Elementy nagrzewania indukcyjnego
Typowy system nagrzewania indukcyjnego zawiera zasilacz, obwód dopasowania impedancji, obwód zbiornika i aplikator. Aplikator, który jest cewką indukcyjną, może być częścią obwodu zbiornika. Obwód zbiornikowy jest zwykle równoległym zestawem kondensatorów i cewek indukcyjnych. Kondensator i cewka indukcyjna w obwodzie zbiornikowym są zbiornikami odpowiednio energii elektrostatycznej i energii elektromagnetycznej. Przy częstotliwości rezonansowej, kondensator i cewka indukcyjna zaczynają przemieszczać swoją zmagazynowaną energię do siebie nawzajem. W konfiguracji równoległej, ta konwersja energii zachodzi przy wysokim prądzie. Wysoki prąd płynący przez cewkę pomaga w dobrym transferze energii z cewki indukcyjnej na przedmiot obrabiany.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się czym są i jak działają cewki indukcyjne oraz poznać różne ich rodzaje.
a) Zasilanie
Zasilacze są jedną z najważniejszych części systemu nagrzewnicy indukcyjnej. Zazwyczaj są one oceniane na podstawie zakresu częstotliwości pracy i mocy. Istnieją różne rodzaje zasilaczy indukcyjnych, takie jak zasilacze o częstotliwości liniowej, mnożniki częstotliwości, generatory silnikowe, konwertery iskrowe oraz inwertery półprzewodnikowe. Inwertery półprzewodnikowe mają największą sprawność między zasilaczami.
Typowy zasilacz półprzewodnikowy inwertera zawiera dwie główne sekcje; prostownik i inwerter. Prądy ac linii są przekształcane w prąd stały w sekcji prostownika za pomocą diod lub tyrystorów. Prąd stały trafia do inwertera, gdzie przełączniki półprzewodnikowe, takie jak IGBT lub MOSFET przekształcają go w prąd, tym razem o wysokiej częstotliwości (typowo w zakresie 10kHz-600kHz). Zgodnie z poniższym diagramem, IGBT mogą pracować przy wyższym poziomie mocy i niższej częstotliwości w przeciwieństwie do MOSFETów pracujących przy niższym poziomie mocy i wyższych częstotliwościach.
b) Impedance Matching
Zasilacze do ogrzewania indukcyjnego, jak każde inne urządzenie elektroniczne, mają maksymalne wartości napięcia i prądu, które nie powinny być przekraczane. W celu dostarczenia maksymalnej mocy z zasilacza do obciążenia (przedmiotu obrabianego), impedancja zasilacza i obciążenia musi być jak najbardziej zbliżona. W ten sposób moc, napięcie i natężenie prądu mogą jednocześnie osiągnąć swoje najwyższe dopuszczalne wartości. W tym celu w nagrzewnicach indukcyjnych stosowane są obwody dopasowania impedancji. W zależności od zastosowania można stosować różne kombinacje elementów elektrycznych (np. transformatory, induktory zmienne, kondensatory itp.).
c) Zbiornik rezonansowy
Zbiornik rezonansowy w indukcyjnym systemie grzewczym jest zwykle równoległym zestawem kondensatora i cewki indukcyjnej, który rezonuje przy pewnej częstotliwości. Częstotliwość uzyskuje się z następującego wzoru:
gdzie L jest indukcyjnością cewki indukcyjnej, a C jest pojemnością. Jak wynika z poniższej animacji, zjawisko rezonansu jest bardzo podobne do tego, co dzieje się w wahadle. W wahadle energia kinetyczna i potencjalna zamieniają się na siebie nawzajem podczas jego wahań od jednego końca do drugiego. Ruch ten jest tłumiony z powodu tarcia i innych strat mechanicznych. W zbiorniku rezonansowym energia dostarczana przez źródło zasilania oscyluje pomiędzy cewką (w postaci energii elektromagnetycznej) a kondensatorem (w postaci energii elektrostatycznej). Energia ta jest tłumiona dzięki stratom w kondensatorze, cewce indukcyjnej i obrabianym przedmiocie. Straty w obrabianym przedmiocie w postaci ciepła są pożądane i stanowią cel ogrzewania indukcyjnego.
Sam zbiornik rezonansowy zawiera kondensator i cewkę indukcyjną. Bank kondensatorów jest używany do zapewnienia wymaganej pojemności w celu osiągnięcia częstotliwości rezonansowej zbliżonej do możliwości zasilacza. Przy niskich częstotliwościach (poniżej 10kHz) stosuje się kondensatory olejowe, a przy wyższych częstotliwościach (powyżej 10kHz) kondensatory ceramiczne lub stałe kondensatory dielektryczne.
d) Induktory do grzejników indukcyjnych
Co to są cewki indukcyjne &Jak działają?
