Induktiolämmityksen osat
Tyypilliseen induktiolämmitinjärjestelmään kuuluu virtalähde, impedanssin sovituspiiri, säiliöpiiri ja applikaattori. Applikaattori, joka on induktiokela, voi olla osa säiliöpiiriä. Säiliöpiiri on yleensä kondensaattoreiden ja induktoreiden rinnakkaisjoukko. Säiliöpiirin kondensaattori on sähköstaattisen energian varasto ja induktori sähkömagneettisen energian varasto. Resonanssitaajuudella kondensaattori ja induktori alkavat heiluttaa varastoitua energiaansa toisiinsa. Rinnakkaiskokoonpanossa tämä energian muuntaminen tapahtuu suurella virralla. Kelan läpi kulkeva suuri virta auttaa saamaan aikaan hyvän energiansiirron induktiokelasta työkappaleeseen.
Klikkaa tästä saadaksesi tietoa siitä, mitä induktiokelat ovat ja miten ne toimivat, sekä eri kelatyypeistä.
a) Virtalähde
Virtalähteet ovat yksi induktiolämmitinjärjestelmän tärkeimmistä osista. Ne mitoitetaan tyypillisesti niiden käyttötaajuusalueen ja tehon mukaan. On olemassa erityyppisiä induktiovirtalähteitä, joita ovat verkkotaajuuslähteet, taajuuskerrannaiset, moottorigeneraattorit, kipinävälinmuuntimet ja puolijohdevaihtosuuntaajat. Kiinteän olomuodon taajuusmuuttajilla on teholähteistä suurin hyötysuhde.
Tyypillinen kiinteän olomuodon taajuusmuuttajan teholähde koostuu kahdesta pääosasta: tasasuuntaajasta ja taajuusmuuttajasta. Verkon vaihtovirrat muunnetaan tasasuuntaajaosassa tasavirraksi diodien tai tyristoreiden avulla. Tasavirta menee invertteriin, jossa puolijohdekytkimet, kuten IGBT:t tai MOSFET:t, muuttavat sen virraksi, tällä kertaa korkealla taajuudella (tyypillisesti välillä 10 kHz-600 kHz). Alla olevan kaavion mukaan IGBT:t voivat toimia suuremmalla teholla ja pienemmällä taajuudella verrattuna MOSFET:iin, jotka toimivat pienemmällä teholla ja suuremmalla taajuudella.
b) Impedanssin sovittaminen
Induktiolämmityksen virtalähteillä, kuten kaikilla muillakin elektroniikkalaitteilla, on enimmäisjännite- ja -virta-arvot, joita ei saa ylittää. Jotta virtalähteestä saataisiin suurin mahdollinen teho kuormaan (työkappaleeseen), virtalähteen ja kuorman impedanssin on oltava mahdollisimman lähellä toisiaan. Näin teho-, jännite- ja virta-arvot voivat saavuttaa suurimmat sallitut raja-arvonsa samanaikaisesti. Induktiolämmittimissä käytetään tähän tarkoitukseen impedanssin sovituspiirejä. Sovelluksen mukaan voidaan käyttää erilaisia sähköisten elementtien yhdistelmiä (esim. muuntajia, muuttuvia induktoreja, kondensaattoreita jne.).
c) Resonanssisäiliö
Induktiolämmitysjärjestelmän resonanssisäiliö on tavallisesti kondensaattorin ja induktorin rinnakkaissarja, joka resonoi tietyllä taajuudella. Taajuus saadaan seuraavasta kaavasta:
jossa L on induktiokelan induktanssi ja C on kapasitanssi. Alla olevan animaation mukaan resonanssi-ilmiö on hyvin samankaltainen kuin mitä tapahtuu heilurissa. Heilurissa liike- ja potentiaalienergiat muuntuvat toisiinsa heilurin heilahtaessa toisesta päästä toiseen. Liike vaimenee kitkan ja muiden mekaanisten häviöiden vuoksi. Resonanssisäiliössä virtalähteen tuottama energia värähtelee induktorin (sähkömagneettisen energian muodossa) ja kondensaattorin (sähköstaattisen energian muodossa) välillä. Energia vaimenee kondensaattorin, induktorin ja työkappaleen häviöiden vuoksi. Työkappaleen häviöt lämmön muodossa ovat haluttuja ja induktiolämmityksen tavoite.
