Induktionsopvarmning

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 22. januar 2020; checks kræver 2 redigeringer .

Induktionsopvarmning er en metode til berøringsfri opvarmning af elektrisk ledende materialer med høj frekvens og store strømme .

Historien om induktionsopvarmning

Opdagelsen af ​​elektromagnetisk induktion i 1831 tilhører Michael Faraday . Når en leder bevæger sig i en magnets felt, induceres EMF i den , ligesom når en magnet bevæger sig, hvis kraftlinjer skærer det ledende kredsløb. Strømmen i kredsløbet kaldes induktiv. Opfindelserne af mange enheder er baseret på loven om elektromagnetisk induktion, inklusive de definerende - generatorer og transformere, der genererer og distribuerer elektrisk energi, som er det grundlæggende grundlag for hele den elektriske industri.

I 1841 formulerede James Joule (og uafhængigt Emil Lenz ) en kvantitativ vurdering af den termiske effekt af elektrisk strøm: "Den varmeeffekt, der frigives pr. volumenhed af mediet under strømmen af ​​elektrisk strøm, er proportional med produktet af densiteten af den elektriske strøm og størrelsen af ​​den elektriske feltstyrke” ( Joules lov - Lenz ). Den termiske effekt af den inducerede strøm gav anledning til søgningen efter anordninger til berøringsfri opvarmning af metaller. De første forsøg med opvarmning af stål ved hjælp af induktiv strøm blev lavet af E. Colby i USA.

Den første med succes opererer såkaldte. Kanalinduktionsovnen til stålsmeltning blev bygget i 1900 af Benedicks Bultfabrik i Gysing, Sverige. I datidens respektable blad "INGENIØREN" den 8. juli 1904 udkom en berømt publikation , hvor den svenske opfinderingeniør FA Kjellin fortæller om sin udvikling. Ovnen blev drevet af en enfaset transformer. Smeltning blev udført i en digel i form af en ring, metallet i den repræsenterede den sekundære vikling af en transformator drevet af en strøm på 50-60 Hz.

Den første 78 kW ovn blev sat i drift den 18. marts 1900 og viste sig at være meget uøkonomisk, da smeltekapaciteten kun var 270 kg stål pr. Den næste ovn blev fremstillet i november samme år med en kapacitet på 58 kW og en kapacitet på 100 kg til stål. Ovnen viste høj rentabilitet, smeltekapaciteten var fra 600 til 700 kg stål pr. dag. Imidlertid viste foringsslid på grund af termiske udsving sig at være på et uacceptabelt niveau, og hyppige foringsskift reducerede den resulterende effektivitet.

Opfinderen kom til den konklusion, at for maksimal smelteydelse er det nødvendigt at efterlade en betydelig del af smelten under udledning, hvilket undgår mange problemer, herunder slid på foringen. Denne metode til at smelte stål med en rest, som begyndte at blive kaldt "mose", har overlevet indtil i dag i nogle industrier, hvor der bruges ovne med stor kapacitet.

I maj 1902 blev en væsentligt forbedret ovn med en kapacitet på 1800 kg sat i drift, afløbet var 1000-1100 kg, balancen var 700-800 kg, effekten var 165 kW, stålsmeltekapaciteten kunne nå 4100 kg pr. dag! Et sådant energiforbrugsresultat på 970 kWh/t imponerer med sin effektivitet, som ikke er meget ringere end den moderne produktivitet på omkring 650 kWh/t . Ifølge opfinderens beregninger gik 87,5 kW ud af et effektforbrug på 165 kW i tab, den nyttige termiske effekt var 77,5 kW, og en meget høj samlet virkningsgrad på 47 % blev opnået. Rentabiliteten forklares af digelens ringdesign, som gjorde det muligt at lave en multi-turn induktor med lav strøm og højspænding - 3000 V. Moderne ovne med en cylindrisk digel er meget mere kompakte, kræver mindre kapitalinvesteringer, er lettere at drive, udstyret med mange forbedringer over hundrede år af deres udvikling, men effektiviteten er øget ubetydelig. Sandt nok ignorerede opfinderen i sin publikation det faktum, at elektricitet ikke betales for aktiv effekt, men for fuld effekt, som ved en frekvens på 50-60 Hz er cirka dobbelt så høj som aktiv effekt. Og i moderne ovne kompenseres reaktiv effekt af en kondensatorbank.

