Încălzire prin inducție

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 22 ianuarie 2020; verificările necesită 2 modificări .

Încălzirea prin inducție este o metodă de încălzire fără contact a materialelor conductoare electric cu frecvență înaltă și curenți mari .

Istoricul încălzirii prin inducție

Descoperirea inducției electromagnetice în 1831 îi aparține lui Michael Faraday . Când un conductor se mișcă în câmpul unui magnet, EMF este indusă în el , la fel ca atunci când se mișcă un magnet, ale cărui linii de forță intersectează circuitul conductor. Curentul din circuit se numește inductiv. Invențiile multor dispozitive se bazează pe legea inducției electromagnetice, inclusiv pe cele definitorii - generatoare și transformatoare care generează și distribuie energie electrică, care este baza fundamentală a întregii industrii electrice.

În 1841, James Joule (și în mod independent Emil Lenz ) a formulat o evaluare cantitativă a efectului termic al curentului electric: „Puterea căldurii degajate pe unitatea de volum a mediului în timpul curgerii curentului electric este proporțională cu produsul densității curentul electric și mărimea intensității câmpului electric” ( legea lui Joule - Lenz ). Efectul termic al curentului indus a dat naștere la căutarea unor dispozitive de încălzire fără contact a metalelor. Primele experimente privind încălzirea oțelului folosind curent inductiv au fost făcute de E. Colby în SUA.

Primul care funcționează cu succes așa-numitul. Cuptorul cu inducție cu canal pentru topirea oțelului a fost construit în 1900 de Benedicks Bultfabrik din Gysing, Suedia. În revista respectabilă a acelei vremuri „THE ENGINEER” din 8 iulie 1904, a apărut o publicație faimoasă , unde inventatorul suedez inginerul FA Kjellin vorbește despre dezvoltarea sa. Cuptorul era alimentat de un transformator monofazat. Topirea a fost efectuată într-un creuzet sub formă de inel, metalul din acesta reprezenta înfășurarea secundară a unui transformator alimentat de un curent de 50-60 Hz.

Primul cuptor de 78 kW a fost pus în funcțiune pe 18 martie 1900 și s-a dovedit a fi foarte neeconomic, deoarece capacitatea de topire era de numai 270 kg de oțel pe zi. Următorul cuptor a fost fabricat în noiembrie același an cu o capacitate de 58 kW și o capacitate de 100 kg pentru oțel. Cuptorul a prezentat o rentabilitate ridicată, capacitatea de topire a fost de la 600 la 700 kg de oțel pe zi. Cu toate acestea, uzura căptușelii din cauza fluctuațiilor termice s-a dovedit a fi la un nivel inacceptabil, iar schimbările frecvente ale căptușelii au redus eficiența rezultată.

Inventatorul a ajuns la concluzia că, pentru performanța maximă de topire, este necesar să se lase o parte semnificativă a topiturii în timpul descărcării, ceea ce evită multe probleme, inclusiv uzura căptușelii. Această metodă de topire a oțelului cu un reziduu, care a început să fie numită „mlaștină”, a supraviețuit până în zilele noastre în unele industrii în care se folosesc cuptoare de mare capacitate.

În mai 1902, a fost pus în funcțiune un cuptor îmbunătățit semnificativ, cu o capacitate de 1800 kg, scurgerea era de 1000-1100 kg, soldul era de 700-800 kg, puterea era de 165 kW, capacitatea de topire a oțelului putea ajunge la 4100 kg per zi! Un astfel de rezultat de consum de energie de 970 kWh/t impresionează prin eficiența sa, care nu este cu mult inferioară productivității moderne de aproximativ 650 kWh/t . Conform calculelor inventatorului, dintr-un consum de putere de 165 kW, 87,5 kW au intrat în pierderi, puterea termică utilă a fost de 77,5 kW și s-a obținut o eficiență totală foarte mare de 47%. Rentabilitatea este explicată de designul inelului creuzetului, care a făcut posibilă realizarea unui inductor cu mai multe ture cu curent scăzut și tensiune înaltă - 3000 V. Cuptoarele moderne cu creuzet cilindric sunt mult mai compacte, necesită mai puține investiții de capital, sunt mai ușor să funcționeze, echipat cu multe îmbunătățiri peste o sută de ani de dezvoltare a acestora, dar eficiența este crescută nesemnificativ. Adevărat, inventatorul în publicația sa a ignorat faptul că electricitatea este plătită nu pentru puterea activă, ci pentru puterea maximă, care la o frecvență de 50-60 Hz este de aproximativ de două ori mai mare decât puterea activă. Și în cuptoarele moderne, puterea reactivă este compensată de o bancă de condensatoare.

