Indukční ohřev

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 22. ledna 2020; kontroly vyžadují 2 úpravy .

Indukční ohřev je metoda bezkontaktního ohřevu elektricky vodivých materiálů vysokou frekvencí a velkými proudy .

Historie indukčního ohřevu

Objev elektromagnetické indukce v roce 1831 patří Michaelu Faradayovi . Když se vodič pohybuje v poli magnetu, indukuje se v něm EMF , stejně jako když se pohybuje magnet, jehož siločáry protínají vodivý obvod. Proud v obvodu se nazývá indukční. Vynálezy mnoha zařízení jsou založeny na zákonu elektromagnetické indukce, včetně těch definujících - generátorů a transformátorů, které vyrábějí a distribuují elektrickou energii, což je základní základ celého elektrotechnického průmyslu.

V roce 1841 James Joule (a nezávisle Emil Lenz ) formuloval kvantitativní hodnocení tepelného účinku elektrického proudu: „Síla tepla uvolněná na jednotku objemu média při toku elektrického proudu je úměrná součinu hustoty elektrický proud a velikost intenzity elektrického pole“ ( Jouleův zákon - Lenz ). Tepelný účinek indukovaného proudu dal podnět k hledání zařízení pro bezkontaktní ohřev kovů. První experimenty s ohřevem oceli pomocí indukčního proudu provedl E. Colby v USA.

První úspěšně fungující tzv. Kanálová indukční pec pro tavení oceli byla postavena v roce 1900 firmou Benedicks Bultfabrik ve švédském Gysingu. V úctyhodném časopise té doby „THE ENGINEER“ se 8. července 1904 objevila slavná publikace , kde švédský vynálezce inženýr FA Kjellin hovoří o svém vývoji. Pec byla napájena jednofázovým transformátorem. Tavení probíhalo v kelímku ve formě prstence, kov v něm představoval sekundární vinutí transformátoru napájeného proudem 50-60 Hz.

První pec o výkonu 78 kW byla uvedena do provozu 18. března 1900 a ukázala se jako velmi neekonomická, protože tavící kapacita byla pouze 270 kg oceli za den. Další pec byla vyrobena v listopadu téhož roku o výkonu 58 kW a kapacitě 100 kg pro ocel. Pec vykazovala vysokou rentabilitu, kapacita tavení byla od 600 do 700 kg oceli za den. Opotřebení obložení vlivem teplotních výkyvů se však ukázalo jako nepřijatelné a časté výměny obložení snižovaly výslednou účinnost.

Vynálezce došel k závěru, že pro maximální výkon tavení je nutné ponechat značnou část taveniny při vypouštění, čímž se zabrání mnoha problémům včetně opotřebení výstelky. Tento způsob tavení oceli se zbytkem, kterému se začalo říkat „bažina“, přežil dodnes v některých odvětvích, kde se používají velkokapacitní pece.

V květnu 1902 byla uvedena do provozu výrazně vylepšená pec o obsahu 1800 kg, odtok byl 1000-1100 kg, bilance 700-800 kg, výkon 165 kW, kapacita tavení oceli mohla dosáhnout 4100 kg za den! Takový výsledek spotřeby energie 970 kWh/t zaujme svou účinností, která není o moc horší než moderní produktivita kolem 650 kWh/t . Podle výpočtů vynálezce ze spotřeby 165 kW šlo do ztrát 87,5 kW, užitečný tepelný výkon byl 77,5 kW a bylo dosaženo velmi vysoké celkové účinnosti 47 %. Ziskovost je vysvětlena prstencovým designem kelímku, který umožnil vyrobit víceotáčkový induktor s nízkým proudem a vysokým napětím - 3000 V. Moderní pece s válcovým kelímkem jsou mnohem kompaktnější, vyžadují menší kapitálové investice, jsou jednodušší k provozu, vybavené mnoha vylepšeními za sto let svého vývoje, ale účinnost je zvýšena zanedbatelně. Pravda, vynálezce ve své publikaci ignoroval skutečnost, že elektřina se neplatí za činný výkon, ale za plný výkon, který je při frekvenci 50-60 Hz přibližně dvakrát vyšší než činný výkon. A v moderních pecích je jalový výkon kompenzován kondenzátorovou bankou.

