Elementy indukčního ohřevu
Typický systém indukčního ohřevu zahrnuje zdroj napájení, obvod impedančního přizpůsobení, obvod nádrže a aplikátor. Aplikátor, kterým je indukční cívka, může být součástí obvodu nádrže. Obvod nádrže je obvykle paralelní soustava kondenzátorů a induktorů. Kondenzátor a induktor v obvodu nádrže jsou zásobníky elektrostatické energie, resp. elektromagnetické energie. Při rezonanční frekvenci začnou kondenzátor a induktor vzájemně kmitat svou uloženou energií. V paralelním uspořádání dochází k této přeměně energie při vysokém proudu. Vysoký proud procházející cívkou napomáhá dobrému přenosu energie z indukční cívky na obrobek.
Kliknutím sem se dozvíte, co jsou indukční cívky a jak fungují, a různé typy cívek.
a) Napájecí zdroj
Napájecí zdroje jsou jednou z nejdůležitějších součástí systému indukčního ohřevu. Obvykle jsou hodnoceny podle rozsahu pracovní frekvence a výkonu. Existují různé typy indukčních napájecích zdrojů, kterými jsou síťové zdroje, násobiče frekvence, motorgenerátory, jiskrové měniče a polovodičové měniče. Polovodičové měniče mají mezi zdroji největší účinnost.
Typický polovodičový měničový zdroj obsahuje dvě hlavní části: usměrňovač a měnič. Síťové střídavé proudy se v usměrňovací části převádějí na stejnosměrné pomocí diod nebo tyristorů. Stejnosměrný proud přechází do měniče, kde jej polovodičové spínače, jako jsou IGBT nebo MOSFET, převádějí na proud, tentokrát o vysoké frekvenci (obvykle v rozsahu 10 kHz-600 kHz). Podle níže uvedeného schématu mohou IGBT pracovat při vyšší úrovni výkonu a nižší frekvenci oproti MOSFET pracujícím při nižší úrovni výkonu a vyšší frekvenci.
b) Impedanční přizpůsobení
Indukční zdroje pro vytápění, stejně jako každé jiné elektronické zařízení, mají maximální hodnoty napětí a proudu, které by neměly být překročeny. Aby bylo možné dodat maximální výkon ze zdroje do zátěže (obrobku), musí být impedance zdroje a zátěže co nejbližší. Tímto způsobem mohou hodnoty výkonu, napětí a proudu dosáhnout současně svých nejvyšších povolených mezí. K tomuto účelu se v indukčních ohřívačích používají obvody impedančního přizpůsobení. Podle aplikace lze použít různé kombinace elektrických prvků (např. transformátory, proměnné cívky, kondenzátory atd.).
c) Rezonanční nádrž
Resonanční nádrž v systému indukčního ohřevu je obvykle paralelní sestava kondenzátoru a induktoru, která rezonuje na určité frekvenci. Frekvence se získá z následujícího vzorce:
kde L je indukčnost indukční cívky a C je kapacita. Podle níže uvedené animace je rezonanční jev velmi podobný tomu, co se děje u kyvného kyvadla. V kyvadle se při kývání z jednoho konce na druhý vzájemně přeměňují kinetická a potenciální energie. Pohyb je tlumen v důsledku tření a dalších mechanických ztrát. V rezonanční nádrži osciluje energie dodávaná zdrojem mezi induktorem (ve formě elektromagnetické energie) a kondenzátorem (ve formě elektrostatické energie). Energie je tlumena v důsledku ztrát v kondenzátoru, induktoru a obrobku. Ztráty v obrobku ve formě tepla jsou žádoucí a cílem indukčního ohřevu.
Sama rezonanční nádrž obsahuje kondenzátor a induktor. K zajištění potřebné kapacity, aby bylo dosaženo rezonanční frekvence blízké možnostem zdroje, se používá banka kondenzátorů. Při nízkých frekvencích (pod 10 kHz) se používají kondenzátory plněné olejem a při vyšších frekvencích (nad 10 kHz) kondenzátory s keramickým nebo pevným dielektrikem.
d) Induktory indukčního ohřívače
Co jsou indukční cívky & Jak fungují?
Indukční topná cívka je speciálně tvarovaná měděná trubka nebo jiný vodivý materiál, kterým prochází střídavý elektrický proud a vytváří proměnné magnetické pole. Kovové díly nebo jiné vodivé materiály se umístí dovnitř, skrz nebo do blízkosti indukční ohřívací cívky, aniž by se cívky dotýkaly, a vytvářené proměnné magnetické pole způsobuje tření uvnitř kovu, které způsobuje jeho zahřívání.
Jak fungují indukční cívky?
Při konstrukci cívky je třeba vzít v úvahu některé podmínky:
1. Pro zvýšení účinnosti indukčních ohřívačů je třeba minimalizovat vzdálenost mezi cívkou a obrobkem. Účinnost vazby mezi cívkou a obrobkem je nepřímo úměrná druhé odmocnině vzdálenosti mezi nimi.