Cu invenția sa, inginerul FA Kjellin a pus bazele dezvoltării cuptoarelor industriale cu canale pentru topirea metalelor neferoase și a oțelului în țările industriale din Europa și America. Tranziția de la cuptoarele cu canal de 50-60 Hz la cuptoarele moderne cu creuzet de înaltă frecvență a durat între 1900 și 1940.

Cum funcționează

Încălzirea prin inducție este încălzirea materialelor prin curenți electrici care sunt induși de un câmp magnetic alternativ. Prin urmare, aceasta este încălzirea produselor din materiale conductoare (conductoare) de către câmpul magnetic al inductorilor (surse ale unui câmp magnetic alternant).

Încălzirea prin inducție se realizează după cum urmează. O piesă de prelucrat conductoare electric (metal, grafit) este plasată în așa-numitul inductor , care este una sau mai multe spire de sârmă (cel mai adesea cupru). Curenți puternici de diferite frecvențe (de la zeci de Hz la câțiva MHz) sunt induși în inductor folosind un generator special, în urma căruia apare un câmp electromagnetic în jurul inductorului . Câmpul electromagnetic induce curenți turbionari în piesa de prelucrat . Curenții turbionari încălzesc piesa de prelucrat sub acțiunea căldurii Joule .

Sistemul inductor-marcă este un transformator fără miez , în care inductorul este înfășurarea primară. Piesa de prelucrat este, parcă, o înfășurare secundară, scurtcircuitată. Fluxul magnetic dintre înfășurări se închide în aer.

La o frecvență înaltă, curenții turbionari sunt deplasați de câmpul magnetic format de aceștia în straturi subțiri ale suprafeței piesei de prelucrat Δ ​​( efect de piele ), drept urmare densitatea lor crește brusc și piesa de prelucrat este încălzită. Straturile subiacente ale metalului sunt încălzite datorită conductivității termice. Nu curentul este important, ci densitatea mare de curent. În stratul de piele Δ, densitatea de curent crește cu un factor de e în raport cu densitatea de curent din piesa de prelucrat, în timp ce 86,4% din căldura de la eliberarea totală de căldură este eliberată în stratul de piele. Adâncimea stratului de piele depinde de frecvența radiațiilor: cu cât frecvența este mai mare, cu atât stratul de piele este mai subțire. De asemenea, depinde de permeabilitatea magnetică relativă μ a materialului piesei de prelucrat.

Pentru fier, cobalt, nichel și aliaje magnetice la temperaturi sub punctul Curie , μ are o valoare de la câteva sute la zeci de mii. Pentru alte materiale (topite, metale neferoase, eutectice lichide cu punct de topire scăzut , grafit, ceramică conductoare de electricitate etc.), μ este aproximativ egal cu unu.

Formula pentru calcularea adâncimii pielii în mm:

,

unde ρ  este rezistența electrică specifică a materialului piesei de prelucrat la temperatura de prelucrare, Ohm m, f  este frecvența câmpului electromagnetic generat de inductor, Hz.

De exemplu, la o frecvență de 2 MHz, adâncimea pielii pentru cupru este de aproximativ 0,047 mm, pentru fier ≈ 0,0001 mm .

Inductorul devine foarte fierbinte în timpul funcționării, deoarece își absoarbe propria radiație. În plus, absoarbe radiația de căldură de la o piesa de prelucrat fierbinte. Ei fac inductori din tuburi de cupru răcite cu apă. Apa este furnizată prin aspirație - aceasta asigură siguranța în cazul unei arsuri sau alte depresurizări a inductorului.

