Free Press

Induktionsopvarmning er en præcis, hurtig, gentagelig, effektiv, berøringsfri teknik til opvarmning af metaller eller andre elektrisk ledende materialer.

Et induktionsopvarmningssystem består af en induktionsstrømforsyning til at konvertere netstrøm til vekselstrøm og levere den til et arbejdshoved og en arbejdsspole til at generere et elektromagnetisk felt i spolen. Arbejdsstykket er placeret i spolen, således at dette felt inducerer en strøm i arbejdsstykket, som igen producerer varme.

Den vandkølede spole er placeret omkring eller på grænsen til arbejdsstykket. Den er ikke i kontakt med arbejdsstykket, og varmen produceres kun af den inducerede strøm, der overføres gennem arbejdsstykket. Det materiale, der anvendes til at fremstille arbejdsstykket, kan være et metal som f.eks. kobber, aluminium, stål eller messing. Det kan også være en halvleder som f.eks. grafit, kulstof eller siliciumcarbid.

Til opvarmning af ikke-ledende materialer som f.eks. plast eller glas kan induktion anvendes til at opvarme en elektrisk ledende susceptor, f.eks. grafit, som derefter overfører varmen til det ikke-ledende materiale.

Induktionsopvarmning finder anvendelse i processer, hvor temperaturen er så lav som 100ºC (212°F) og så høj som 3000°C (5432°F). Den anvendes også i korte opvarmningsprocesser, der varer mindre end et halvt sekund, og i opvarmningsprocesser, der strækker sig over flere måneder.

Induktionsopvarmning anvendes både til madlavning i hjemmet og i erhvervslivet, i flere anvendelser som f.eks. varmebehandling, lodning, forvarmning til svejsning, smeltning, krympning i industrien, forsegling, lodning, hærdning og inden for forskning og udvikling.

Hvordan fungerer induktionsopvarmning?

Induktion producerer et elektromagnetisk felt i en spole for at overføre energi til et arbejdsstykke, der skal opvarmes. Når den elektriske strøm passerer langs en ledning, dannes der et magnetfelt omkring denne ledning.

De vigtigste fordele ved induktion

Fordelene ved induktion er:

• Effektiv og hurtig opvarmning
• Præcis, gentagelig opvarmning
• Sikker opvarmning, da der ikke er nogen flamme
• Forlænget levetid for fastgørelsesudstyr på grund af præcis opvarmning

Metoder til induktionsopvarmning

Induktionsopvarmning sker ved hjælp af to metoder:

Den første metode betegnes som hvirvelstrømsopvarmning på grund af I²R tabet forårsaget af resistiviteten i et arbejdsstykkes materiale. Den anden kaldes hysteretisk opvarmning, hvor der produceres energi i en del ved det vekslende magnetfelt, der genereres af spolen, som ændrer komponentens magnetiske polaritet.

Hysteretisk opvarmning forekommer i en komponent op til Curie-temperaturen, hvor materialets magnetiske permeabilitet falder til 1, og den hysteretiske opvarmning reduceres. Vibeopvarmning udgør den resterende induktionsopvarmningseffekt.

Når der sker en ændring i den elektriske strøms retning (AC), svigter det genererede magnetfelt og produceres i den modsatte retning, da strømretningen vendes. Når en anden ledning placeres i dette vekslende magnetfelt, produceres der en vekselstrøm i den anden ledning.

Den strøm, der overføres gennem den anden ledning og den strøm, der overføres gennem den første ledning, er proportional med hinanden og også med den omvendte af kvadratet på afstanden mellem dem.

Når tråden i denne model erstattes af en spole, genererer vekselstrømmen på spolen et elektromagnetisk felt, og mens det arbejdsstykke, der skal opvarmes, befinder sig i feltet, passer arbejdsstykket til den anden tråd, og der produceres en vekselstrøm i arbejdsstykket. I²R-tabene i arbejdsstykkets materialemodstand bevirker, at der skabes varme i arbejdsstykket på grund af arbejdsstykkets materialemodstand. Dette kaldes hvirvelstrømsopvarmning.

Figur 1.

Funktion af en induktionsspole

Med hjælp af et elektrisk vekselfelt overføres energi til arbejdsstykket med en arbejdsspole.

Den vekselstrøm, der passerer gennem spolen, producerer det elektromagnetiske felt, som inducerer en strøm, der passerer i arbejdsstykket som et spejlbillede af den strøm, der passerer i arbejdsspolen. Arbejdsspolen/induktoren er en del af induktionsopvarmningssystemet, der viser effektiviteten og virkningsgraden af arbejdsstykket, når det opvarmes. Der findes mange typer af arbejdsspoler, lige fra komplekse til enkle.

