Elementer til induktionsopvarmning
Et typisk induktionsvarmesystem omfatter en strømforsyning, et impedanstilpasningskredsløb, et tankkredsløb og en applikator. Applikatoren, som er induktionsspolen, kan være en del af tankkredsløbet. Et tankkredsløb er normalt et parallelt sæt af kondensatorer og induktorer. Kondensatoren og induktoren i tankkredsløbet er reservoirer for henholdsvis elektrostatisk energi og elektromagnetisk energi. Ved resonansfrekvensen begynder kondensatoren og induktoren at svinge deres lagrede energi til hinanden. I den parallelle konfiguration sker denne energiomdannelse ved høj strøm. Den høje strøm gennem spolen bidrager til at få en god energioverførsel fra induktionsspolen til arbejdsemnet.
Klik her for at lære, hvad induktionsspoler er, og hvordan de fungerer, samt de forskellige typer af spoler.
a) Strømforsyning
Strømforsyninger er en af de vigtigste dele i et induktionsvarmesystem. De er typisk klassificeret efter deres driftsfrekvensområde og effekt. Der findes forskellige typer af induktionsspændingsforsyninger, som er netfrekvensforsyninger, frekvensmultiplikatorer, motorgeneratorer, gnistgabkonvertere og faststofomformere. Solid-state invertere har den højeste effektivitet blandt strømforsyningerne.
En typisk solid-state inverterstrømforsyning omfatter to hoveddele: ensretter og inverter. Linjens vekselstrømme omdannes til jævnstrøm i ensrettersektionen ved hjælp af dioder eller thyristorer. Jævnstrømmen går til inverteren, hvor solid-state switches, f.eks. IGBT’er eller MOSFET’er, omdanner den til en strøm, denne gang ved en høj frekvens (typisk i intervallet 10 kHz-600 kHz). Ifølge nedenstående diagram kan IGBT’er arbejde ved et højere effektniveau og lavere frekvens i forhold til MOSFET’er, der arbejder ved et lavere effektniveau og højere frekvenser.
b) Impedanstilpasning
Induktionsvarmeforsyninger har ligesom alle andre elektroniske enheder maksimale spændings- og strømværdier, som ikke bør overskrides. For at kunne levere den maksimale effekt fra strømforsyningen til belastningen (arbejdsemnet) skal strømforsyningens og belastningens impedans være så tæt som muligt på hinanden. På denne måde kan effekt-, spændings- og strømværdierne nå deres højeste tilladte grænser samtidig. Til dette formål anvendes impedanstilpasningskredsløb i induktionsvarmeenheder. Afhængigt af anvendelsen kan der anvendes forskellige kombinationer af elektriske elementer (f.eks. transformatorer, variable induktorer, kondensatorer osv.).
c) Resonanstank
Resonanstanken i et induktionsvarmesystem er normalt et parallelt sæt af kondensator og induktor, som resonerer ved en bestemt frekvens. Frekvensen fås ud fra følgende formel:
hvor L er induktionsspolens induktans og C er kapacitansen. Ifølge nedenstående animation ligner resonansfænomenet meget det, der sker i et svingende pendul. I et pendul omdannes kinetiske og potentielle energier til hinanden, mens det svinger fra den ene ende til den anden. Bevægelsen er dæmpet på grund af friktion og andre mekaniske tab. I resonansbeholderen svinger energien fra strømforsyningen mellem induktoren (i form af elektromagnetisk energi) og kondensatoren (i form af elektrostatisk energi). Energien dæmpes på grund af tabene i kondensatoren, induktoren og arbejdsemnet. Tabene i emnet i form af varme er ønsket og målet med induktionsopvarmning.
Selve resonanstanken omfatter kondensatoren og induktoren. En bank af kondensatorer anvendes til at tilvejebringe den nødvendige kapacitet for at nå en resonansfrekvens tæt på strømforsyningens kapacitet. Ved lave frekvenser (under 10 kHz) anvendes oliefyldte kondensatorer og ved højere frekvenser (mere end 10 kHz) keramiske eller massive dielektriske kondensatorer.
d) Induktionsvarmeinduktorer
Hvad er induktionsspoler & Hvordan virker de?
Induktionsvarmespolen er et specielt udformet kobberrør eller et andet ledende materiale, som elektrisk vekselstrøm ledes igennem, hvorved der skabes et variabelt magnetfelt. Metaldele eller andre ledende materialer anbringes i, gennem eller tæt på induktionsvarmespolen uden at røre spolen, og det variable magnetfelt, der genereres, forårsager en friktion i metallet, som får det til at varme op.
Hvordan fungerer induktionsspoler?
Der skal tages hensyn til nogle forhold ved konstruktionen af en spole:
1. For at øge induktionsvarmerens effektivitet skal afstanden mellem spolen og arbejdsemnet minimeres. Effektiviteten af koblingen mellem spolen og emnet er omvendt proportional med kvadratroden af afstanden mellem dem.