Inženýr FA Kjellin svým vynálezem položil základ pro vývoj průmyslových kanálových pecí pro tavení neželezných kovů a oceli v průmyslových zemích Evropy a Ameriky. Přechod z kanálových pecí 50-60 Hz na moderní vysokofrekvenční kelímkové pece trval od roku 1900 do roku 1940.

Jak to funguje

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 kolem induktoru vzniká elektromagnetické pole . Elektromagnetické pole indukuje v obrobku vířivé proudy . Vířivé proudy ohřívají obrobek působením Jouleova tepla .

Systém induktor-blank je bezjádrový transformátor , ve kterém je induktor primárním vinutím. Obrobek je jakoby sekundární vinutí, zkratované. Magnetický tok mezi vinutími se ve vzduchu uzavírá.

Vířivé proudy jsou při vysoké frekvenci vytlačovány jimi tvořeným magnetickým polem do tenkých povrchových vrstev obrobku Δ ( skin effect ), v důsledku čehož se jejich hustota prudce zvyšuje a obrobek se zahřívá. Spodní vrstvy kovu se zahřívají v důsledku tepelné vodivosti. Není důležitý proud, ale vysoká proudová hustota. Ve vrstvě povlaku Δ se proudová hustota zvyšuje o faktor e vzhledem k proudové hustotě v obrobku, zatímco 86,4 % tepla z celkového uvolnění tepla se uvolňuje ve vrstvě povlaku. Hloubka vrstvy kůže 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, tekutá nízkotavná eutektika , grafit, elektricky vodivá keramika atd.) se μ rovná přibližně jedné.

Vzorec pro výpočet hloubky kůže v mm:

,

kde ρ  je měrný elektrický odpor materiálu obrobku při teplotě zpracování, Ohm m, f  je frekvence elektromagnetického pole generovaného induktorem, Hz.

Například při frekvenci 2 MHz je hloubka slupky pro měď asi 0,047 mm, pro železo ≈ 0,0001 mm .

Induktor se během provozu velmi zahřívá, protože pohlcuje své vlastní záření. Navíc pohlcuje tepelné záření z horkého obrobku. Vyrábějí tlumivky z měděných trubek chlazených vodou. Voda je přiváděna odsáváním - to zajišťuje bezpečnost v případě popálení nebo jiného odtlakování induktoru.

Aplikace

Výhody

Nevýhody

Levitační tavení (tavení v suspenzi, tavení v elektromagnetickém kelímku)

Střídavý proud v induktoru generuje v obrobku proud v opačném směru. Oblast obrobku v blízkosti induktoru lze považovat za "cívku" vodiče s proudem. Proudy tekoucí opačnými směry se podle Ampérova zákona vzájemně odpuzují. Tím je obrobek odpuzován od induktoru (elektromagnetický výbuch).

K zavěšení elektricky vodivého obrobku se používají induktory speciálních konstrukcí, obvykle vyrobené ve formě kužele s protisměrným chodem. Elektromagnetické pole v takovém induktoru je silnější zespodu a ze stran a tvoří potenciálovou studnu, která zabraňuje pohybu obrobku dolů a do stran.

Současně s levitací probíhá intenzivní ohřev obrobku, který umožňuje tavení bez kontaktu s kelímkem a bez kontaminace vzorku materiálem kelímku. Tato metoda se používá například pro získání ultračistých vzorků slitin.

Indukční ohřívací zařízení

Generátory indukčního proudu

Topný induktor je induktor , který je součástí pracovního oscilačního obvodu s kompenzační kondenzátorovou baterií. Sestavení obvodu se provádí buď pomocí elektronek, nebo pomocí polovodičových elektronických klíčů. V instalacích s pracovní frekvencí do 300 kHz se používají invertory 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, rozsah středních a krátkých vln), vysokofrekvenční instalace jsou postaveny na elektronkách .

