Elementen van Inductie Verwarming
Een typisch inductie verwarmingssysteem bestaat uit een voeding, impedantie matching circuit, tank circuit, en applicator. De applicator, die de inductiespoel is, kan deel uitmaken van de tankkring. Een tankcircuit is gewoonlijk een parallelle reeks condensatoren en spoelen. De condensator en de spoel in de tankkring zijn reservoirs van respectievelijk elektrostatische energie en elektromagnetische energie. Bij de resonantiefrequentie beginnen de condensator en de spoel hun opgeslagen energie aan elkaar over te dragen. In de parallelle configuratie vindt deze energieomzetting plaats bij hoge stroom. De hoge stroom door de spoel helpt om een goede energieoverdracht van de inductiespoel naar het werkstuk te hebben.
Klik hier om te leren wat inductiespoelen zijn en hoe ze werken, en de verschillende soorten spoelen.
a) Stroomvoorziening
De stroomvoorziening is een van de belangrijkste onderdelen van een inductieverhittingsysteem. Zij worden typisch beoordeeld door hun werkend frequentiegebied en macht. Er zijn verschillende soorten inductievoedingen: lijnfrequentieleveringen, frequentievermenigvuldigers, motor-generatoren, vonkbrugomvormers en solid-state inverters. Solid-state inverters hebben de meeste efficiëntie van alle voedingen.
Een typische solid-state inverter voeding omvat twee hoofdsecties; gelijkrichter en omvormer. De netstroom wordt in de gelijkrichtersectie omgezet in gelijkstroom met behulp van diodes of thyristors. De gelijkstroom gaat naar de omvormer, waar solid-state schakelaars, zoals IGBT’s of MOSFET’s, de stroom omzetten in stroom, ditmaal met een hoge frequentie (meestal in het bereik van 10 kHz-600 kHz). Volgens onderstaand schema kunnen IGBT’s werken bij een hoger vermogen en een lagere frequentie tegenover MOSFET’s die werken bij een lager vermogen en hogere frequenties.
b) Impedantie Overeenstemming
Inductieverwarmingsvoedingen hebben, net als elk ander elektronisch apparaat, maximale spannings- en stroomwaarden die niet overschreden mogen worden. Om het maximale vermogen van de voeding aan de belasting (het werkstuk) te leveren, moeten de impedantie van de voeding en de belasting zo dicht mogelijk bij elkaar liggen. Op deze wijze kunnen de vermogens-, spannings- en stroomwaarden gelijktijdig hun hoogst toelaatbare grenzen bereiken. Hiertoe worden in inductieverhitters impedantie-afstemmingscircuits gebruikt. Afhankelijk van de toepassing kunnen verschillende combinaties van elektrische elementen (b.v. transformatoren, variabele spoelen, condensatoren, enz.) worden gebruikt.
c) Resonantietank
De resonantietank in een inductieverwarmingssysteem is gewoonlijk een parallel geheel van condensator en spoel dat bij een bepaalde frequentie resoneert. De frequentie wordt verkregen uit de volgende formule:
waarbij L de inductie van de inductiespoel is en C de capaciteit. Volgens de onderstaande animatie lijkt het resonantieverschijnsel sterk op wat er in een slinger gebeurt. In een slinger worden kinetische en potentiële energieën in elkaar omgezet terwijl hij van het ene uiteinde naar het andere slingert. De beweging wordt gedempt door de wrijving en andere mechanische verliezen. In de resonantietank schommelt de door de voeding geleverde energie tussen de spoel (in de vorm van elektromagnetische energie) en de condensator (in de vorm van elektrostatische energie). De energie wordt gedempt door de verliezen in de condensator, de inductor en het werkstuk. De verliezen in het werkstuk in de vorm van warmte zijn gewenst en het doel van inductieverwarming.
De resonantietank zelf omvat de condensator en de inductor. Een bank van condensatoren wordt gebruikt om de benodigde capaciteit te leveren om een resonantiefrequentie te bereiken die dicht bij het vermogen van de voeding ligt. Bij lage frequenties (onder 10kHz) worden met olie gevulde condensatoren en bij hogere frequenties (meer dan 10kHz) keramische of vaste diëlektrische condensatoren gebruikt.
d) Inductieverhitters
Wat zijn inductiespoelen & Hoe werken zij?