Med sin opfindelse lagde ingeniøren FA Kjellin grundlaget for udviklingen af ​​industrielle kanalovne til smeltning af ikke-jernholdige metaller og stål i industrilandene i Europa og Amerika. Overgangen fra 50-60 Hz kanalovne til moderne højfrekvente digelovne varede fra 1900 til 1940.

Sådan virker det

Induktionsopvarmning er opvarmning af materialer med elektriske strømme, der induceres af et vekslende magnetfelt. Derfor er dette opvarmning af produkter lavet af ledende materialer (ledere) af magnetfeltet af induktorer (kilder til et vekslende magnetfelt).

Induktionsopvarmning udføres som følger. Et elektrisk ledende (metal, grafit) emne placeres i den såkaldte induktor , som er en eller flere vindinger af tråd (oftest kobber). Kraftige strømme af forskellige frekvenser (fra snesevis af Hz til flere MHz) induceres i induktoren ved hjælp af en speciel generator, som et resultat af hvilket et elektromagnetisk felt opstår omkring induktoren . Det elektromagnetiske felt inducerer hvirvelstrømme i emnet . Hvirvelstrømme opvarmer emnet under påvirkning af Joule-varme .

Induktor-emne-systemet er en kerneløs transformer , hvor induktoren er den primære vikling. Arbejdsemnet er så at sige en sekundær vikling, kortsluttet. Den magnetiske flux mellem viklingerne lukker luft ind.

Ved en høj frekvens forskydes hvirvelstrømme af det magnetiske felt, der dannes af dem, til tynde overfladelag af emnet Δ ​​( hudeffekt ), som et resultat af hvilket deres tæthed øges kraftigt, og emnet opvarmes. De underliggende lag af metallet opvarmes på grund af termisk ledningsevne. Det er ikke strømmen, der er vigtig, men den høje strømtæthed. I skinlaget Δ øges strømtætheden med en faktor e i forhold til strømtætheden i emnet, mens 86,4 % af varmen fra den samlede varmeafgivelse frigives i skinlaget. Dybden af ​​hudlaget afhænger af strålingsfrekvensen: Jo højere frekvens, jo tyndere hudlag. Det afhænger også af den relative magnetiske permeabilitet μ af emnematerialet.

For jern, kobolt, nikkel og magnetiske legeringer ved temperaturer under Curie-punktet har μ en værdi fra flere hundrede til titusinder. For andre materialer (smelter, ikke-jernholdige metaller, flydende lavtsmeltende eutektika , grafit, elektrisk ledende keramik osv.) er μ omtrent lig med én.

Formel til beregning af huddybde i mm:

,

hvor ρ  er den specifikke elektriske modstand af emnematerialet ved behandlingstemperaturen, Ohm m, f  er frekvensen af ​​det elektromagnetiske felt, der genereres af induktoren, Hz.

For eksempel ved en frekvens på 2 MHz er huddybden for kobber omkring 0,047 mm, for jern ≈ 0,0001 mm .

Induktoren bliver meget varm under drift, da den absorberer sin egen stråling. Derudover absorberer den varmestråling fra et varmt emne. De laver induktorer af kobberrør, der er afkølet med vand. Vand tilføres ved sugning - dette sikrer sikkerhed i tilfælde af en forbrænding eller anden trykaflastning af induktoren.