2. Pokud je díl umístěn ve středu šroubovicové cívky, bude nejlépe spojen s magnetickým polem. Pokud je mimo střed, bude oblast obrobku blíže k závitům přijímat více tepla. Tento efekt byl znázorněn na obrázku níže.
3. Také poloha v blízkosti spojení vodičů s cívkou má slabší hustotu magnetického toku, proto ani střed ID šroubovice není středem indukčního ohřevu.
4. Je třeba se vyhnout rušivému efektu (obrázek vlevo). K tomu dochází, když je rozevření cívky velmi malé. Vložení smyčky do cívky pomůže zajistit potřebnou indukčnost (obrázek vpravo). Indukčnost cívky určuje schopnost této cívky uchovávat magnetickou energii. Indukčnost lze vypočítat ze vzorce:
kde ε je elektromotorická síla a dI/dt je rychlost změny proudu v cívce. samotné ε je rovno rychlosti změny magnetického toku v cívce (- dφ/dt), kde magnetický tok φ lze vypočítat z NBA, přičemž N je počet závitů, B je magnetické pole a A je plocha induktoru. Proto bude indukčnost rovna:
Je zřejmé, že hodnota indukčnosti je lineárně úměrná ploše cívky. Proto je třeba uvažovat minimální hodnotu indukční smyčky, aby mohla uchovávat magnetickou energii a dodávat ji indukčnímu obrobku.
Účinnost cívky
Účinnost cívky je definována takto:
Níže uvedená tabulka uvádí typické účinnosti různých cívek:
Úprava cívky podle aplikace
V několika aplikacích nemá topný objekt rovnoměrný profil, ačkoli potřebuje rovnoměrný ohřev. V těchto případech je třeba upravit pole magnetického toku. Existují dva typické způsoby, jak toho dosáhnout. Jedním způsobem je rozpojení závitů v místech, kde má součást větší průřez (při použití šroubovicové cívky). Obvyklejší metodou je zvětšení vzájemné vzdálenosti vinutí v místech, kde má součást větší průřez. Oba způsoby jsou znázorněny na obrázku níže.
Stejná situace nastává při ohřevu rovných ploch pomocí velkých palačinkových cívek. Středová plocha dostane nadměrné teplo. Abychom tomu zabránili, zvětšíme mezeru mezi povrchem cívky a plochým předmětem použitím kuželovitého tvaru palačinkové cívky.
Cívka s vložkou se používá v aplikacích, kde potřebujeme širokou a rovnoměrnou plochu ohřevu, ale chceme se vyhnout použití velkých měděných trubek. Vložka je široký plech, který je připájen k trubkám cívky nejméně ve dvou bodech. Zbytek spoje se pouze připájí, aby se zajistilo maximální spojení pro přenos tepla. Také sinusový profil pomůže zvýšit chladicí schopnost cívky. Taková cívka je znázorněna na obrázku níže.
S rostoucí délkou ohřevu je třeba zvýšit počet závitů, aby byla zachována rovnoměrnost ohřevu.
V závislosti na změnách tvaru obrobku se obrazec ohřevu liší. Magnetický tok má tendenci se hromadit na hranách, povrchových řezech nebo zářezech ohřívaného předmětu, což způsobuje vyšší rychlost ohřevu v těchto oblastech. Obrázek níže ukazuje „okrajový efekt“, kdy je cívka výše než okraj ohřívacího prvku a v této oblasti dochází k nadměrnému ohřevu. Aby se tomu zabránilo, lze cívku snížit, aby byla rovnoměrně nebo mírně níže než okraj.
Indukční ohřev disků může také způsobit nadměrné ohřívání okrajů, jak ukazuje obrázek níže. Na okrajích dojde k vyššímu zahřátí. Výšku cívky lze snížit nebo konce cívky zhotovit z většího poloměru, aby se oddělily od okraje obrobku.
Ostré rohy obdélníkových cívek mohou způsobit hlubší ohřev obrobku. Oddělení rohů cívky na jedné straně sníží rychlost ohřevu rohu, ale na druhé straně sníží celkovou účinnost indukčního procesu.
Jedním z důležitých bodů, které je třeba vzít v úvahu při návrhu vícemístných cívek, je vzájemný vliv sousedních cívek. Aby byla zachována maximální síla ohřevu každé cívky, musí být vzdálenost mezi středy sousedních cívek alespoň 1,5násobek průměru cívky.
Dělicí cívky se používají v aplikacích, kde je zapotřebí těsné spojení a kde také nelze součást po ohřevu z cívky vyjmout. Důležitým bodem zde je, že v místě, kde se kloubové plochy stýkají, musí být zajištěn velmi dobrý elektrický kontakt. Obvykle se k zajištění nejlepšího povrchového elektrického kontaktu používá tenká vrstva stříbra. Rozdělené části cívek se ochladí pomocí ohebných vodních trubek. K uzavření/otevření cívky a také k zajištění potřebného tlaku v místě kloubu se často používá automatická pneumatická komprese.