Itse resonanssisäiliö sisältää kondensaattorin ja induktorin. Kondensaattoripankkia käytetään tuottamaan tarvittava kapasitanssi, jotta saavutetaan resonanssitaajuus, joka on lähellä virtalähteen kapasiteettia. Matalilla taajuuksilla (alle 10 kHz) käytetään öljytäytteisiä kondensaattoreita ja korkeammilla taajuuksilla (yli 10 kHz) keraamisia tai kiinteitä dielektrisiä kondensaattoreita.
d) Induktiolämmittimen induktorit
Mitä ovat induktiokelat & Miten ne toimivat?
Induktiolämmityskela on erityisesti muotoiltu kupariputki tai muu johtava materiaali, jonka läpi johdetaan vaihtuva sähkövirta, joka luo muuttuvan magneettikentän. Metalliosat tai muut johtavat materiaalit asetetaan induktiolämmityskelan sisään, läpi tai lähelle induktiolämmityskelaa koskettamatta kelaa, ja syntyvä vaihteleva magneettikenttä aiheuttaa metallissa kitkaa, joka saa sen lämpenemään.
Miten induktiokäämit toimivat?
Käämiä suunniteltaessa on otettava huomioon joitakin ehtoja:
1. Induktiolämmittimen hyötysuhteen lisäämiseksi kelan ja työkappaleen välinen etäisyys on minimoitava. Kelan ja työkappaleen välisen kytkennän tehokkuus on kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöjuureen.
2. Jos kappale on sijoitettu kierteisen kelan keskelle, se kytkeytyy parhaiten magneettikenttään. Jos se on epäkeskisesti, työkappaleen alue, joka on lähempänä kierroksia, saa enemmän lämpöä. Tämä vaikutus on esitetty alla olevassa kuvassa.
3. Myös johtimien ja kelan liitoksen läheisyydessä olevassa kohdassa on heikompi magneettivuon tiheys, joten edes kierukkakelan ID-keskipiste ei ole induktiolämmityksen keskipiste.
4. Peruutusilmiötä (kuva vasemmalla) on vältettävä. Tämä tapahtuu, kun kelan aukko on hyvin pieni. Silmukan asettaminen kelaan auttaa tuottamaan tarvittavan induktanssin (kuva oikealla). Induktorin induktanssi määrittää induktorin kyvyn varastoida magneettista energiaa. Induktanssi voidaan laskea seuraavasti:
jossa ε on sähkömotorinen voima ja dI/dt on virran muutosnopeus kelassa. ε itsessään on yhtä suuri kuin magneettivuon muutosnopeus kelassa (- dφ/dt), jossa magneettivuo φ voidaan laskea kaavasta NBA, jossa N on kierrosten lukumäärä, B magneettikenttä ja A induktorin pinta-ala. Induktanssi on siis yhtä suuri kuin:
On selvää, että induktanssin arvo on lineaarisesti verrannollinen induktorin pinta-alaan. Näin ollen induktorisilmukalle on otettava huomioon vähimmäisarvo, jotta se voi varastoida magneettisen energian ja luovuttaa sen induktiotyöstökappaleelle.
Kelan hyötysuhde
Kelan hyötysuhde määritellään seuraavasti:
Alla olevasta taulukosta nähdään tyypilliset hyötysuhteet eri keloille:
Kierukan muokkaus sovelluksen mukaan
Monissa sovelluksissa lämmityskohteella ei ole tasaista profiilia, vaikka se tarvitsee tasaista lämmitystä. Näissä tapauksissa magneettivuokenttää on muutettava. Tähän on kaksi tyypillistä menetelmää. Yksi tapa on irrottaa kierrokset siellä, missä kappaleella on suurempi poikkileikkaus (jos käytetään spiraalikäämiä). Yleisempi menetelmä on lisätä käämien väliä alueilla, joilla osan poikkileikkaus on suurempi. Molemmat menetelmät on esitetty alla olevassa kuvassa.
Sama tilanne tapahtuu, kun lämmitetään tasaisia pintoja suurilla pannukakkukeloilla. Keskialue saa liikaa lämpöä. Tämän välttämiseksi kelan pinnan ja litteän kohteen välistä rakoa kasvatetaan soveltamalla pannukakkukelaan kartiomuotoista muotoa.
Vuorauksella varustettua kelaa käytetään sovelluksissa, joissa tarvitaan laajaa ja tasaista lämmitysaluetta, mutta halutaan välttää suurten kupariputkien käyttöä. Vuorauslevy on leveä levy, joka on juotettu kiinni kelan putkistoon ainakin kahdesta kohdasta. Loput liitoksesta juotetaan ainoastaan, jotta saadaan aikaan mahdollisimman suuri lämmönsiirtoyhteys. Myös sinimuotoinen profiili auttaa parantamaan kelan jäähdytyskykyä. Tällainen kela on esitetty alla olevassa kuvassa.