Ansøgning

Fordele

Ulemper

Levitationssmeltning (smeltning i suspension, smeltning i en elektromagnetisk digel)

En vekselstrøm i induktoren genererer en strøm i den modsatte retning i emnet. Området af emnet nær induktoren kan betragtes som en "spole" af en strømførende leder. Strømme, der flyder i modsatte retninger, frastøder hinanden i henhold til Ampères lov. Således afstødes emnet fra induktoren (elektromagnetisk sprængning).

For at suspendere et elektrisk ledende emne anvendes induktorer af specielle designs, normalt lavet i form af en kegle med en moddrejning. Det elektromagnetiske felt i en sådan induktor er stærkere fra bunden og siderne og danner en potentiel brønd, der forhindrer emnet i at bevæge sig nedad og sidelæns.

Samtidig med levitation udføres en intensiv opvarmning af emnet, hvilket tillader smeltning uden kontakt med diglen og uden kontaminering af prøven med digelmaterialet. Denne metode bruges for eksempel til at opnå ultrarene prøver af legeringer.

Induktionsopvarmningsanordninger

Induktionsstrømgeneratorer

Varmespolen er en induktor , der er en del af det fungerende oscillerende kredsløb med en kompenserende kondensatorbank. Opbygningen af ​​kredsløbet udføres enten ved hjælp af elektroniske rør eller ved hjælp af elektroniske halvledernøgler. På installationer med en driftsfrekvens på op til 300 kHz anvendes invertere på IGBT - samlinger eller MOSFET - transistorer. Sådanne installationer er designet til opvarmning af store dele. Til opvarmning af små dele bruges høje frekvenser (op til 5 MHz, rækkevidden af ​​mellem- og korte bølger), højfrekvente installationer er bygget på elektroniske rør .

Også til opvarmning af små dele er højfrekvente installationer bygget på MOSFET'er til driftsfrekvenser op til 1,7 MHz. Styring og beskyttelse af transistorer ved højere frekvenser giver visse vanskeligheder, så højere frekvensindstillinger er stadig ret dyre.

Induktoren til opvarmning af små dele er lille og har en lille induktans, hvilket fører til et fald i kvalitetsfaktoren for det arbejdende oscillatoriske kredsløb ved lave frekvenser og et fald i effektiviteten og udgør også en fare for masteroscillatoren (ved lave frekvenser) , den induktive modstand af induktoren (spolen i det oscillerende kredsløb) er lille, og kortslutning i spolen (induktoren). Kvalitetsfaktoren for det oscillerende kredsløb er proportional med L / C, det oscillerende kredsløb med en lav kvalitetsfaktor er meget dårligt "pumpet" med energi.For at øge kvalitetsfaktoren af ​​det oscillerende kredsløb bruges to måder:

  1. Forøgelse af driftsfrekvensen, hvilket fører til kompleksiteten og omkostningerne ved installationen;
  2. Brugen af ​​ferromagnetiske indsatser i induktoren; klæbe induktoren med paneler af ferromagnetisk materiale.

Da induktoren fungerer mest effektivt ved høje frekvenser, modtog induktionsopvarmning industriel anvendelse efter udvikling og start af produktion af kraftige generatorlamper . Før 1. Verdenskrig var induktionsopvarmning af begrænset brug. På det tidspunkt blev højfrekvente maskingeneratorer (værker af V.P. Vologdin ) eller gnistudladningsinstallationer brugt som generatorer.

Oscillatorkredsløbet kan i princippet være et hvilket som helst ( multivibrator , RC-oscillator, uafhængigt exciteret oscillator, forskellige afspændingsoscillatorer ), der opererer på en belastning i form af en induktorspole og har tilstrækkelig effekt. Det er også nødvendigt, at oscillationsfrekvensen er tilstrækkelig høj.

For at "klippe" en ståltråd med en diameter på 4 mm på få sekunder for eksempel, kræves der en svingningseffekt på mindst 2 kW ved en frekvens på mindst 300 kHz.