De inductie het verwarmen rol is specifiek gevormde koperbuizenstelsel of ander geleidend materiaal dat de afwisselende elektrische stroom wordt overgegaan door, creërend een veranderlijk magnetisch veld. De metaaldelen of andere geleidende materialen worden geplaatst binnen, door of dicht bij de inductie het verwarmen rol, zonder de rol aan te raken en het veranderlijke magnetische veld dat wordt opgewekt veroorzaakt een wrijving binnen het metaal veroorzakend het te verwarmen.
Hoe werken inductiespoelen?
Bij het ontwerp van een spoel moet met een aantal voorwaarden rekening worden gehouden:
1. Om het rendement van de inductieverwarming te verhogen, moet de afstand tussen de spoel en het werkstuk zo klein mogelijk zijn. De efficiency van de koppeling tussen de spoel en het werkstuk is omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van de afstand tussen hen.
2. Als het onderdeel in het midden van de spiraalvormige spoel is geplaatst, zal het het best aan het magnetische veld worden gekoppeld. Indien het werkstuk zich niet in het midden bevindt, zal het gedeelte van het werkstuk dat zich dichter bij de windingen bevindt, meer warmte ontvangen. Dit effect is weergegeven in de onderstaande figuur.
3. Ook heeft de positie dicht bij de spiraal-spoelverbinding een zwakkere magnetische fluxdichtheid, zodat zelfs het ID-centrum van de spiraalvormige spoel niet het inductieverwarmingscentrum is.
4. Het annuleringseffect (figuur links) moet worden vermeden. Dit gebeurt wanneer de opening van de spoel zeer klein is. Het aanbrengen van een lus in de spoel zal helpen om de nodige inductie te verschaffen (figuur rechts). De inductantie van een spoel bepaalt het vermogen van die spoel om magnetische energie op te slaan. De inductantie kan worden berekend als:
waar ε de elektromotorische kracht is en dI/dt de snelheid van de stroomverandering in de spoel. ε zelf is gelijk aan de snelheid van de verandering van de magnetische flux in de spoel (- dφ/dt), waarbij de magnetische flux φ kan worden berekend uit NBA, met N het aantal windingen, B het magnetisch veld en A de oppervlakte van de spoel. Daarom zal de inductantie gelijk zijn aan:
Het is duidelijk dat de waarde van de inductantie lineair evenredig is met de oppervlakte van de spoel. Daarom moet voor de lus van de spoel een minimumwaarde worden overwogen, zodat deze magnetische energie kan opslaan en aan het inductiewerkstuk kan afgeven.
Spoelrendement
Het spoelrendement wordt als volgt gedefinieerd:
De onderstaande tabel toont typische rendementen van verschillende spoelen:
Coil modification according to the application
In verscheidene toepassingen heeft het verwarmingsobject geen uniform profiel, hoewel het uniform verwarmd moet worden. In deze gevallen moet het magnetische fluxveld worden gewijzigd. Er zijn twee typische methoden om dit te bereiken. Een manier is het ontkoppelen van de windingen op plaatsen waar het object een grotere doorsnede heeft (bij gebruik van een spiraalvormige spoel). Een meer gebruikelijke methode is het vergroten van de onderlinge afstand tussen de windingen op plaatsen waar de doorsnede van het onderdeel groter is. Beide methoden zijn in de onderstaande figuur weergegeven.
Dezelfde situatie doet zich voor bij het verwarmen van platte oppervlakken met grote pannenkoekspoelen. Het centrale gedeelte zal oververhit raken. Om dit te voorkomen wordt de afstand tussen het spoeloppervlak en het vlakke voorwerp vergroot door een conische vorm op de pannenkoekspoel aan te brengen.
Een spoel met liner wordt gebruikt in toepassingen waar een breed en gelijkmatig verwarmingsgebied nodig is, maar we willen het gebruik van grote koperen buizen vermijden. De voering is een breed blad dat aan de gloeispiraal minstens op twee punten wordt vastgesoldeerd. De rest van de verbinding zal slechts worden gesoldeerd om de maximumverbinding van de hitteoverdracht te verstrekken. Ook een sinusoïdaal profiel zal helpen om het koelvermogen van de spoel te vergroten. Een dergelijke spoel is weergegeven in de onderstaande figuur.
