Индукционный нагрев

Идея: передача электрической энергии в нагрев заготовки.

Процесс происходит в следующих этапах.

Первый этап

Энергия берется из источника питания. Например три фазы 380В 50Гц.

Второй этап

Переменное напряжение поступает на выпрямитель (rectifier). На выпрямителе происходит преобразование переменного тока в постоянный. Энергия запасается в конденсаторной батарее (банке конденсаторов).

Третий этап

Далее энергия поступает на модуль инвертора (подробно рассмотрен в других публикациях).

Инвертор это задающий генератор, драйвер и силовой ключ (ключи).

Осуществляет преобразование постоянного напряжения в переменное, соответствующее резонансной частоте выходного резонансного контура.

Четвертый этап

Энергия с инвертора через согласующий трансформатор поступает в выходной контур.

На рисунке обозначен как Working Coil — индуктор.

Пятый этап

В индукторе наводится магнитное поле, которое в свою очередь порождает вторичный электрический ток (ток Фуко) на заготовке — нагрузке. За счет этого тока и происходит нагрев детали.

Модуль управления

Выполняется либо на микроконтроллере либо на логических элементах.

Анализирует режим работы всей установки. Управляет задающим генератором. Возможна реализация, где задающий генератор совмещен с МК.

Драйвер

Раскачивает по мощности (напряжению и току) задающий генератор до уровня, достаточного для управления силовыми транзисторами. Как правило гальванически развязан с задающим генератором. В качестве элементов обеспечивающих гальваническую развязку как правило используются оптореле или трансформаторы.

Силовой блок

Ключ, выполненный на мощных транзисторах (MOSFET либо IGBT). Управляется блоком драйверов. Выполняет роль ключа на источнике питания. Переносит энергию источника питания в выходной резонансный контур. Где с помощью индуктора переменным полем индуктора переносится в нагрузку.

Согласующий трансформатор

Понижает напряжение на выходе силового блока. Преобразует напряжение в электрический ток.

Система охлаждения

Охлаждает силовой мост, согласующий трансформатор и индуктор.
Как правило представляет из себя систему патрубков по которой циркулирует охлаждающая жидкость.

Нагрузка

Заготовка/деталь в которую передается энергия для ее нагрева

Что это? 

Индукционный нагрев применяется для плавки металла, для деформации, закалки, пайки металлических деталей и других технологичных операций. Способен осуществлять практически все манипуляции тепловой обработки металла.

Устройство индукционного нагрева — это электромагнитное устройство для нагрева индукционными токами, которые возбуждаются в металле нагревательного элемента переменным магнитным полем.

Фактически это трансформатор, состоящий из первичной обмотки и специальной вторичной обмотки в виде труб. Металл нагревательного элемента под воздействием магнитного поля, создаваемого катушками, нагревается и передает тепло теплоносителю.

Любая индукционная установка работает на основе законов о преобразовании электрической энергии в мощное электромагнитное поле. Проходя сквозь индуктор, электрическая энергия начинает преобразовываться в мощное электромагнитное поле, а проникая в металл, тут же преобразуется в тепловую энергию, равномерно прогревая изделие.

Индукционный нагрев металлов осуществляется только на резонансной частоте. Параметры резонанса в основном задаются индуктивностью и емкостью самой установки. к индукционным установкам подключают индукционные катушки (индукторы) разной конструкции, которые имеют различную индуктивность.

Металлы в процессе нагрева меняют свои свойства. В результате чего индукционной установке необходимо подстраивать собственную резонансную частоту, чтобы работать с максимальным КПД.

Напряжение на индукторе может достигать 1500 вольт и токов в несколько сотен ампер при последовательном резонансе. Или 20-100 вольт при токах до 12.000 ампер при использовании понижающего трансформатора.

Глубина этого нагрева зависит от частоты генерации и, как правило, составляет от 0,1 мм до 10 мм.

Металлы, обладающие ферромагнитными свойствами нагреваются не только за счет токов Фуко, но и за счет перемагничивания ферромагнитных доменов. Однако по достижении температуры точки Кюри, примерно 760 градусов Цельсия, ферромагнитная составляющая индукционного нагрева исчезает и остается только нагрев за счет токов Фуко. Причем, интенсивность этого нагрева растет с ростом температуры, т.к. увеличивается омическое сопротивление металла.

ТВЧ бывают: Среднечастотные — СЧ с частотным диапазоном 5-20 кГц, Высокочастотные — ВЧ, с частотами 30-100 кГц, Сверхвысокочастотные – СВЧ с диапазоном частот 100-450 кГц.

Для чего? Чем это выгодно?

Эффективность: Электронагреватели работают на промышленной частоте 50 Гц и обладают высоким коэффициентом мощности = 0,98 (практически вся потребляемая из сети энергия идет на создание тепла)

Во многих случаях при переходе на индукционный электронагрев эксплуатационные затраты снижаются в 1,5-2 и более раз.

Долговечность: Срок службы индукционных нагревателей при использовании для отопления зданий составляет более 30 лет. 

Пожаробезопасность: Максимальная температура на поверхности нагревателя превышает температуру теплоносителя не более, чем на 10-30°С

Большая мощность нагрева

Простота обслуживания: Индукционные электронагреватели не требуют профилактических работ в отопительный сезон и период межсезонья

Полное автоматическое управление: Полное автоматическое управление позволяет поддерживать температуру теплоносителя в заданном диапазоне. Можно избежать местного перегрева элементов. Можно управлять с ПК.

Индукционный нагрев может повысить производительность предприятия и качество продукции, за счет высокого КПД.

За счет использования ТВЧ установок достигается экономия времени и затрат, и, как следствие, это позволяет уменьшить себестоимость продукции.

Благодаря равномерному нагреву металл получается более высокого качества, а количество брака в производстве значительно снижается.

Индукционная установка признана экологически чистым оборудованием.

Индукционный нагрев способен осуществлять практически все манипуляции тепловой обработки металла. 

Глубина проникновения электрического поля зависит от частоты генерации индукционной установки. И чем она ниже, тем глубже расположена эта граница, и тем интенсивнее идет прогрев вглубь металла.