Ordningen er udvalgt efter følgende kriterier: pålidelighed; fluktuationsstabilitet; stabiliteten af ​​den frigivne kraft i arbejdsemnet; let fremstilling; nem opsætning; mindste antal dele for at reducere omkostningerne; brugen af ​​dele, der samlet giver en reduktion i vægt og dimensioner mv.

I mange årtier er en induktiv trepunktsgenerator blevet brugt som en generator af højfrekvente svingninger ( en Hartley - generator, en generator med autotransformer-feedback, et kredsløb baseret på en induktiv sløjfespændingsdeler). Dette er et selv-exciteret parallelt strømforsyningskredsløb til anoden og et frekvens-selektivt kredsløb lavet på et oscillerende kredsløb. Det er blevet brugt med succes og bliver fortsat brugt i laboratorier, smykkeværksteder, industrielle virksomheder såvel som i amatørpraksis. For eksempel under Anden Verdenskrig blev overfladehærdning af rullerne på T-34-tanken udført på sådanne installationer.

Tre punkters ulemper:

  1. Lav effektivitet (mindre end 40% ved brug af en lampe);
  2. En stærk frekvensafvigelse på tidspunktet for opvarmning af emner lavet af magnetiske materialer over Curie-punktet (≈700 °C) (μ ændringer), som ændrer dybden af ​​hudlaget og uforudsigeligt ændrer varmebehandlingstilstanden. Ved varmebehandling af kritiske dele kan dette være uacceptabelt. Kraftige HDTV - installationer skal også fungere i et snævert frekvensområde tilladt af Roskomnadzor , da de med dårlig afskærmning faktisk er radiosendere og kan forstyrre tv- og radioudsendelser, kyst- og redningstjenester;
  3. Når emner ændres (for eksempel fra en mindre til en større), ændres induktansen af ​​"induktor-emne" systemet, hvilket også fører til en ændring i frekvensen og dybden af ​​hudlaget;
  4. Når man skifter enkelt-drejningsspoler til multi-turn, til større eller mindre, ændres frekvensen også.

Under ledelse af Babat , Lozinsky og andre forskere blev to- og tre-kredsløbsgeneratorkredsløb udviklet, der har en højere effektivitet (op til 70%) og også bedre holder driftsfrekvensen. Princippet for deres handling er som følger. På grund af brugen af ​​koblede kredsløb og svækkelsen af ​​forbindelsen mellem dem medfører en ændring i arbejdskredsløbets induktans ikke en kraftig ændring i frekvensindstillingskredsløbet. Radiosendere er konstrueret efter samme princip.

Ulempen ved multi-kredsløbssystemer er den øgede kompleksitet og forekomsten af ​​parasitiske oscillationer i VHF-båndet, som ubrugeligt spreder strøm og deaktiverer elementerne i installationen. Sådanne installationer er også tilbøjelige til at forsinke oscillationer - en spontan overgang af generatoren fra en af ​​resonansfrekvenserne til en anden.

Moderne højfrekvensgeneratorer er invertere baseret på IGBT-samlinger eller kraftige MOSFET'er, normalt lavet i henhold til bro- eller halvbro-ensretterkredsløbet. Fungerer ved frekvenser op til 500 kHz. Transistorernes porte åbnes ved hjælp af et mikrocontroller-kontrolsystem. Kontrolsystemet, afhængigt af opgaven, giver dig mulighed for automatisk at holde:

  1. konstant frekvens;
  2. konstant kraft frigivet i emnet;
  3. maksimal effektivitet.

For eksempel, når et magnetisk materiale opvarmes over Curie-punktet, øges tykkelsen af ​​hudlaget kraftigt, strømtætheden falder, og emnet begynder at opvarme værre. Materialets magnetiske egenskaber forsvinder også, og magnetiseringsprocessen stopper - emnet begynder at varme op værre.

