Как работи и работи индукционен нагревател

Принципът на работа на индукционен нагревател се състои в нагряване на електропроводима метална заготовка чрез затворен вихров ток, индуциран в нея.

Вихровите токове са течения, които възникват в твърди проводници поради явлението електромагнитна индукция, когато тези проводници се проникват от променливо магнитно поле. За създаването на тези токове се изразходва енергия, която се превръща в топлина и загрява проводниците.

За да се намалят тези загуби и да се премахне нагряването, вместо твърди проводници се използват слоести, при които отделните слоеве са разделени чрез изолация. Тази изолация предотвратява появата на големи затворени вихрови токове и намалява загубите на енергия за поддържането им. Именно от тези съображения сърцевините на трансформатора, арматурата на генераторите и т.н., са направени от тънки стоманени листове, изолирани един от друг чрез слоеве лак.

Индукторът в индукционен нагревател е намотка с променлив ток, предназначена да създава променливо електромагнитно поле с висока честота.

Променливото високочестотно магнитно поле от своя страна действа върху електропроводим материал, предизвиквайки в него затворен ток с висока плътност и по този начин нагрява детайла, докато се стопи. Това явление е известно от дълго време и е обяснимо от времето на Майкъл Фарадей, който описва явление на електромагнитна индукция още през 1931 г.

Променящото се във времето магнитно поле предизвиква променлива ЕМП в проводника, която пресича със силовите си линии. Такъв проводник по принцип може да бъде намотка на трансформатор, сърцевина на трансформатор или плътно парче от някакъв метал.

Ако ЕМП се индуцира в намотката, тогава се получава трансформатор или приемник, а ако директно в магнитната верига или в късо съединение се получава индукционно нагряване на магнитната верига или намотката.

В лошо проектиран трансформатор, например, отопление на сърцевината чрез токове на Фуко би било недвусмислено вредно, но в индукционен нагревател подобно явление служи за полезна цел.

От гледна точка на естеството на товара, индукционен нагревател с нагрет в него проводящ детайл е като трансформатор с късо съединение на вторична намотка от един оборот. Тъй като съпротивлението вътре в детайла е изключително малко, дори малко индуцирано вихрово електрическо поле е достатъчно, за да създаде ток с такава висока плътност, че неговият топлинен ефект (вж. Законът на Джоул-Ленц) би било много изразително и практично.

Първата канална пещ от този вид се появява в Швеция през 1900 г., тя се захранва с ток с честота 50-60 Hz, използва се за топене на стоманена канала и металът се подава в тигел, разположен по начин на кратко -верижно завъртане на вторичната намотка на трансформатор. Проблемът с ефективността, разбира се, беше налице, тъй като ефективността беше по -малка от 50%.

Днес индукционният нагревател е безжичен трансформатор, състоящ се от един или повече завъртания на относително дебела медна тръба, през която охлаждащата течност на активна охладителна система се изпомпва с помощта на помпа. Променлив ток с честота от няколко килохерца до няколко мегахерца се подава към проводимото тяло на тръбата, като към индуктор, в зависимост от параметрите на пробата, която се обработва.

Факт е, че при високи честоти вихровият ток се измества от пробата, нагрята от самия вихров ток, тъй като магнитното поле на този вихрови ток измества тока, който се е генерирал към повърхността.

Това се проявява като кожен ефект, когато максималната плътност на тока е в резултат на падането на повърхността на детайла върху тънък слой и колкото по -висока е честотата и по -ниското електрическо съпротивление на нагрятия материал, толкова по -тънък е слоят от обвивката.

За медта например при 2 MHz кожата е само четвърт милиметър! Това означава, че вътрешните слоеве на медната заготовка се нагряват не директно от вихрови токове, а чрез топлопроводимост от тънкия й външен слой. Технологията обаче е достатъчно ефективна за бързо загряване или стопяване на почти всеки електропроводим материал.

Изграждат се съвременни индукционни нагреватели на базата на трептяща верига (намотка-индуктор и кондензатор), захранвани от включен резонансен инвертор IGBT или MOSFET — транзисторипозволяващи постигане на работни честоти до 300 kHz.

За по -високи честоти се използват вакуумни тръби, които правят възможно достигането на честоти от 50 MHz и по -високи, например, за топене на бижута са необходими доста високи честоти, тъй като размерът на детайла е много малък.

За да увеличат коефициента на качество на работните вериги, те прибягват до един от двата начина: или увеличаване на честотата, или увеличаване на индуктивността на веригата, чрез добавяне на феромагнитни вложки към нейната конструкция.

Диелектричното отопление също се извършва с помощта на високочестотно електрическо поле в промишлеността. Разликата от индукционното нагряване е използваните текущи честоти (до 500 kHz с индукционно нагряване и повече от 1000 kHzс диелектрик). В този случай е важно веществото, което трябва да се нагрее, да не провежда добре електричеството, т.е. беше диелектрик.

Предимството на метода е генерирането на топлина директно вътре в веществото. В този случай лошо проводимите вещества могат бързо да се нагреят отвътре. За повече подробности вижте тук: Фундаментални физически основи на методите за високочестотно нагряване на диелектрици