Typy topných cívek
Dvojitá deformovaná palačinka
V aplikacích, jako je ohřev hrotů hřídelí, může být dosažení rovnoměrné teploty obtížné kvůli rušivému efektu ve středu povrchu hrotu. K dosažení rovnoměrného profilu ohřevu lze použít dvojitě deformovanou palačinkovou cívku s nakloněnými stranami, podobnou schématu níže. Pozornost je třeba věnovat směru obou placek, v nichž jsou středová vinutí navinuta ve stejném směru a mají sčítací magnetický účinek.
Split-Return Coil
V aplikacích, jako je svařování úzkého pásu na jedné straně dlouhého válce, kde musí být relativně dlouhá délka zahřátá podstatně více než ostatní oblasti objektu, bude mít význam zpětná cesta proudu. Při použití cívky typu Split-Return bude vysoký proud indukovaný ve svařovací dráze rozdělen na dvě části, které budou ještě širší. Tímto způsobem bude rychlost ohřevu na svařovací dráze minimálně čtyřikrát vyšší než u ostatních částí objektu.
Cívky kanálkového typu
Cívky kanálkového typu se používají v případě, že doba ohřevu není příliš krátká a zároveň je potřeba poměrně nízká hustota výkonu. Cívkou projde konstantní rychlostí řada topných dílů, které při výstupu ze stroje dosáhnou maximální teploty. Konce cívky jsou obvykle ohnuté, aby se zajistila cesta pro vstup a výstup dílů do cívky. Tam, kde je zapotřebí profilový ohřev, lze použít deskové koncentrátory s víceotáčkovými kanálovými cívkami.
Čtyřhranné měděné trubky mají ve srovnání s kulatými trubkami dvě hlavní výhody: a) protože mají rovnější povrch, který „hledí“ na obrobek, zajišťují lepší elektromagnetickou vazbu s ohřívací zátěží a b) konstrukčně je snazší realizovat otáčky se čtyřhrannými trubkami než s trubkami kulatými.
Konstrukce olova pro indukční cívky
Konstrukce olova: Svody jsou součástí indukční cívky, a přestože jsou velmi krátké, mají konečnou indukčnost. Obecně je na níže uvedeném obrázku znázorněno schéma zapojení tepelné stanice systému indukční jednotky. C je rezonanční kondenzátor instalovaný v tepelné stanici, L_lead je celková indukčnost vodičů cívky a L_coil je indukčnost indukční cívky spojené s topnou zátěží. V_total je napětí přivedené z indukčního zdroje do tepelné stanice, V_lead je úbytek napětí na indukčnosti vedení a V_coil je napětí, které bude přivedeno na indukční cívku. Celkové napětí je součtem napětí na vedení a napětí na indukční cívce:
V_vedení představuje velikost celkového napětí, které je obsazeno vedením a nevykonává žádnou užitečnou indukční činnost. Cílem konstruktéra bude tuto hodnotu minimalizovat. V_lead lze vypočítat jako:
Z výše uvedených vzorců je zřejmé, že aby byla hodnota V_lead minimalizována, pak indukčnost vedení musí být několikrát menší než indukčnost indukční cívky (L_lead≪L_coil).
Snížení indukčnosti svodů: Při nízkých frekvencích, obvykle proto, že se používají cívky s vysokou indukčností (víceotáčkové a/nebo s velkým ID), je L_lead mnohem menší než L_coil. Protože se však počet závitů a celková velikost cívky u vysokofrekvenčních induktorů snižuje, pak bude důležité použít speciální metody pro minimalizaci indukčnosti vedení. Níže jsou uvedeny dva příklady, jak toho dosáhnout.
Koncentrátory proudu: Když je magnetický materiál umístěn v prostředí obsahujícím magnetické pole, mají díky nízkému magnetickému odporu (reluktanci) tendenci absorbovat čáry magnetického toku. Schopnost pohlcovat magnetické pole se kvantifikuje pomocí relativní magnetické propustnosti. Tato hodnota pro vzduch, měď a nerezovou ocel je jedna, ale pro měkkou ocel může být až 400 a pro železo až 2000. Magnetické materiály si mohou udržet magnetickou schopnost až do své Curieovy teploty, poté jejich magnetická permeabilita klesne na jedničku a nebudou již magnetické.
Koncentrátor toku je materiál s vysokou permeabilitou a nízkou elektrickou vodivostí, který je určen k použití v konstrukci cívek indukčního ohřívače k zesílení magnetického pole působícího na ohřívací zátěž. Na obrázku níže je znázorněno, jak umístění koncentrátoru toku do středu palačinkové cívky soustředí magnetické siločáry na povrchu cívky. Materiály umístěné na vrcholu palačinkové cívky se tak budou lépe spojovat a budou maximálně zahřívány.
Vliv koncentrátoru toku na hustotu proudu v indukční cívce je znázorněn na obrázku níže. Většina proudu se soustředí na povrchu, který není pokryt koncentrátorem toku. Proto lze cívku navrhnout tak, že bez materiálů koncentrátoru zůstane pouze strana cívky směřující k topné zátěži. V elektromagnetismu se tomu říká štěrbinový jev. Štěrbinový efekt výrazně zvýší účinnost cívky a ohřev bude potřebovat nižší výkon.
.