Hogyan működik és működik az indukciós fűtés
Az indukciós fűtőberendezés működési elve abból áll, hogy egy elektromosan vezető fém munkadarabot a benne indukált zárt örvényárammal hevítenek.
Az örvényáramok olyan áramok, amelyek szilárd vezetékekben az elektromágneses indukció jelensége miatt keletkeznek, amikor ezeket a vezetékeket váltakozó mágneses tér áthatolja. Ezen áramok létrehozásához energiát használnak fel, amely hővé alakul, és felmelegíti a vezetékeket.
Ezen veszteségek csökkentése és a fűtés kiküszöbölése érdekében tömör vezetékek helyett réteges vezetékeket használnak, amelyekben az egyes rétegeket szigetelés választja el. Ez az elszigetelés megakadályozza a nagy zárt örvényáramok fellépését, és csökkenti a fenntartásukhoz szükséges energiaveszteségeket. Ez az oka annak, hogy a transzformátormagok, a generátorok armatúrái stb. vékony acéllemezekből készülnek, amelyeket lakkréteggel szigetelnek el egymástól.
Az indukciós fűtőtestben lévő induktor egy váltakozó áramú tekercs, amelyet nagyfrekvenciás váltakozó elektromágneses mező létrehozására terveztek.
A váltakozó nagyfrekvenciás mágneses tér pedig egy elektromosan vezető anyagra hat, nagy sűrűségű zárt áramot idézve elő benne, és így a munkadarabot olvadásig melegíti. Ez a jelenség régóta ismert, és Michael Faraday kora óta magyarázzák, aki leírta elektromágneses indukció jelensége még 1931-ben
Az időben változó mágneses tér váltakozó EMF-et indukál a vezetőben, amely metszi az erővonalait. Az ilyen huzal általában lehet transzformátor tekercs, transzformátormag vagy valamilyen fém szilárd darabja.
Ha az EMF a tekercsben indukálódik, akkor transzformátor vagy vevő keletkezik, és ha közvetlenül a mágneses áramkörben vagy rövidzárlatban van, akkor a mágneses áramkör vagy tekercs indukciós fűtése jön létre.
Egy rosszul megtervezett transzformátorban pl. magfűtés Foucault áramokkal egyértelműen káros lenne, de egy indukciós fűtőberendezésben egy ilyen jelenség hasznos célt szolgál.
A terhelés jellege szempontjából az indukciós fűtőtest, amelyben egy vezető résszel van felmelegítve, olyan, mint egy transzformátor egy fordulatnyi rövidre zárt szekunder tekercseléssel. Mivel a munkadarabon belüli ellenállás rendkívül kicsi, még egy kis indukált örvényes elektromos tér is elegendő ahhoz, hogy olyan nagy sűrűségű áramot hozzon létre, hogy annak hőhatása (vö. A Joule-Lenz törvény) nagyon kifejező és praktikus lenne.
Az első ilyen típusú csatornás kemence 1900-ban jelent meg Svédországban, 50-60 Hz frekvenciájú árammal táplálták, acélcsatorna olvasztására használták, és a fémet rövid láncú forgású tégelybe táplálták. transzformátor szekunder tekercsének.A hatékonysági probléma természetesen jelen volt, mivel a hatásfok 50% alatti volt.
Ma az indukciós fűtőtest egy vezeték nélküli transzformátor, amely egy viszonylag vastag rézcső egy vagy több menetéből áll, amelyen keresztül egy aktív hűtőrendszer hűtőfolyadékát szivattyúval szivattyúzzák át. Több kilohertztől több megahertzig terjedő frekvenciájú váltakozó áramot vezetnek a cső vezető testére, mint egy induktorra, a feldolgozott minta paramétereitől függően.
A helyzet az, hogy nagy frekvenciákon az örvényáramot az örvényáram által felmelegített mintából kiszorítják, mivel ennek az örvényáramnak a mágneses tere a felszín felé tolja ki a keletkezett áramot.
Ez úgy nyilvánul meg bőrhatás, amikor a maximális áramsűrűség a munkadarab felületének vékony rétegre esésének eredménye, és minél nagyobb a frekvencia és minél kisebb a felmelegített anyag elektromos ellenállása, annál vékonyabb a héjréteg.
A réznél például 2 MHz-en a bőr csak negyed milliméter! Ez azt jelenti, hogy a réztuskó belső rétegeit nem közvetlenül örvényáramok melegítik fel, hanem a vékony külső réteg hővezetése. A technológia azonban elég hatékony ahhoz, hogy szinte bármilyen elektromosan vezető anyagot gyorsan felmelegítsen vagy megolvasztson.
Modern indukciós fűtőtestek készülnek oszcilláló áramkör alapján (tekercs-induktor és kondenzátor) egy mellékelt rezonáns inverterrel táplálják IGBT vagy MOSFET – tranzisztoroklehetővé teszi akár 300 kHz-es működési frekvenciák elérését.
A magasabb frekvenciákhoz vákuumcsöveket használnak, amelyek lehetővé teszik az 50 MHz-es és magasabb frekvenciák elérését, például ékszerek olvasztásához meglehetősen magas frekvenciák szükségesek, mivel az alkatrész mérete nagyon kicsi.
A működő áramkörök minőségi tényezőjének növelése érdekében két módszert alkalmaznak: vagy növelik az áramkör frekvenciáját vagy növelik az induktivitását ferromágneses betétek hozzáadásával.
A dielektromos fűtést az iparban is nagyfrekvenciás elektromos mező segítségével végzik. Az indukciós fűtéshez képest az alkalmazott áramfrekvenciák különböznek (legfeljebb 500 kHz indukciós fűtéssel és több mint 1000 kHz dielektrikummal). Ebben az esetben fontos, hogy a felmelegítendő anyag ne vezesse jól az elektromosságot, pl. dielektrikum volt.
A módszer előnye, hogy közvetlenül az anyag belsejében keletkezik hő. Ebben az esetben a rosszul vezető anyagok gyorsan felmelegedhetnek belülről. További részletekért lásd itt: A nagyfrekvenciás dielektromos fűtési eljárások alapvető fizikai alapjai