Als de verwarmingslengte toeneemt, moet het aantal windingen worden vergroot om de verwarmingsuniformiteit te behouden.
Afhankelijk van de veranderingen van de vorm van het werkstuk, varieert het verwarmingspatroon. De magnetische flux heeft de neiging zich op te hopen aan de randen, oppervlakte-uitsnijdingen of inkepingen van het verwarmingsobject, waardoor op deze plaatsen een hogere opwarmsnelheid ontstaat. De onderstaande figuur toont het “randeffect”, waarbij de spoel hoger is dan de rand van het verwarmingselement en er in dit gebied overmatige verhitting optreedt. Om dit te voorkomen kan de spoel lager worden gebracht, zodat hij gelijk of iets lager is dan de rand.
Inductieverwarming van schijven kan ook overmatige randverwarming veroorzaken, zoals te zien is in onderstaande figuur. De randen zullen sterker verhit raken. De hoogte van de spoel kan worden verminderd of de uiteinden van de spoel kunnen worden gemaakt van een grotere radius om te ontkoppelen van de rand van het werkstuk.
Scherpe hoeken van de rechthoekige spoelen kunnen diepere verwarming in het werkstuk veroorzaken. Het ontkoppelen van de hoeken van de spoel zal enerzijds de opwarmingssnelheid van de hoek verminderen, maar anderzijds vermindert het algemene rendement van het inductieproces.
Een van de belangrijke punten waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van multiplaatsspoelen is het effect van de aangrenzende spoelen op elkaar. Om de verwarmingssterkte van elke spoel maximaal te houden, moet de hart-op-hart afstand tussen de aangrenzende spoelen ten minste 1,5 maal de spoeldiameter bedragen.
Splitspoelen worden gebruikt in de toepassingen waar een nauwe koppeling nodig is en ook het onderdeel niet uit de spoel kan worden gehaald na het verwarmingsproces. Een belangrijk punt hierbij is dat een zeer goed elektrisch contact moet worden gemaakt op de plaats waar de scharnierende oppervlakken elkaar ontmoeten. Gewoonlijk wordt een dunne zilverlaag gebruikt om het beste elektrische contact met het oppervlak tot stand te brengen. De gespleten delen van de spoelen worden afgekoeld met behulp van flexibele waterslangen. De geautomatiseerde pneumatische compressie wordt vaak gebruikt om de rol te sluiten/openen en ook om de nodig druk bij het scharnierende gebied te verstrekken.
Soorten het Verwarmen Coils
Double Deformed Pancake Coil
In de toepassingen zoals het verwarmen van het uiteinde van schachten, kan het bereiken van een temperatuuruniformiteit moeilijk wegens het annuleringseffect in het centrum van het oppervlak van het uiteinde zijn. Een dubbel vervormde pannenkoekspoel met getande zijden, zoals in onderstaand schema, kan worden gebruikt om een uniform verwarmingsprofiel te bereiken. Er moet aandacht worden besteed aan de richting van de twee pannenkoeken, waarbij de centrale windingen in dezelfde richting zijn gewikkeld en een toevoegend magnetisch effect hebben.
Split-Return Spoel
In toepassingen zoals het lassen van een smalle band aan één zijde van een lange cilinder, waarbij een relatief lange lengte aanzienlijk hoger moet worden verwarmd dan de andere delen van het object, zal het stroomretourpad van belang zijn. Bij gebruik van het Split-Return type spoel zal de hoge stroom die in het laspad wordt geïnduceerd in tweeën worden gesplitst die nog breder zullen zijn. Op deze wijze is de verwarmingssnelheid in de lasbaan ten minste vier maal hoger dan in de rest van de delen van het object.
Channel Coils
Channel type spoelen wordt gebruikt als de verwarmingstijd niet erg kort is en ook vrij lage vermogensdichtheden nodig zijn. Een aantal verwarmingsonderdelen gaan met een constante snelheid door de spoel en bereiken hun maximumtemperatuur bij het verlaten van de machine. De uiteinden van de spoel worden gewoonlijk gebogen om de onderdelen een weg te bieden om de spoel in en uit te gaan. Wanneer een profielverwarming nodig is, kunnen plaatconcentrators worden gebruikt met multiturn kanaalspoelen.
