Free Press

Indukční ohřev je přesná, rychlá, opakovatelná, účinná a bezkontaktní technika ohřevu kovů nebo jiných elektricky vodivých materiálů.

Indukční ohřívací systém se skládá z indukčního zdroje pro přeměnu síťového napájení na střídavý proud a jeho dodávku do pracovní hlavy a pracovní cívky pro generování elektromagnetického pole uvnitř cívky. Obrobek je v cívce umístěn tak, že toto pole indukuje v obrobku proud, který následně produkuje teplo.

Cívka chlazená vodou je umístěna kolem obrobku nebo na jeho okraji. Nedotýká se obrobku a teplo vzniká pouze indukovaným proudem přenášeným obrobkem. Materiálem použitým k výrobě obrobku může být kov, například měď, hliník, ocel nebo mosaz. Může to být také polovodič, např. grafit, uhlík nebo karbid křemíku.

Pro ohřev nevodivých materiálů, jako jsou plasty nebo sklo, lze indukci použít k ohřevu elektricky vodivého susceptoru, např. grafitu, který pak předává teplo nevodivému materiálu.

Indukční ohřev nachází uplatnění v procesech s teplotami od 100 °C do 3 000 °C (5432 °F). Používá se také v krátkých procesech ohřevu trvajících méně než půl sekundy a v procesech ohřevu, které trvají několik měsíců.

Indukční ohřev se používá jak při vaření v domácnostech, tak při komerčním vaření, v několika aplikacích, jako je tepelné zpracování, pájení, předehřev pro svařování, tavení, smršťování v průmyslu, těsnění, pájení, vytvrzování a ve výzkumu a vývoji.

Jak funguje indukční ohřev?

Indukce vytváří elektromagnetické pole v cívce, které přenáší energii na ohřívaný obrobek. Když elektrický proud prochází podél vodiče, vytváří se kolem něj magnetické pole.

Hlavní výhody indukce

Výhody indukce jsou následující:

• Efektivní a rychlý ohřev
• Přesný, opakovatelný ohřev
• Bezpečný ohřev, protože nedochází k plameni
• Dlouhá životnost výztuže díky přesnému ohřevu

Metody indukčního ohřevu

Indukční ohřev se provádí dvěma způsoby:

První metoda se označuje jako ohřev vířivými proudy ze ztrát I²R způsobených rezistivitou materiálu obrobku. Druhý způsob se označuje jako hysteretický ohřev, při němž se energie v součásti vytváří střídavým magnetickým polem generovaným cívkou měnící magnetickou polaritu součásti.

Hysteretický ohřev probíhá v součásti až do Curieovy teploty, kdy magnetická permeabilita materiálu klesne na 1 a hysteretický ohřev se sníží. Ohřev vířivými proudy představuje zbývající efekt indukčního ohřevu.

Při změně směru elektrického proudu (AC) generované magnetické pole selhává a vytváří se v opačném směru, protože směr proudu je opačný. Když se do tohoto střídavého magnetického pole umístí druhý vodič, vznikne v něm střídavý proud.

Proud procházející druhým vodičem a proud procházející prvním vodičem jsou navzájem úměrné a také převrácené hodnotě čtverce vzdálenosti mezi nimi.

Pokud je drát v tomto modelu nahrazen cívkou, střídavý proud na cívce vytváří elektromagnetické pole a zatímco se ohřívaný obrobek nachází v poli, obrobek se přizpůsobuje druhému drátu a v obrobku vzniká střídavý proud. Ztráty I²R odporu materiálu obrobku způsobují, že se v obrobku vytváří teplo o odporu materiálu obrobku. Tento proces se nazývá ohřev vířivými proudy.

Obrázek 1.

Práce indukční cívky

Pomocí střídavého elektrického pole se energie přenáší na obrobek pomocí pracovní cívky.

Střídavý proud procházející cívkou vytváří elektromagnetické pole, které indukuje proud procházející v obrobku jako zrcadlový obraz proudu procházejícího v pracovní cívce. Pracovní cívka/induktor je součástí systému indukčního ohřevu, který při ohřevu obrobku vykazuje účinnost a efektivitu. Pracovní cívky jsou mnoha typů, od složitých až po jednoduché.

Příkladem jednoduché cívky je spirálově vinutá (nebo solenoidová) cívka, která se skládá z mnoha závitů měděné trubky navinuté kolem trnu. Příkladem složité cívky je cívka přesně vyrobená z plného měděného plechu a pájená.