Aplicație

Beneficii

Dezavantaje

Topirea levitațională (topirea în suspensie, topirea într-un creuzet electromagnetic)

Un curent alternativ în inductor generează un curent în direcția opusă în piesa de prelucrat. Zona piesei de prelucrat din apropierea inductorului poate fi considerată o „bobină” a unui conductor care transportă curent. Curenții care curg în direcții opuse se resping unul pe altul conform legii lui Ampère. Astfel, piesa de prelucrat este respinsă din inductor (explozie electromagnetică).

Pentru a suspenda o piesă de prelucrat conductoare de electricitate, se folosesc inductori cu design speciale, de obicei realizate sub formă de con cu un contra-turn. Câmpul electromagnetic dintr-un astfel de inductor este mai puternic din partea inferioară și laterală, formând un put de potențial care împiedică piesa de prelucrat să se miște în jos și în lateral.

Concomitent cu levitația, se realizează o încălzire intensivă a piesei de prelucrat, care permite topirea fără contact cu creuzetul și fără contaminarea probei cu materialul creuzetului. Această metodă este utilizată, de exemplu, pentru a obține probe ultrapure de aliaje.

Dispozitive de încălzire prin inducție

Generatoare de curent cu inducție

Inductorul de încălzire este un inductor care face parte din circuitul oscilator de lucru cu o bancă de condensatoare compensatoare. Construirea circuitului se realizează fie cu ajutorul tuburilor electronice, fie cu ajutorul cheilor electronice semiconductoare. La instalațiile cu o frecvență de funcționare de până la 300 kHz se folosesc invertoare pe ansambluri IGBT sau tranzistoare MOSFET . Astfel de instalații sunt proiectate pentru încălzirea pieselor mari. Pentru încălzirea pieselor mici se folosesc frecvențe înalte (până la 5 MHz, gama undelor medii și scurte), instalațiile de înaltă frecvență sunt construite pe tuburi electronice .

De asemenea, pentru încălzirea pieselor mici, instalațiile de înaltă frecvență sunt construite pe MOSFET -uri pentru frecvențe de operare de până la 1,7 MHz. Controlul și protejarea tranzistorilor la frecvențe mai înalte prezintă anumite dificultăți, așa că setările de frecvență mai înaltă sunt încă destul de costisitoare.

Inductorul pentru încălzirea pieselor mici este mic și are o inductanță mică, ceea ce duce la o scădere a factorului de calitate al circuitului oscilator de lucru la frecvențe joase și o scădere a eficienței și, de asemenea, prezintă un pericol pentru oscilatorul principal (la frecvențe joase). , rezistența inductivă a inductorului (bobina circuitului oscilator) este mică și scurtcircuit în bobină (inductor). Factorul de calitate al circuitului oscilator este proporțional cu L / C, circuitul oscilator cu un factor de calitate scăzut este foarte slab "pompat" cu energie. Pentru a crește factorul de calitate al circuitului oscilator, se folosesc două moduri:

  1. Creșterea frecvenței de funcționare, ceea ce duce la complexitatea și costul instalației;
  2. Utilizarea inserțiilor feromagnetice în inductor; lipirea inductorului cu panouri din material feromagnetic.

Deoarece inductorul funcționează cel mai eficient la frecvențe înalte, încălzirea prin inducție a primit aplicație industrială după dezvoltarea și începerea producției de lămpi puternice generatoare . Înainte de Primul Război Mondial, încălzirea prin inducție era de utilizare limitată. La acea vreme, ca generatoare erau folosite generatoare de mașini de înaltă frecvență (lucrări de V.P. Vologdin ) sau instalații de descărcare prin scânteie.

Circuitul oscilator poate fi, în principiu, orice ( multivibrator , oscilator RC, oscilator excitat independent, diverse oscilatoare de relaxare ), care funcționează la o sarcină sub forma unei bobine inductor și având suficientă putere. De asemenea, este necesar ca frecvența de oscilație să fie suficient de mare.