2. Hvis emnet placeres i midten af den spiralformede spole, vil det blive bedst koblet til magnetfeltet. Hvis den er forskudt fra midten, vil det område af emnet, der ligger tættere på vindingerne, modtage mere varme. Denne effekt er vist i nedenstående figur.
3. Desuden har positionen tæt på ledninger-spoleforbindelsen en svagere magnetisk fluxtæthed, og derfor er selv ID-centret i spiralspolen ikke induktionsvarmecentret.
4. Annulleringseffekten (figuren til venstre) skal undgås. Dette sker, når åbningen af spolen er meget lille. Ved at anbringe en sløjfe i spolen kan man tilvejebringe den nødvendige induktans (figuren til højre). Induktansen af en spole definerer spolens evne til at lagre magnetisk energi. Induktans er kan beregnes ud fra som:
hvor ε er den elektromotoriske kraft og dI/dt er hastigheden af strømændringen i spolen. ε selv er lig med hastigheden af ændringen af den magnetiske flux i spolen (- dφ/dt), hvor den magnetiske flux φ kan beregnes ud fra NBA, hvor N er antallet af vindinger, B det magnetiske felt og A arealet af spolen. Derfor vil induktansen være lig med:
Det er indlysende, at værdien af induktansen er lineært proportional med spolens areal. Derfor skal der tages hensyn til en minimumsværdi for induktionssløjfen, så den kan lagre magnetisk energi og levere den til induktionsemnet.
Spolens virkningsgrad
Spolens virkningsgrad defineres som følger:
Den nedenstående tabel viser typiske virkningsgrader for forskellige spoler:
Spulemodifikation i henhold til anvendelse
I flere anvendelser har opvarmningsobjektet ikke en ensartet profil, men har brug for ensartet opvarmning. I disse tilfælde er det nødvendigt at ændre det magnetiske fluxfelt. Der er to typiske metoder til at opnå dette. Den ene måde er at afkoble vindingerne, hvor emnet har et større tværsnit (hvis der anvendes spiralformet spole). En mere almindelig metode er at øge viklingernes indbyrdes afstand på de områder, hvor emnet har et større tværsnit. Begge metoder er vist i nedenstående figur.
Det samme sker ved opvarmning af flade overflader med store pandekage-spoler. Det centrale område får for meget varme. For at undgå dette øges afstanden mellem spoleoverfladen og den flade genstand ved at anvende en konisk form på pandekagespolen.
En spole med liner anvendes i applikationer, hvor der er behov for et bredt og ensartet opvarmningsområde, men hvor vi ønsker at undgå at anvende store kobberrør. Liner er en bred plade, som er hæfteloddet til spolerørene i mindst to punkter. Resten af forbindelsen bliver kun loddet for at give den maksimale varmeoverførselsforbindelse. En sinusformet profil vil også bidrage til at øge spolens køleevne. En sådan spole er vist i nedenstående figur.
Da varmelængden øges, skal antallet af vindinger øges for at holde varmen ensartet.
Afhængigt af ændringerne af emnets form varierer opvarmningsmønstret. Magnetisk flux har en tendens til at ophobes ved kanterne, overfladesnit eller fordybninger af opvarmningsobjektet, hvilket medfører en højere opvarmningshastighed i disse områder. Nedenstående figur viser “kanteffekten”, hvor spolen er højere end kanten af varmeelementet, og hvor der sker en overdreven opvarmning i dette område. For at undgå dette kan spolen bringes lavere, så den er jævn eller lidt lavere end kanten.
Induktionsopvarmning af skiver kan også forårsage overdreven kantopvarmning, som vist i nedenstående figur. Kanterne vil få højere opvarmning. Spolens højde kan reduceres, eller spolens ender kan laves ud fra en større radius for at afkoble sig fra emnets kant.
Skarpe hjørner på de rektangulære spoler kan forårsage dybere opvarmning i emnet. Afkobling af spolens hjørner vil på den ene side reducere opvarmningshastigheden i hjørnet, men på den anden side mindskes den samlede effektivitet af induktionsprocessen.
Et af de vigtige punkter, der skal tages i betragtning ved design af multiplaceringsspoler, er effekten af de tilstødende spoler på hinanden. For at holde varmekraften af hver enkelt spole på maksimum skal afstanden fra centrum til centrum mellem de tilstødende spoler være mindst 1,5 gange spolediameteren.
Splitspoler anvendes i de applikationer, hvor der er behov for en tæt kobling, og hvor delen heller ikke kan trækkes ud af spolen efter opvarmningsprocessen. Et vigtigt punkt her er, at der skal være en meget god elektrisk kontakt på det sted, hvor de hængslede flader mødes. Normalt anvendes et tyndt sølvlag for at opnå den bedste elektriske kontakt på overfladen. De delte dele af spolerne afkøles ved hjælp af fleksible vandslanger. Automatiseret pneumatisk kompression anvendes ofte til at lukke/åbne spolen og også til at give det nødvendige tryk på det hængslede område.