Také pro ohřev malých dílů jsou na MOSFETy postaveny vysokofrekvenční instalace pro provozní frekvence až 1,7 MHz. Řízení a ochrana tranzistorů na vyšších frekvencích představuje určité potíže, takže nastavení vyšších frekvencí je stále poměrně drahé.

Induktor pro ohřev malých dílů je malý a má malou indukčnost, což vede ke snížení činitele kvality pracovního oscilačního obvodu při nízkých frekvencích a snížení účinnosti a také představuje nebezpečí pro hlavní oscilátor (při nízkých frekvencích , indukční odpor induktoru (cívky oscilačního obvodu) je malý a zkrat v cívce (induktoru). Činitel kvality oscilačního obvodu je úměrný L / C, oscilační obvod s nízkým činitelem jakosti je velmi špatně "pumpováno" energií. Pro zvýšení činitele kvality oscilačního obvodu se používají dva způsoby:

  1. Zvýšení provozní frekvence, což vede ke složitosti a nákladům na instalaci;
  2. Použití feromagnetických vložek v induktoru; lepení induktoru panely z feromagnetického materiálu.

Protože induktor pracuje nejúčinněji při vysokých frekvencích, dostalo indukční ohřev průmyslové uplatnění po vývoji a zahájení výroby výkonných generátorových lamp . Před první světovou válkou byl indukční ohřev omezený. V té době se jako generátory používaly vysokofrekvenční strojní generátory (práce V.P. Vologdina ) nebo jiskrové výboje.

Obvod oscilátoru může být v zásadě libovolný ( multivibrátor , RC oscilátor, nezávisle buzený oscilátor, různé relaxační oscilátory ), pracující na zátěži ve formě indukční cívky a mající dostatečný výkon. Je také nutné, aby frekvence kmitání byla dostatečně vysoká.

Například, aby bylo možné během několika sekund "uříznout" ocelový drát o průměru 4 mm, je zapotřebí oscilační výkon alespoň 2 kW při frekvenci alespoň 300 kHz.

Schéma se vybírá podle následujících kritérií: spolehlivost; stabilita kolísání; stabilita výkonu uvolněného v obrobku; snadnost výroby; snadné nastavení; minimální počet dílů pro snížení nákladů; použití dílů, které celkově snižují hmotnost a rozměry atd.

Indukční tříbodový generátor se po mnoho desetiletí používá jako generátor vysokofrekvenčních kmitů ( Hartleyův generátor, generátor s autotransformátorovou zpětnou vazbou, obvod na bázi děliče napětí indukční smyčky). Jedná se o samobuzený 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 ve třech bodech:

  1. Nízká účinnost (méně než 40% při použití lampy);
  2. Silná frekvenční odchylka v okamžiku ohřevu polotovarů z magnetických materiálů nad Curieovým bodem (≈700 °C) (změny μ), která mění hloubku vrstvy kůže a nepředvídatelně mění režim tepelného zpracování. Při tepelném zpracování kritických částí to může být nepřijatelné. Také výkonné HDTV instalace musí fungovat v úzkém rozsahu frekvencí povolených Roskomnadzorem , protože se špatným stíněním jsou ve skutečnosti rádiovými vysílači a mohou rušit televizní a rozhlasové vysílání, pobřežní a záchranné služby;
  3. Při výměně polotovarů (například z menšího na větší) se změní indukčnost systému „induktor-blank“, což také vede ke změně frekvence a hloubky vrstvy kůže;
  4. 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 drží provozní frekvenci. Princip jejich působení 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 konstruovány podle stejného principu.

Nevýhodou víceokruhových systémů je zvýšená složitost a výskyt parazitních kmitů v pásmu VKV, které zbytečně rozptylují výkon a vyřazují z činnosti prvky instalace. Takové instalace jsou také náchylné ke zpožděným oscilacím - spontánnímu přechodu generátoru z jedné z rezonančních frekvencí na druhou.

