Швеції в 1900 році, вона живилась струмом частотою 50-60 Гц, застосовувалася для канальної плавки сталі, а метал подавався в тигель, розташований на манер короткозамкнутого витка вторинної обмотки трансформатора. Проблема економічності, зрозуміло, була присутня, так як ККД був менше 50%.

Сьогодні індукційний нагрівач - це трансформатор без сердечника, що складається з одного або декількох витків відносно товстої мідної трубки, по якій за допомогою насоса пропускається охолоджуюча рідина системи активного охолодження. У електропровідне тіло трубки, як в котушку індуктивності, подається змінний струм частотою від декількох кілогерц до одиниць мегагерц, в залежності від параметрів оброблюваного зразка.

Справа в тому, що при високих частотах відбувається витіснення вихрового струму з нагріваємого самим вихровим струмом зразка, так як магнітне поле цього самого вихрового струму витісняє викликавший його струм на поверхню.

Це проявляється як скін-ефект, коли максимальна щільність струму виявляється в результаті припадає на тонкий шар поверхні заготовки, і чим вище частота і нижче питомий електричний опір матеріалу що розігрівається - тим скін-шар тонше.

Для міді, наприклад, на частоті 2 МГц скін-шар складає всього чверть міліметра! Це означає, що внутрішні шари мідної заготовки розігріваються не вихровими струмами безпосередньо, а шляхом теплопровідності від тонкого зовнішнього її шару. Проте, ефективності технології досить, щоб отримати швидкий розігрів або плавлення практично будь-якого електропровідного матеріалу.

Сучасні індукційні нагрівачі будуються на основі коливального контуру (котушка-індуктор і батарея конденсаторів), що живиться резонансним інвертором на IGBT або MOSFET - транзисторах, що дозволяють досягти робочих частот до 300 кГц.

Для більш високих частот застосовують електронні лампи, які дозволяють досягти частот в 50 МГц і вище, наприклад для плавки в ювелірній справі потрібні досить високі частоти, так як розмір заготовки дуже малий.

З метою підвищення добротності робочих контурів, вдаються до одного з двох шляхів: або підвищують частоту, або збільшують індуктивність контуру, шляхом додавання в його конструкцію феромагнітних вставок.

За допомогою високочастотного електричного поля в промисловості здійснюється також діелектричний нагрів. Відмінність від індукційного нагріву - використовувані часті струму (до 500 кГц при індукційному нагріванні і більше 1000 кГц при діелектричному). У цьому випадку важливо, щоб речовина яка нагрівається погано проводила електрику, тобто було діелектриком.

Перевага методу - виділення тепла безпосередньо всередині речовини. В цьому випадку речовини які погано проводять струм можна швидко нагріти зсередини.