Typer af varmespoler
Dobbelt deformeret pandekagespole
I anvendelser som opvarmning af spidsen af aksler kan det være vanskeligt at opnå en ensartet temperatur på grund af annulleringseffekten i midten af spidsens overflade. En dobbelt deformeret pandekagespiral med bearbejdede sider, svarende til nedenstående skema, kan anvendes til at opnå en ensartet opvarmningsprofil. Man skal være opmærksom på retningen af de to pandekager, hvor de centrale viklinger er viklet i samme retning og har sammenfaldende magnetisk virkning.
Split-Returspole
I de anvendelser som svejsning af et smalt bånd på den ene side af en lang cylinder, hvor en relativt lang længde skal opvarmes betydeligt højere end de øvrige områder af objektet, vil strømreturbanen være af betydning. Ved anvendelse af spoletypen Split-Return-spole vil den høje strøm, der induceres i svejsevejen, blive opdelt i to, som vil være endnu bredere. På denne måde er opvarmningshastigheden i svejsebanen mindst fire gange højere end i resten af objektets dele.
Kanalspoler
Kanalspoletypen anvendes, hvis opvarmningstiden ikke er meget kort, og der også er behov for ret lave effekttætheder. En række opvarmningsdele passerer gennem spolen med en konstant hastighed og når deres maksimale temperatur, når de kommer ud af maskinen. Spolens ender er normalt bøjet for at give delene mulighed for at komme ind og ud af spolen. Hvor der er behov for en profilopvarmning, kan pladekoncentratorer anvendes med multiturn-kanalspoler.
Firkantede kobberrør har to hovedfordele i forhold til de runde rør: a) da de har en mere flad overflade, der “kigger” på emnet, giver de en bedre elektromagnetisk kobling med varmebelastningen, og b) det er strukturelt lettere at gennemføre vendinger med firkantede rør frem for runde rør.
Ledningskonstruktion til induktionsspoler
Ledningskonstruktion: Ledninger er en del af induktionsspolen, og selv om de er meget korte, har de en endelig induktans. Generelt viser nedenstående diagram kredsløbsdiagrammet for varmestationen i et induktionsenhedssystem. C er resonanskondensatoren, der er installeret i varmestationen, L_lead er den samlede induktans af spolens ledninger, og L_coil er induktansen af induktionsspolen kombineret med varmebelastningen. V_total er den spænding, der tilføres varmeanlægget fra induktionsspændingsforsyningen, V_lead er spændingsfaldet på ledningens induktans, og V_coil er den spænding, der tilføres induktionsspolen. Den samlede spænding er summen af ledningens spænding og induktionsspolens spænding:
V_lead repræsenterer den del af den samlede spænding, der er optaget af ledningerne og som ikke udfører nogen nyttig induktionsvirkning. Konstruktørens mål vil være at minimere denne værdi. V_lead kan beregnes som:
Det fremgår tydeligt af ovenstående formler, at for at minimere værdien af V_lead, så skal ledningernes induktans være flere gange mindre end induktionsspolens induktans (L_lead≪L_coil).
reduktion af ledningsinduktans: Ved lave frekvenser, normalt fordi der anvendes spoler med høj induktans (multiturn og/eller stor ID), er L_lead meget mindre end L_coil. Da antallet af vindinger og spolens samlede størrelse imidlertid reduceres for højfrekvente induktorer, bliver det vigtigt at anvende særlige metoder til at minimere ledningens induktans. Nedenfor er der to eksempler til at opnå dette.
Fluxkoncentratorer: Når et magnetisk materiale placeres i et miljø, der omfatter magnetiske felter, har de på grund af den lave magnetiske modstand (reluktans) en tendens til at absorbere linjerne af magnetisk flux. Evnen til at absorbere det magnetiske felt kvantificeres ved relativ magnetisk permeabilitet. Denne værdi for luft, kobber og rustfrit stål er 1, men for blødt stål kan den gå op til 400 og for jern op til 2000. Magnetiske materialer kan bevare deres magnetiske evne op til deres Curie-temperatur, hvorefter deres magnetiske permeabilitet falder til 1, og de vil ikke længere være magnetiske.
En fluxkoncentrator er et materiale med høj permeabilitet og lav elektrisk ledningsevne, der er beregnet til at blive anvendt i induktionsvarmespoler til at forstørre det magnetfelt, der påføres varmebelastningen. Figuren nedenfor viser, hvordan placering af en fluxkoncentrator i midten af en pandekagespole vil koncentrere de magnetiske feltlinjer ved spolens overflade. Således vil de materialer, der er placeret oven på pandekagespolen, koble bedre sammen og få den maksimale opvarmning.
Fluxkoncentratorens virkning på strømtætheden i induktionsspolen er vist i nedenstående figur. Det meste af strømmen vil blive koncentreret på den overflade, som ikke er dækket af fluxkoncentratoren. Derfor kan spolen konstrueres på en sådan måde, at kun den side af spolen, der vender mod varmebelastningen, vil være uden koncentratormaterialer. Inden for elektromagnetisme kaldes dette for slot-effekt. Slot-effekten vil øge spolens effektivitet betydeligt, og opvarmningen vil kræve et lavere effektniveau.