Lämmityspituuden kasvaessa kierrosten lukumäärää on lisättävä, jotta lämmitys pysyy tasaisena.
Työkappaleen muodon muutoksista riippuen lämmityskuvio vaihtelee. Magneettivuolla on taipumus kerääntyä lämmityskohteen reunoille, pintaviiltoihin tai syvennyksiin, mikä aiheuttaa suuremman lämmitysnopeuden näillä alueilla. Alla olevassa kuvassa näkyy ”reunavaikutus”, jossa kela on korkeammalla kuin lämmityselementin reuna ja liiallinen kuumeneminen tapahtuu tällä alueella. Tämän välttämiseksi kela voidaan laskea alemmaksi, tasaiseksi tai hieman reunaa alemmaksi.
Kiekkojen induktiolämmitys voi myös aiheuttaa liiallista reunojen lämpenemistä, kuten alla olevassa kuvassa näkyy. Reunat saavat suuremman kuumenemisen. Kelan korkeutta voidaan pienentää tai kelan päät voidaan tehdä suuremmasta säteestä, jotta ne irtoavat työkappaleen reunasta.
Suorakulmaisten kelojen terävät kulmat voivat aiheuttaa syvempää kuumenemista työkappaleeseen. Kelan kulmien irtikytkentä vähentää toisaalta kulman kuumenemisnopeutta, mutta toisaalta vähentää induktioprosessin kokonaistehokkuutta.
Yksi tärkeistä huomioon otettavista seikoista monipaikkaisia keloja suunniteltaessa on vierekkäisten kelojen vaikutus toisiinsa. Jotta kunkin kelan lämmityslujuus pysyisi maksimissaan, vierekkäisten kelojen välisen keskipisteen etäisyyden on oltava vähintään 1,5 kertaa kelan halkaisija.
Jakoinduktoreja käytetään sovelluksissa, joissa tarvitaan tiivistä kytkentää ja joissa myös osaa ei voida irrottaa kelasta lämmitysprosessin jälkeen. Tärkeä seikka tässä on, että saranoitujen pintojen kohtaamispaikassa on oltava erittäin hyvä sähköinen kontakti. Yleensä käytetään ohutta hopeakerrosta parhaan sähköisen pintakontaktin aikaansaamiseksi. Kelan halkaistut osat jäähdytetään taipuisan vesiletkun avulla. Automatisoitua pneumaattista puristusta käytetään usein kelan sulkemiseen/avaamiseen ja myös tarvittavan paineen aikaansaamiseksi saranoidulle alueelle.
Lämmityskelojen tyypit
Kaksoismuotoinen muodoltaan muuttunut pannukakkukela
Sovelluksissa, joissa esimerkiksi lämmitetään akselien kärkipisteitä, lämpötilan tasalaatuisuuden tavoittaminen voi olla hankalaa kärkipään pinnan keskipisteessä esiintyvän mitätöintivaikutuksen vuoksi. Tasaisen lämmitysprofiilin saavuttamiseksi voidaan käyttää kaksinkertaista deformoitunutta pannukakkukäämiä, jonka sivut ovat laatoitetut ja joka on samanlainen kuin alla olevassa kaaviossa. Huomiota on kiinnitettävä kahden pannukakun suuntaan, jossa keskimmäiset käämit on kierretty samaan suuntaan ja joilla on magneettista vaikutusta lisäävä vaikutus.
Pannukakkukela
Sovelluksissa, kuten hitsaamalla kapea kaistale pitkän sylinterin toiselle puolelle, jossa suhteellisen pitkää pituutta on lämmitettävä huomattavasti korkeammalle kuin kohteen muita alueita, virran paluupolku on tärkeä. Split-Return-tyyppistä kelaa käytettäessä hitsausreittiin indusoituva suuri virta jaetaan kahtia, jotka ovat vielä leveämpiä. Näin hitsauspolun lämmitysnopeus on vähintään neljä kertaa suurempi kuin kohteen muiden osien.
Kanavakelatyyppisiä keloja käytetään, jos lämmitysaika ei ole kovin lyhyt ja lisäksi tarvitaan melko pieniä tehotiheyksiä. Useat lämmitettävät osat kulkevat kelan läpi tasaisella nopeudella ja saavuttavat maksimilämpötilansa koneesta poistuessaan. Kelan päät on yleensä taivutettu, jotta osat pääsevät kelaan ja sieltä ulos. Jos tarvitaan profiililämmitystä, levykeskittimiä voidaan käyttää monikierroksisten kanavakelojen kanssa.