Obrázek 2.

Pracovní (rezonanční) frekvence

O pracovní frekvenci indukčního ohřevu rozhoduje obrobek, který je třeba ohřát, a materiál obrobku. Je nezbytné použít indukční systém, který poskytuje výkon v rozsahu frekvencí vhodných pro danou aplikaci. Důvody pro různé pracovní frekvence lze pochopit na základě toho, co se označuje jako „skin efekt“. Když elektromagnetické pole indukuje v součástce proud, prochází primárně na povrchu součástky.

Obrázek 3: Elektromagnetické pole, které indukuje proud v součástce. (a) Vysokofrekvenční indukční ohřev má mělký skin efekt, který je účinnější pro malé součásti; (b) Nízkofrekvenční indukční ohřev má hlubší skin efekt, který je účinnější pro větší součásti.

Když je pracovní frekvence vyšší, je hloubka skin efektu menší. Podobně když je pracovní frekvence nižší, hloubka pokožky a pronikání účinku ohřevu jsou hlubší. Hloubka pokožky/hloubka průniku závisí na teplotě, pracovní frekvenci a materiálových vlastnostech dílu.

Příklad (viz tabulka 1), 20mm ocelovou tyč lze odlehčit od napětí ohřevem na 540 °C (1000°F) pomocí 3kHz indukčního systému. Pro zpevnění téže tyče ohřevem na 870 °C (1600°F) však bude zapotřebí systém o frekvenci 10 kHz.

.

Lze tedy říci, že vyšší pracovní frekvence, většinou více než 50 kHz, lze použít k indukčnímu ohřevu menších dílů a nižší pracovní frekvence lze použít k účinnějšímu ohřevu větších dílů.

V případě pokročilých polovodičových indukčních zdrojů s vestavěnými mikroprocesorovými řídicími systémy lze dosáhnout konzistentních a účinných technik ohřevu na základě skutečnosti, že všechny díly jsou v cívce umístěny na stejném místě.

Části indukčního ohřívacího systému

Indukční ohřívací systém se skládá z obvodu nádrže, zdroje napájení a pracovní cívky. V průmyslových aplikacích prochází cívkou dostatečný proud, aby bylo zapotřebí vodní chlazení; proto základní instalace obsahuje vodní chladicí jednotku. Střídavý proud ze střídavého vedení se prostřednictvím napájecího zdroje mění na střídavý proud, který je v souladu s kombinací indukčnosti cívky, kapacity pracovní hlavy a odporu součástek.

Obrázek 4. Indukční ohřev vody. Typický systém indukčního ohřevu

Faktory, které je třeba zvážit

Materiál obrobku určuje rychlost ohřevu a potřebný výkon. Železo a ocel se zahřívají snadno, protože mají vyšší měrný odpor, zatímco hliník a měď potřebují k ohřevu větší výkon kvůli nižšímu měrnému odporu.

Některé oceli mají magnetickou povahu, proto se při indukčním ohřevu využívá měrný odpor a hysteretické vlastnosti kovu. Ocel ztrácí své magnetické vlastnosti při ohřevu nad Curieho teplotu (500-600 °C/1000-1150 °F); ohřev vířivými proudy však poskytuje požadovanou techniku ohřevu pro vyšší teploty.

Potřebný výkon je určen faktory, jako je typ materiálu, velikost obrobku, požadovaný nárůst teploty a doba do dosažení teploty. Podle velikosti ohřívaného obrobku je zásadním faktorem, který je třeba vzít v úvahu, pracovní frekvence indukčního ohřívacího systému.

Podobně u menších obrobků je pro účinný ohřev nutná vyšší frekvence (>50 kHz) a u větších obrobků nižší frekvence (>10 kHz) a větší průnik tepla.

Při zvyšování teploty ohřívaného obrobku dochází také ke ztrátám tepla z obrobku. Ztráty sáláním a konvekcí z obrobku se při vyšších teplotách vyvíjejí ve velmi podstatný faktor. Při vysokých teplotách se často používají izolační metody, aby se snížily tepelné ztráty a snížil potřebný výkon indukčního systému.

Obrázek 5. Rodina napájecích zdrojů pro indukční ohřev Ambrell

Tyto informace byly získány, přezkoumány a upraveny z materiálů poskytnutých společností Ambrell Induction Heating Solutions.

Další informace o tomto zdroji naleznete na stránkách Ambrell Induction Heating Solutions.

Citace

.