De exemplu, pentru a „taia” un fir de otel cu diametrul de 4 mm in cateva secunde, este necesara o putere oscilatoare de minim 2 kW la o frecventa de cel putin 300 kHz.

Schema este selectată după următoarele criterii: fiabilitate; stabilitatea fluctuațiilor; stabilitatea puterii eliberate în piesa de prelucrat; ușurință de fabricație; ușurință de configurare; număr minim de piese pentru a reduce costurile; utilizarea unor piese care în total dau o reducere a greutății și dimensiunilor etc.

Timp de multe decenii, un generator inductiv în trei puncte a fost folosit ca generator de oscilații de înaltă frecvență ( un generator Hartley , un generator cu feedback autotransformator, un circuit bazat pe un divizor de tensiune în buclă inductivă). Acesta este un circuit de alimentare paralel cu autoexcitare pentru anod și un circuit selectiv de frecvență realizat pe un circuit oscilant. A fost folosit cu succes și continuă să fie folosit în laboratoare, ateliere de bijuterii, întreprinderi industriale, precum și în practica amatorilor. De exemplu, în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, pe astfel de instalații a fost efectuată întărirea suprafeței rolelor tancului T-34.

Trei puncte dezavantaje:

  1. Eficiență scăzută (mai puțin de 40% când se folosește o lampă);
  2. O abatere puternică de frecvență în momentul încălzirii semifabricatelor din materiale magnetice deasupra punctului Curie (≈700 °C) (modificări μ), care modifică adâncimea stratului de piele și schimbă în mod imprevizibil modul de tratament termic. Atunci când se tratează termic părți critice, acest lucru poate fi inacceptabil. De asemenea, instalațiile HDTV puternice trebuie să funcționeze într-o gamă restrânsă de frecvențe permise de Roskomnadzor , deoarece cu ecranare slabă sunt de fapt transmițătoare radio și pot interfera cu transmisiile de televiziune și radio, serviciile de coastă și de salvare;
  3. Când semifabricatele sunt schimbate (de exemplu, de la unul mai mic la unul mai mare), inductanța sistemului „inductor-blank” se modifică, ceea ce duce, de asemenea, la o modificare a frecvenței și adâncimii stratului de piele;
  4. La schimbarea inductoarelor cu o singură tură cu cele cu mai multe ture, cu altele mai mari sau mai mici, se modifică și frecvența.

Sub conducerea lui Babat , Lozinsky și alți oameni de știință, au fost dezvoltate circuite generatoare cu două și trei circuite care au o eficiență mai mare (până la 70%) și, de asemenea, țin mai bine frecvența de funcționare. Principiul acțiunii lor este următorul. Datorită utilizării circuitelor cuplate și slăbirii conexiunii dintre ele, o modificare a inductanței circuitului de lucru nu implică o schimbare puternică a frecvenței circuitului de setare a frecvenței. Emițătoarele radio sunt construite după același principiu.

Dezavantajul sistemelor cu mai multe circuite este complexitatea crescută și apariția oscilațiilor parazite în banda VHF, care disipează inutil puterea și dezactivează elementele instalației. De asemenea, astfel de instalații sunt predispuse la întârzierea oscilațiilor - o tranziție spontană a generatorului de la una dintre frecvențele de rezonanță la alta.

Generatoarele moderne de înaltă frecvență sunt invertoare bazate pe ansambluri IGBT sau MOSFET-uri puternice, realizate de obicei în funcție de circuitul redresor în punte sau semipunte. Funcționează la frecvențe de până la 500 kHz. Porțile tranzistoarelor sunt deschise folosind un sistem de control cu ​​microcontroler. Sistemul de control, în funcție de sarcină, vă permite să mențineți automat:

  1. frecventa constanta;
  2. putere constantă eliberată în piesa de prelucrat;
  3. eficienta maxima.

De exemplu, atunci când un material magnetic este încălzit deasupra punctului Curie, grosimea stratului de piele crește brusc, densitatea curentului scade și piesa de prelucrat începe să se încălzească mai rău. De asemenea, proprietățile magnetice ale materialului dispar și procesul de inversare a magnetizării se oprește - piesa de prelucrat începe să se încălzească mai rău.