Spiralspolen (eller solenoidspolen) er et eksempel på en enkel spole, som består af mange vindinger af kobberrør, der er viklet rundt om en dorn. En spole, der er præcisionsbearbejdet af massivt kobber og loddet sammen, er et eksempel på en kompleks spole.

Figur 2.

Driftsfrekvens (resonansfrekvens)

Det emne, der skal opvarmes, og emnets materiale er afgørende for induktionsvarmesystemets driftsfrekvens. Det er vigtigt at anvende et induktionssystem, der leverer effekt i det frekvensområde, der er egnet til anvendelsen. Årsagerne til de forskellige driftsfrekvenser kan forstås ud fra det, der kaldes “skin-effekten”. Når det elektromagnetiske felt inducerer en strøm i en komponent, passerer den primært ved komponentens overflade.

Figur 3. (a) Højfrekvent induktionsopvarmning har en overfladisk hudeffekt, som er mere effektiv for små dele; (b) Lavfrekvent induktionsopvarmning har en dybere hudeffekt, som er mere effektiv for større dele.

Når driftsfrekvensen er højere, er huddybden mindre. Tilsvarende er huddybden og indtrængningen af varmeeffekten dybere, når driftsfrekvensen er lavere. Huddybden/indtrængningsdybden er baseret på emnets temperatur, driftsfrekvens og materialeegenskaber.

Til eksempel (se tabel 1) kan en 20 mm stålstang spændingsaflastes ved at opvarme den til 540 °C (1000 °F) ved hjælp af et 3 kHz induktionssystem. Der er imidlertid behov for et 10 kHz-system for at hærde den samme stang ved at opvarme den til 870°C (1600°F).

Dermed kan det siges, at højere driftsfrekvenser, oftest mere end 50 kHz, kan bruges til at opvarme mindre dele med induktion, og lavere driftsfrekvenser kan bruges til at opvarme større dele mere effektivt.

Med avancerede solid-state induktionsstrømforsyninger med indbyggede mikroprocessorstyresystemer kan der opnås konsekvente og effektive opvarmningsteknikker baseret på, at alle dele placeres på et ensartet sted i spolen.

Dele af et induktionsvarmesystem

Et induktionsvarmesystem består af et tankkredsløb, en strømforsyning og en arbejdsspole. I industrielle anvendelser er der tilstrækkelig strøm, der passerer gennem spolen, til at der er behov for vandkøling; derfor indeholder en basisinstallation en vandkølingsenhed. Vekselstrømmen fra vekselstrømslinjen omdannes gennem en strømforsyning til en vekselstrøm, der er i overensstemmelse med kombinationen af spoleinduktans, arbejdshovedkapacitans og komponentresistivitet.

Figur 4. Typisk induktionsopvarmningssystem

Faktorer, der skal tages i betragtning

Arbejdstykkets materiale dikterer den nødvendige opvarmningshastighed og effekt. Jern og stål opvarmes let, da de har en højere resistivitet, mens aluminium og kobber har brug for mere strøm til opvarmning på grund af deres lavere resistivitet.

Visse ståltyper er magnetiske af natur, hvorfor metallets resistivitet og hysteretiske egenskaber udnyttes, når de opvarmes med induktion. Stålet mister sine magnetiske egenskaber, når det opvarmes over Curie-temperaturen (500-600 °C/1000-1150 °F); hvirvelstrømsopvarmning giver dog den nødvendige opvarmningsteknik til højere temperaturer.

Den nødvendige effekt bestemmes af faktorer som materialetype, arbejdsstykkets størrelse, den nødvendige temperaturstigning og tiden til temperatur. Alt efter størrelsen af det arbejdsstykke, der skal opvarmes, er den væsentlige faktor, der skal tages i betragtning, induktionsopvarmningssystemets driftsfrekvens.

Sådan er der i tilfælde af mindre arbejdsstykker behov for en højere frekvens (>50 kHz) for effektiv opvarmning, og i tilfælde af større arbejdsstykker er der behov for en lavere frekvens (>10 kHz) og en større indtrængning af varmen.

Når temperaturen på det opvarmede arbejdsstykke stiger, tabes der også varme fra arbejdsstykket. Strålings- og konvektionstab fra arbejdsstykket udvikler sig til en meget væsentlig faktor med højere temperaturer. Isoleringsmetoder anvendes ofte ved høje temperaturer for at reducere varmetab og for at mindske den nødvendige effekt fra induktionssystemet.

Figur 5. Familie af Ambrell Induction Heating Power Supplies

Disse oplysninger er hentet, gennemgået og tilpasset fra materialer leveret af Ambrell Induction Heating Solutions.

For yderligere oplysninger om denne kilde kan du besøge Ambrell Induction Heating Solutions.

Citationer