Hoekige koperen buizen hebben twee belangrijke voordelen in vergelijking met ronde buizen: a) omdat zij een meer vlak oppervlak hebben dat naar het werkstuk “kijkt”, zorgen zij voor een betere elektromagnetische koppeling met de verwarmingsbelasting en b) het is structureel gemakkelijker om bochten uit te voeren met vierkante buizen in plaats van met ronde buizen.
Lead Design for Induction Coils
Lead Design: Leads zijn een onderdeel van de inductiespoel en hoewel zij zeer kort zijn, hebben zij een eindige inductantie. In het algemeen geeft onderstaand schema het schakelschema van het warmtestation van een systeem met inductie-eenheden. C is de in het warmtestation geïnstalleerde resonantiecondensator, L_lead is de totale inductie van de draden van de spoel en L_coil is de inductie van de inductiespoel gekoppeld aan de verwarmingsbelasting. V_totaal is de spanning die vanuit de inductievoeding op de warmtecentrale wordt gezet, V_lead is de spanningsval op de inductie van de leads en V_coil is de spanning die op de inductiespoel zal worden gezet. De totale spanning is de som van de spanning van het lood en de spanning van de inductiespoel:
V_lead vertegenwoordigt de hoeveelheid van de totale spanning die door de loodjes wordt bezet en geen nuttige inductieactie verricht. Het doel van de ontwerper zal zijn om deze waarde te minimaliseren. V_lead kan worden berekend als:
Uit bovenstaande formules blijkt duidelijk dat om de waarde van V_lead te minimaliseren, de inductie van de draden enkele malen kleiner moet zijn dan de inductie van de inductiespoel (L_lead≪L_coil).
Lead Inductance Reduction: Bij lage frequenties, meestal omdat spoelen met een hoge inductie (multiturn en/of grote ID) worden gebruikt, is L_lead veel kleiner dan L_coil. Aangezien het aantal windingen en de totale grootte van de spoel echter afneemt voor hoogfrequente spoelen, wordt het belangrijk om speciale methoden toe te passen om de inductie van de spoel te minimaliseren. Hieronder volgen twee voorbeelden om dit te bereiken.
Fluxconcentrators: Wanneer een magnetisch materiaal in de omgeving met magnetische velden wordt geplaatst, hebben zij wegens de lage magnetische weerstand (reluctantie) de neiging om de lijnen van magnetische flux te absorberen. Het vermogen om het magnetische veld te absorberen wordt gekwantificeerd met de relatieve magnetische permeabiliteit. Voor lucht, koper en roestvrij staal is deze waarde één, maar voor zacht staal kan deze waarde oplopen tot 400 en voor ijzer tot 2000. Magnetische materialen kunnen hun magnetisch vermogen behouden tot hun Curietemperatuur, waarna hun magnetische permeabiliteit daalt tot één en zij niet meer magnetisch zijn.
Een flux concentrator is een materiaal met hoge permeabiliteit en laag elektrisch geleidingsvermogen dat is ontworpen om te worden gebruikt bij de constructie van de inductieverwarmingsspoelen om het magnetisch veld dat op de verwarmingslading wordt toegepast te vergroten. De onderstaande figuur laat zien hoe door het plaatsen van een flux concentrator in het midden van een pannenkoekspoel de magnetische veldlijnen aan het oppervlak van de spoel worden geconcentreerd. De materialen die bovenop de pannenkoekspoel worden geplaatst, zullen dus beter koppelen en de maximale verwarming ontvangen.
Het effect van een fluxconcentrator op de stroomdichtheid in de inductiespoel wordt getoond in onderstaande figuur. Het grootste deel van de stroom zal worden geconcentreerd op het oppervlak dat niet is bedekt met een flux concentrator. Daarom kan de spoel zo worden ontworpen dat alleen aan de kant van de spoel die naar de verwarmingsbelasting is gericht, geen concentratormateriaal aanwezig is. In het elektromagnetisme wordt dit het gleufeffect genoemd. Het gleufeffect zal het rendement van de spoel aanzienlijk verhogen en de verwarming zal een lager vermogensniveau vereisen.
