Az indukciós fűtés elemei
A tipikus indukciós fűtőrendszer tartalmaz egy tápegységet, egy impedanciaillesztő áramkört, egy tartályáramkört és egy applikátort. Az applikátor, amely az indukciós tekercs, lehet a tartályáramkör része. A tartályáramkör általában kondenzátorok és induktorok párhuzamos halmaza. A tartályáramkörben lévő kondenzátor és induktor az elektrosztatikus energia, illetve az elektromágneses energia tárolója. A rezonanciafrekvencián a kondenzátor és az induktor elkezdi egymásnak hintázni a tárolt energiát. A párhuzamos konfigurációban ez az energiaátalakítás nagy áramnál történik. A tekercsen átfolyó nagy áram segít abban, hogy jó legyen az energiaátvitel az indukciós tekercsről a munkadarabra.
Kattintson ide, hogy megtudja, mik az indukciós tekercsek és hogyan működnek, valamint a tekercsek különböző típusait.
a) Tápegység
A tápegységek az indukciós fűtőrendszer egyik legfontosabb részei. Jellemzően a működési frekvenciatartományuk és a teljesítményük alapján méretezik őket. Az indukciós tápegységek különböző típusai léteznek, amelyek a hálózati frekvenciájú tápegységek, a frekvenciaszorzók, a motorgenerátorok, a szikra-hézag átalakítók és a szilárdtest inverterek. A szilárdtest-inverterek rendelkeznek a legnagyobb hatásfokkal a tápegységek közül.
A tipikus szilárdtest-inverteres tápegység két fő részből áll: egyenirányító és inverter. A hálózati váltakozó áramot az egyenirányító szakaszban diódák vagy tirisztorok segítségével egyenárammá alakítják. Az egyenáram az inverterbe kerül, ahol szilárdtest kapcsolók, például IGBT-k vagy MOSFET-ek alakítják át árammá, ezúttal magas frekvencián (jellemzően 10 kHz-600 kHz tartományban). Az alábbi diagram szerint az IGBT-k magasabb teljesítményszinten és alacsonyabb frekvencián működhetnek, szemben az alacsonyabb teljesítményszinten és magasabb frekvencián működő MOSFET-ekkel.
b) Impedanciaillesztés
Az indukciós fűtési tápegységeknek, mint minden más elektronikus eszköznek, vannak maximális feszültség- és áramértékei, amelyeket nem szabad túllépni. Annak érdekében, hogy a tápegységből a maximális teljesítményt lehessen eljuttatni a terheléshez (munkadarabhoz), a tápegység és a terhelés impedanciájának a lehető legközelebb kell lennie egymáshoz. Így a teljesítmény-, feszültség- és áramértékek egyszerre érhetik el a megengedett legmagasabb határértékeket. Az indukciós fűtőegységekben erre a célra impedanciaillesztő áramköröket használnak. Az alkalmazásnak megfelelően az elektromos elemek (pl. transzformátorok, változó induktivitások, kondenzátorok stb.) különböző kombinációi használhatók.
c) Rezonancia-tartály
A rezonancia-tartály az indukciós fűtőrendszerben általában kondenzátor és induktor párhuzamos készlete, amely egy bizonyos frekvencián rezonál. A frekvenciát a következő képletből kapjuk:
ahol L az indukciós tekercs induktivitása és C a kapacitás. Az alábbi animáció szerint a rezonanciajelenség nagyon hasonló ahhoz, ami egy lengő ingában történik. Az ingában a mozgási és a potenciális energiák egymásba alakulnak át, miközben az inga egyik végétől a másikig leng. A mozgás a súrlódás és egyéb mechanikai veszteségek miatt csillapodik. A rezonanciatartályban a tápegység által biztosított energia az induktor (elektromágneses energia formájában) és a kondenzátor (elektrosztatikus energia formájában) között oszcillál. Az energia a kondenzátor, az induktor és a munkadarab veszteségei miatt csillapodik. A munkadarab hő formájában fellépő veszteségei kívánatosak és az indukciós fűtés célja.