Neliömäisellä kupariputkella on kaksi pääetua pyöreään putkeen verrattuna: a) koska sillä on tasaisempi pinta ”katsomassa” työkappaleeseen, se tarjoaa paremman sähkömagneettisen kytkennän lämmityskuorman kanssa ja b) kierrokset on rakenteellisesti helpompi toteuttaa neliöputkella pyöreän putken sijaan.
Induktiokelojen johtosuunnittelu
Johtosuunnittelu: Johtimet ovat osa induktiokäämiä ja vaikka ne ovat hyvin lyhyitä, niillä on rajallinen induktanssi. Yleisesti ottaen alla olevassa kaaviossa esitetään induktioyksikköjärjestelmän lämpöaseman piirikaavio. C on lämpöasemaan asennettu resonanssikondensaattori, L_johto on kelan johtojen kokonaisinduktanssi ja L_kela on lämmityskuorman kanssa kytketyn induktiokelan induktanssi. V_total on induktiovirtalähteestä lämpökeskukseen syötettävä jännite, V_lead on johtimen induktanssin jännitehäviö ja V_coil on induktiokelaan syötettävä jännite. Kokonaisjännite on johtimen jännitteen ja induktiokelan jännitteen summa:
V_johtimen jännite edustaa kokonaisjännitteestä sitä osuutta, jonka johtimet vievät ja joka ei tee mitään hyödyllistä induktiotoimintaa. Suunnittelijan tavoitteena on minimoida tämä arvo. V_johto voidaan laskea seuraavasti:
Yllä olevista kaavoista käy ilmi, että jotta V_johdon arvo saadaan minimoitua, niin johtojen induktanssin on oltava moninkertaisesti pienempi kuin induktiokelan induktanssi (L_johto≪L_kela).
Johtimien induktanssin pienentäminen: Matalilla taajuuksilla, yleensä koska käytetään suuren induktanssin keloja (monikierre ja/tai suuri ID), L_lead on paljon pienempi kuin L_coil. Koska kierrosten lukumäärä ja kelan kokonaiskoko kuitenkin pienenee korkeataajuusinduktoreissa, on tärkeää soveltaa erityisiä menetelmiä johtimen induktanssin minimoimiseksi. Alla on kaksi esimerkkiä tämän toteuttamiseksi.
Flux Concentrators: Kun magneettinen materiaali sijoitetaan magneettikenttiä sisältävään ympäristöön, pienen magneettisen vastuksen (reluktanssin) vuoksi niillä on taipumus absorboida magneettivuon linjat. Kykyä absorboida magneettikenttää mitataan suhteellisella magneettisella läpäisevyydellä. Tämä arvo ilmalle, kuparille ja ruostumattomalle teräkselle on yksi, mutta lievä teräs voi nousta jopa 400:aan ja rauta jopa 2000:een. Magneettiset materiaalit voivat säilyttää magneettisen kykynsä Curie-lämpötilaansa asti, jonka jälkeen niiden magneettinen permeabiliteetti laskee yhteen, eivätkä ne ole enää magneettisia.
Vuokonsentraattori on korkean permeabiliteetin omaava, sähkönjohtavuudeltaan heikko materiaali, joka on suunniteltu käytettäväksi induktiolämmittimen käämien rakentamisessa suurentamaan lämmityskuormaan kohdistuvaa magneettikenttää. Alla olevassa kuvassa näytetään, miten vuokonsentraattorin sijoittaminen pannukakkukelan keskelle keskittää magneettikentän linjat kelan pinnalla. Näin pannukakkukelan päälle sijoitetut materiaalit kytkeytyvät paremmin ja saavat maksimaalisen lämmityksen.
Vuorokeskittimen vaikutus induktiokelan virrantiheyteen on esitetty alla olevassa kuvassa. Suurin osa virrasta keskittyy pinnalle, jota ei ole peitetty vuokonsentraattorilla. Siksi kela voidaan suunnitella siten, että vain kelan lämmityskuormaa kohti oleva puoli jää ilman keskittimen materiaaleja. Sähkömagnetismissa tätä kutsutaan rakoilmiöksi. Slot-ilmiö lisää huomattavasti kelan hyötysuhdetta ja lämmitykseen tarvitaan pienempi teho.