Problemet med induktionsopvarmning af emner lavet af magnetiske materialer

Hvis inverteren til induktionsopvarmning ikke er en selvoscillator, ikke har et selvindstillingskredsløb (PLL) og fungerer fra en ekstern masteroscillator (ved en frekvens tæt på resonansfrekvensen for den "induktor-kompenserende kondensatorbank" oscillerende kredsløb). I det øjeblik et emne fremstillet af magnetisk materiale indføres i spolen (hvis emnets dimensioner er store nok og står mål med spolens dimensioner), øges spolens induktans kraftigt, hvilket fører til et brat fald i induktoren. naturlig resonansfrekvens for oscillatorkredsløbet og dets afvigelse fra masteroscillatorens frekvens. Kredsløbet går ud af resonans med masteroscillatoren, hvilket fører til en stigning i dens modstand og et brat fald i den effekt, der overføres til emnet. Hvis enhedens effekt styres af en ekstern strømforsyning, så er den naturlige reaktion fra operatøren at øge enhedens forsyningsspænding. Når emnet opvarmes til Curie-punktet, forsvinder dets magnetiske egenskaber, den naturlige frekvens af oscillatorkredsløbet vender tilbage til masteroscillatorens frekvens. Kredsløbets modstand falder kraftigt, strømforbruget stiger kraftigt. Hvis operatøren ikke har tid til at fjerne den øgede forsyningsspænding, overophedes enheden og svigter. Hvis installationen er udstyret med et automatisk styresystem, skal styresystemet overvåge overgangen gennem Curie-punktet og automatisk reducere masteroscillatorens frekvens, justere den til resonans med oscillatorkredsløbet (eller reducere den tilførte effekt, hvis frekvensen ændring er uacceptabel).

Hvis ikke-magnetiske materialer opvarmes, betyder ovenstående ikke noget. Indføringen af ​​et emne lavet af ikke-magnetisk materiale i induktoren ændrer praktisk talt ikke induktansen af ​​induktoren og ændrer ikke resonansfrekvensen af ​​det arbejdende oscillerende kredsløb, og der er ikke behov for et kontrolsystem.

Hvis dimensionerne af emnet er meget mindre end dimensionerne af induktoren, så ændrer det heller ikke i høj grad resonansen af ​​arbejdskredsløbet.

Induktionskomfurer

Induktionskomfur  - et køkken komfur , der varmer metalredskaber op med inducerede hvirvelstrømme skabt af et højfrekvent magnetfelt , med en frekvens på 20-100 kHz.

En sådan komfur har en højere effektivitet sammenlignet med varmeelementer på elektriske komfurer, da der bruges mindre varme på at opvarme kroppen, og derudover er der ingen accelerations- og afkølingsperiode (når den energi, der genereres, men ikke absorberes af opvasken, er spildt).

Induktionssmelteovne

Induktion (berøringsfri) smelteovne - elektriske ovne til smeltning og overophedning af metaller, hvor opvarmning sker på grund af hvirvelstrømme, der opstår i en metaldigel (og metal), eller kun i metal (hvis diglen ikke er lavet af metal; denne opvarmningsmetode er mere effektiv, hvis diglen er dårligt isoleret).

Det bruges i støberier af metallurgiske anlæg, såvel som i præcisionsstøbeværksteder og reparationsværksteder af maskinbygningsanlæg for at opnå stålstøbegods af høj kvalitet. Det er muligt at smelte ikke-jernholdige metaller (bronze, messing, aluminium) og deres legeringer i en grafitdigel. Induktionsovnen fungerer efter princippet om en transformer, hvor den primære vikling er en vandkølet induktor, den sekundære og samtidig belastningen er metallet i diglen. Opvarmningen og smeltningen af ​​metallet sker på grund af de strømme, der flyder i det, som opstår under påvirkning af det elektromagnetiske felt, der skabes af induktoren.

Noter

Se også

Links

Litteratur