Problema încălzirii prin inducție a pieselor de prelucrat din materiale magnetice

Dacă invertorul pentru încălzire prin inducție nu este un auto-oscilator, nu are un circuit de auto-ajustare (PLL) și funcționează de la un oscilator master extern (la o frecvență apropiată de frecvența de rezonanță a „bancii de condensatoare de compensare a inductorului” oscilatoare circuit). În momentul în care o piesă de prelucrat din material magnetic este introdusă în inductor (dacă dimensiunile piesei de prelucrat sunt suficient de mari și proporționale cu dimensiunile inductorului), inductanța inductorului crește brusc, ceea ce duce la o scădere bruscă a frecvența de rezonanță naturală a circuitului oscilator și abaterea acestuia de la frecvența oscilatorului principal. Circuitul iese din rezonanță cu oscilatorul principal, ceea ce duce la o creștere a rezistenței sale și la o scădere bruscă a puterii transmise piesei de prelucrat. Dacă puterea unității este controlată de o sursă de alimentare externă, atunci reacția naturală a operatorului este de a crește tensiunea de alimentare a unității. Când piesa de prelucrat este încălzită până la punctul Curie, proprietățile sale magnetice dispar, frecvența naturală a circuitului oscilator revine la frecvența oscilatorului principal. Rezistența circuitului scade brusc, consumul de curent crește brusc. Dacă operatorul nu are timp să elimine tensiunea de alimentare crescută, unitatea se supraîncălzește și se defectează. Dacă instalația este echipată cu un sistem de control automat, atunci sistemul de control ar trebui să monitorizeze trecerea prin punctul Curie și să reducă automat frecvența oscilatorului principal, ajustând-o la rezonanță cu circuitul oscilator (sau să reducă puterea furnizată dacă frecvența schimbarea este inacceptabilă).

Dacă materialele nemagnetice sunt încălzite, atunci cele de mai sus nu contează. Introducerea unui semifabricat din material nemagnetic în inductor practic nu schimbă inductanța inductorului și nu schimbă frecvența de rezonanță a circuitului oscilator de lucru și nu este nevoie de un sistem de control.

Dacă dimensiunile piesei de prelucrat sunt mult mai mici decât dimensiunile inductorului, atunci nu modifică prea mult rezonanța circuitului de lucru.

Plite cu inducție

Aragaz cu inducție - o sobă electrică  de bucătărie care încălzește ustensile metalice cu curenți turbionari induși , creați de un câmp magnetic de înaltă frecvență , cu o frecvență de 20-100 kHz.

O astfel de sobă are o eficiență mai mare în comparație cu elementele de încălzire ale sobelor electrice, deoarece se consumă mai puțină căldură pentru încălzirea corpului și, în plus, nu există o perioadă de accelerare și răcire (când energia generată, dar nu absorbită de vase, este pierdut).

Cuptoare de topire cu inducție

Cuptoare de topire cu inducție (fără contact) - cuptoare electrice pentru topirea și supraîncălzirea metalelor, în care încălzirea are loc din cauza curenților turbionari care apar într-un creuzet metalic (și metal), sau numai în metal (dacă creuzetul nu este din metal; această metodă de încălzire este mai eficientă dacă creuzetul este prost izolat).

Se folosește în turnătorii de uzine metalurgice , precum și în atelierele de turnare de precizie și atelierele de reparații ale fabricilor de mașini pentru a obține piese turnate de oțel de înaltă calitate. Este posibilă topirea metalelor neferoase (bronz, alamă, aluminiu) și aliajele acestora într-un creuzet de grafit. Cuptorul cu inducție funcționează pe principiul unui transformator, în care înfășurarea primară este un inductor răcit cu apă, secundarul și, în același timp, sarcina este metalul din creuzet. Încălzirea și topirea metalului au loc datorită curenților care curg în el, care apar sub influența câmpului electromagnetic creat de inductor.

Note

Vezi și

Link -uri

Literatură