A rezonanciatartály maga tartalmazza a kondenzátort és az induktort. Kondenzátorok bankját használják a szükséges kapacitás biztosításához, hogy a tápegység képességéhez közeli rezonanciafrekvenciát érjenek el. Alacsony frekvenciákon (10 kHz alatt) olajjal töltött kondenzátorokat, magasabb frekvenciákon (10 kHz felett) pedig kerámia vagy szilárd dielektromos kondenzátorokat használnak.
d) Indukciós fűtőinduktorok
Mik az indukciós tekercsek & Hogyan működnek?
Az indukciós fűtőtekercs egy speciálisan kialakított rézcső vagy más vezető anyag, amelyen váltakozó elektromos áramot vezetnek át, változó mágneses mezőt létrehozva. Fém alkatrészeket vagy más vezető anyagokat helyeznek az indukciós fűtőtekercsbe, azon keresztül vagy annak közelében, anélkül, hogy megérintenék a tekercset, és a keletkező változó mágneses tér súrlódást okoz a fémben, ami a fém felmelegedését okozza.
Hogyan működnek az indukciós tekercsek?
A tekercs tervezésénél figyelembe kell venni néhány feltételt:
1. Az indukciós fűtőberendezések hatékonyságának növelése érdekében a tekercs és a munkadarab közötti távolságot minimalizálni kell. A tekercs és a munkadarab közötti csatolás hatékonysága fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetgyökével.
2. Ha az alkatrész a spirális tekercs közepén helyezkedik el, akkor lesz a legjobb a mágneses térrel való csatolás. Ha a középponton kívül helyezkedik el, a munkadarabnak a tekercsekhez közelebbi területe több hőt kap. Ezt a hatást az alábbi ábra mutatja be.
3. Emellett a vezetékek-tekercs csatlakozásához közeli pozícióban gyengébb a mágneses fluxussűrűség, ezért még a spiráltekercs ID-középpontja sem az indukciós fűtés központja.
4. El kell kerülni az eltörlési hatást (bal oldali ábra). Ez akkor következik be, ha a tekercs nyílása nagyon kicsi. Egy hurok elhelyezése a tekercsben segít a szükséges induktivitás biztosításában (jobb oldali ábra). Egy induktor induktivitása határozza meg az adott induktor mágneses energia tárolására való képességét. Az induktivitás az alábbiak szerint számítható ki:
melyben ε az elektromotoros erő és dI/dt a tekercsben az áramváltozás sebessége. ε maga egyenlő a tekercsben a mágneses fluxus változásának sebességével (- dφ/dt), ahol a φ mágneses fluxus kiszámítható az NBA-ból, ahol N a tekercsek száma, B a mágneses tér és A az induktor területe. Az induktivitás tehát egyenlő lesz:
Az induktivitás értéke nyilvánvalóan lineárisan arányos az induktor területével. Ezért az induktív huroknak egy minimális értéket kell figyelembe venni, hogy képes legyen mágneses energiát tárolni és azt az indukciós munkadarabnak átadni.
Tekercs hatásfok
A tekercs hatásfokát a következőképpen határozzuk meg:
Az alábbi táblázat a különböző tekercsek jellemző hatásfokát mutatja:
Tekercs módosítása az alkalmazás szerint
Ebben az alkalmazásokban a fűtési tárgy nem egyenletes profilú, bár egyenletes fűtést igényel. Ezekben az esetekben a mágneses fluxusmezőt módosítani kell. Ennek megvalósítására két tipikus módszer létezik. Az egyik módszer a tekercsek szétkapcsolása ott, ahol az alkatrész nagyobb keresztmetszettel rendelkezik (spirális tekercs használata esetén). A gyakoribb módszer a tekercsek közötti távolság növelése azokon a területeken, ahol az alkatrész keresztmetszete nagyobb. Mindkét módszer az alábbi ábrán látható.
Ugyanez a helyzet fordul elő sík felületek fűtésekor nagyméretű palacsintatekercsekkel. A központi terület túlzott hőt kap. Ennek elkerülése érdekében a tekercsfelület és a lapos tárgy közötti távolságot megnöveljük a palacsintatekercs kúpos alakjának alkalmazásával.