Moderní vysokofrekvenční generátory jsou invertory založené na IGBT sestavách nebo výkonných MOSFETech, obvykle vyrobené podle můstkového nebo polomůstkového usměrňovacího obvodu. Pracujte na frekvencích až 500 kHz. Brány tranzistorů se otevírají pomocí řídicího systému mikrokontroléru. Řídicí systém vám v závislosti na úkolu umožňuje automaticky držet:

  1. konstantní frekvence;
  2. konstantní výkon uvolněný v obrobku;
  3. maximální 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.

Problém indukčního ohřevu obrobků z magnetických materiálů

Pokud invertor pro indukční ohřev není samooscilátor, nemá samočinný ladicí obvod (PLL) a pracuje z externího hlavního oscilátoru (při frekvenci blízké rezonanční frekvenci oscilační „banky kompenzačních kondenzátorů“ obvod). V okamžiku, kdy je do induktoru zaveden obrobek vyrobený z magnetického materiálu (pokud jsou rozměry obrobku dostatečně velké a úměrné rozměrům induktoru), indukčnost induktoru prudce vzroste, což vede k prudkému poklesu tlumivky. vlastní rezonanční frekvence oscilačního obvodu a její odchylka od frekvence hlavního oscilátoru. Obvod vypadne z rezonance s hlavním oscilátorem, což vede ke zvýšení jeho odporu a prudkému poklesu výkonu přenášeného na obrobek. Pokud je výkon jednotky řízen externím napájecím zdrojem, pak je přirozenou reakcí obsluhy zvýšení napájecího napětí jednotky. Když se obrobek zahřeje na Curieův bod, jeho magnetické vlastnosti zmizí, vlastní frekvence oscilačního obvodu se vrátí zpět na frekvenci hlavního oscilátoru. Prudce klesá odpor obvodu, prudce se zvyšuje odběr proudu. Pokud obsluha nestihne odstranit zvýšené napájecí napětí, jednotka se přehřeje a selže. Pokud je instalace vybavena automatickým řídicím systémem, pak by měl řídicí systém sledovat přechod Curieovým bodem a automaticky snížit frekvenci hlavního oscilátoru a upravit ji tak, aby rezonance s oscilačním obvodem (nebo snížit dodávaný výkon, pokud je frekvence změna je nepřijatelná).

Pokud se ohřívají nemagnetické materiály, pak na výše uvedeném nezáleží. Zavedením polotovaru z nemagnetického materiálu do induktoru se prakticky nemění indukčnost induktoru a neposouvá se rezonanční frekvence pracovního oscilačního obvodu a není potřeba řídicí systém.

Pokud jsou rozměry obrobku mnohem menší než rozměry induktoru, pak to také příliš neposouvá rezonanci pracovního obvodu.

Indukční vařiče

Indukční sporák  - kuchyňský elektrický sporák , který ohřívá kovové nádobí indukovanými vířivými proudy vytvářenými vysokofrekvenčním magnetickým polem o frekvenci 20-100 kHz.

Takový sporák má vyšší účinnost ve srovnání s topnými tělesy elektrických sporáků, protože na zahřívání těla se spotřebuje méně tepla a navíc nedochází k zrychlení a ochlazování (kdy je vytvořená energie, ale neabsorbována nádobím, promarněné).

Indukční tavicí pece

Indukční (bezkontaktní) tavicí pece - elektrické pece pro tavení a přehřívání kovů, ve kterých dochází k ohřevu v důsledku vířivých proudů, které se vyskytují v kovovém kelímku (a kovu), nebo pouze v kovu (pokud kelímek není kovový; tento způsob ohřevu je účinnější, pokud je kelímek špatně izolovaný).

Používá se ve slévárnách hutních provozů, ale i v přesných slévárnách a opravnách strojírenských závodů k získání vysoce kvalitních ocelových odlitků. V grafitovém kelímku je možné tavit neželezné kovy (bronz, mosaz, hliník) a jejich slitiny. Indukční pec funguje na principu transformátoru, ve kterém je primárním vinutím vodou chlazená tlumivka, sekundárním a zároveň zátěží je kov v kelímku. K zahřívání a tavení kovu dochází v důsledku proudů v něm procházejících, které vznikají vlivem elektromagnetického pole vytvářeného induktorem.

Poznámky

Viz také

Odkazy

Literatura