A béléssel ellátott tekercset olyan alkalmazásokban használják, ahol széles és egyenletes fűtési területre van szükség, de el akarjuk kerülni a nagyméretű rézcsövek használatát. A bélés egy széles lemez, amelyet legalább két ponton a tekercscsőhöz forrasztanak. Az illesztés többi részét csak forrasztással forrasztják, hogy a maximális hőátadási kapcsolatot biztosítsák. A szinuszos profil is segít a tekercs hűtési képességének növelésében. Egy ilyen tekercs az alábbi ábrán látható.
Amint nő a fűtési hossz, úgy kell növelni a tekercsek számát, hogy a fűtés egyenletes maradjon.
A munkadarab alakjának változásától függően a fűtési minta változik. A mágneses fluxus hajlamos felhalmozódni a fűtési tárgy széleinél, felületi bevágásoknál vagy bemélyedéseknél, így ezeken a területeken nagyobb fűtési sebességet okoz. Az alábbi ábra a “peremhatást” mutatja, ahol a tekercs magasabban van, mint a fűtőelem széle, és ezen a területen túlzott felmelegedés történik. Ennek elkerülése érdekében a tekercset lejjebb lehet vinni, hogy egyenletes vagy kissé alacsonyabb legyen a peremnél.
A lemezek indukciós fűtése szintén okozhat túlzott peremmelegedést, ahogy az alábbi ábrán látható. Az élek nagyobb melegedést kapnak. A tekercs magassága csökkenthető, vagy a tekercs végei nagyobb sugarúak lehetnek, hogy leváljanak a munkadarab éléről.
A négyszögletes tekercsek éles sarkai mélyebb melegedést okozhatnak a munkadarabban. A tekercs sarkainak leválasztása egyrészt csökkenti a sarok felmelegedésének mértékét, másrészt viszont csökkenti az indukciós folyamat általános hatékonyságát.
A többhelyes tekercsek tervezésekor figyelembe veendő egyik fontos elem a szomszédos tekercsek egymásra gyakorolt hatása. Annak érdekében, hogy az egyes tekercsek fűtőereje maximális maradjon, a szomszédos tekercsek közötti középponti távolságnak legalább a tekercsátmérő másfélszeresének kell lennie.
A osztott induktorokat olyan alkalmazásokban használják, ahol szoros csatolásra van szükség, és az alkatrész sem húzható ki a tekercsből a fűtési folyamat után. Fontos szempont itt, hogy a csuklós felületek találkozásának helyén nagyon jó elektromos érintkezést kell biztosítani. Általában vékony ezüstréteget használnak a legjobb felületi elektromos érintkezés biztosítására. A tekercsek szétválasztott részeit rugalmas vízcsövek segítségével hűtik le. Automatizált pneumatikus tömörítést gyakran használnak a tekercs bezárására/nyitására, valamint a szükséges nyomás biztosítására a csuklós területen.
Fűtőtekercsek típusai
Dupla deformált palacsintatekercs
A tengelyek hegyének fűtéséhez hasonló alkalmazásokban nehéz lehet az egyenletes hőmérséklet elérése, mivel a hegy felületének közepén a törlési hatás miatt nehézkes lehet. Az egyenletes fűtési profil eléréséhez az alábbi sémához hasonló, cserepes oldalú, kettős deformált palacsintatekercs használható. Figyelmet kell fordítani a két palacsintatekercs irányára, amelyben a középső tekercsek azonos irányba vannak tekerve, és összeadódó mágneses hatást fejtenek ki.
Split-Return tekercs
Azokban az alkalmazásokban, mint például egy hosszú henger egyik oldalán egy keskeny sáv hegesztése, ahol egy viszonylag hosszú hosszt jelentősen nagyobb mértékben kell melegíteni, mint a tárgy többi területét, az áramvisszatérési útvonalnak lesz jelentősége. A Split-Return típusú tekercs használatával a hegesztési útvonalban indukált nagy áram két részre oszlik, amelyek még szélesebbek lesznek. Így a hegesztési útvonalnál a fűtési sebesség legalább négyszer nagyobb, mint a tárgy többi részén.
csatornás tekercsek
A csatornás típusú tekercseket akkor használják, ha a fűtési idő nem túl rövid, és meglehetősen alacsony teljesítménysűrűségre is szükség van. A tekercsen több fűtőelem halad át állandó sebességgel, és a gépből való kilépéskor érik el a maximális hőmérsékletüket. A tekercs végeit általában meghajlítják, hogy az alkatrészek számára biztosítsák a tekercsbe való be- és kilépés útját. Ahol profilfűtésre van szükség, ott lemezkoncentrátorok használhatók többfordulós csatornatekercsekkel.
A négyszögletes rézcsőnek két fő előnye van a kerek csővel szemben: a) mivel laposabb felülettel “néz” a munkadarabra, jobb elektromágneses csatolást biztosít a fűtőteherrel, és b) szerkezetileg könnyebb a fordulókat négyszögletes csővel megvalósítani, mint kerek csővel.
Vezetéktervezés indukciós tekercsekhez
Vezetéktervezés: A vezetékek az indukciós tekercs részét képezik, és bár nagyon rövidek, véges induktivitással rendelkeznek. Általánosságban az alábbi ábra egy indukciós egységrendszer hőállomásának kapcsolási rajzát mutatja. C a hőállomásba beépített rezonancia-kondenzátor, L_lead a tekercs kivezetéseinek teljes induktivitása és L_coil a fűtőteherrel összekapcsolt indukciós tekercs induktivitása. V_total az indukciós tápegységből a hőközpontra kapcsolt feszültség, V_lead a vezeték induktivitásán fellépő feszültségesés és V_coil az indukciós tekercsre kapcsolt feszültség. A teljes feszültség az ólom feszültségének és az indukciós tekercs feszültségének összege:
V_lead a teljes feszültségnek azt a részét jelenti, amelyet az ólom foglal el, és nem végez semmilyen hasznos indukciós hatást. A tervező célja ennek az értéknek a minimalizálása lesz. A V_lead a következőképpen számítható ki:
A fenti képletekből nyilvánvaló, hogy a V_lead értékének minimalizálása érdekében, akkor a leadek induktivitásának többszörösen kisebbnek kell lennie, mint az indukciós tekercs induktivitásának (L_lead≪L_coil).
A vezeték induktivitásának csökkentése: Alacsony frekvenciákon, általában mivel nagy induktivitású tekercseket (többfordulós és/vagy nagy ID) használnak, az L_lead sokkal kisebb, mint az L_coil. Mivel azonban a tekercsek száma és a tekercs teljes mérete csökken a nagyfrekvenciás induktivitásoknál, fontos lesz speciális módszereket alkalmazni az ólom induktivitásának minimalizálására. Az alábbiakban két példát mutatunk be ennek megvalósítására.
Fluxuskoncentrátorok: Amikor egy mágneses anyagot mágneses tereket tartalmazó környezetbe helyezünk, az alacsony mágneses ellenállás (reluktancia) miatt hajlamosak elnyelni a mágneses fluxusvonalakat. A mágneses mező elnyelésére való képességet a relatív mágneses áteresztőképességgel számszerűsítik. Ez az érték a levegő, a réz és a rozsdamentes acél esetében egy, de a lágyacél esetében akár 400, a vas esetében pedig akár 2000 is lehet. A mágneses anyagok a Curie-hőmérsékletükig képesek megtartani mágneses képességüket, amely után a mágneses permeabilitásuk egyre csökken, és már nem lesznek mágnesesek.
A fluxuskoncentrátor egy nagy permeabilitású, alacsony elektromos vezetőképességű anyag, amelyet az indukciós fűtőtekercsek építésénél a fűtőteherre alkalmazott mágneses mező felnagyítására terveztek. Az alábbi ábra azt mutatja, hogy egy fluxuskoncentrátor elhelyezése egy palacsintatekercs közepén hogyan koncentrálja a mágneses mezővonalakat a tekercs felületén. Így a palacsintatekercs tetején elhelyezett anyagok jobban kapcsolódnak, és maximális fűtést kapnak.
A fluxuskoncentrátor hatása az indukciós tekercsben lévő áramsűrűségre az alábbi ábrán látható. Az áram nagy része a fluxuskoncentrátorral nem fedett felületen koncentrálódik. Ezért a tekercset úgy lehet kialakítani, hogy csak a tekercsnek a fűtőteher felé néző oldala maradjon koncentrátoranyagok nélkül. Az elektromágnesességben ezt réshatásnak nevezik. A réshatás jelentősen növeli a tekercs hatásfokát, és a fűtéshez kisebb teljesítményre lesz szükség.