Indukcyjna cewka grzejna jest specjalnie ukształtowaną rurką miedzianą lub innym materiałem przewodzącym, przez który przepływa zmienny prąd elektryczny, tworząc zmienne pole magnetyczne. Części metalowe lub inne materiały przewodzące są umieszczane wewnątrz, przez lub w pobliżu indukcyjnej cewki grzewczej, bez dotykania cewki, a zmienne pole magnetyczne, które jest generowane, powoduje tarcie w metalu, powodując jego nagrzewanie.
Jak działają cewki indukcyjne?
Przy projektowaniu cewki należy wziąć pod uwagę kilka warunków:
1. W celu zwiększenia wydajności nagrzewnic indukcyjnych, odległość pomiędzy cewką a elementem roboczym musi być zminimalizowana. Efektywność sprzężenia pomiędzy cewką a elementem jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z odległości pomiędzy nimi.
2. Jeśli część jest umieszczona w centrum spiralnej cewki, będzie najlepiej sprzężona z polem magnetycznym. Jeśli jest poza centrum, obszar obrabianego przedmiotu bliżej zwojów otrzyma więcej ciepła. Efekt ten został przedstawiony na poniższym rysunku.
3. Również pozycja w pobliżu połączenia wyprowadzeń z cewką ma słabszą gęstość strumienia magnetycznego, dlatego nawet środek ID cewki spiralnej nie jest centrum nagrzewania indukcyjnego.
4. Należy unikać efektu anulowania (rysunek po lewej). Dzieje się tak, gdy otwór cewki jest bardzo mały. Umieszczenie pętli w cewce pomoże zapewnić niezbędną indukcyjność (rysunek po prawej). Indukcyjność induktora określa jego zdolność do magazynowania energii magnetycznej. Indukcyjność można obliczyć z następującego wzoru:
gdzie ε jest siłą elektromotoryczną, a dI/dt jest szybkością zmiany prądu w cewce. ε jest równe szybkości zmiany strumienia magnetycznego w cewce (- dφ/dt), gdzie strumień magnetyczny φ można obliczyć z NBA, gdzie N jest liczbą zwojów, B polem magnetycznym, a A powierzchnią cewki. Zatem indukcyjność będzie równa:
Jest oczywiste, że wartość indukcyjności jest liniowo proporcjonalna do powierzchni wzbudnika. Stąd, minimalna wartość musi być rozważona dla pętli induktora, tak aby mógł on przechowywać energię magnetyczną i dostarczać ją do indukcyjnego przedmiotu obrabianego.
Sprawność cewki
Sprawność cewki definiuje się w następujący sposób:
W poniższej tabeli przedstawiono typowe sprawności różnych cewek:
Modyfikacja cewki w zależności od zastosowania
W kilku zastosowaniach, obiekt grzewczy nie ma jednolitego profilu, choć wymaga jednolitego ogrzewania. W takich przypadkach, pole strumienia magnetycznego musi zostać zmodyfikowane. Istnieją dwie typowe metody, aby to osiągnąć. Jedną z nich jest rozłączenie zwojów w miejscach, gdzie część ma większy przekrój (jeśli używamy cewki spiralnej). Bardziej powszechną metodą jest zwiększenie odstępów między zwojami w miejscach, gdzie przekrój poprzeczny części jest większy. Obie metody pokazano na poniższym rysunku.
Taka sama sytuacja występuje podczas ogrzewania płaskich powierzchni za pomocą dużych cewek naleśnikowych. Obszar centralny będzie się nadmiernie nagrzewał. Aby tego uniknąć, szczelina pomiędzy powierzchnią cewki a płaskim obiektem zostanie zwiększona poprzez zastosowanie stożkowego kształtu cewki naleśnikowej.
Cewka z linerem jest używana w zastosowaniach, w których potrzebny jest szeroki i jednolity obszar grzewczy, ale chcemy uniknąć stosowania dużych rurek miedzianych. Liner jest szerokim arkuszem, który jest przylutowany do rurki cewki przynajmniej w dwóch punktach. Reszta połączenia będzie lutowana tylko po to, aby zapewnić maksymalne połączenie wymiany ciepła. Również profil sinusoidalny pomoże zwiększyć zdolność chłodzenia wężownicy. Taka cewka jest pokazana na rysunku poniżej.
Wraz ze wzrostem długości grzania, liczba zwojów musi być zwiększona w celu utrzymania równomierności grzania.
Zależnie od zmian kształtu przedmiotu obrabianego, wzór ogrzewania różnić. Strumień magnetyczny mają tendencję do gromadzenia się na krawędziach, cięcia powierzchni lub wgłębienia obiektu grzewczego, powodując wyższą szybkość ogrzewania w tych obszarach. Poniższy rysunek pokazuje „efekt krawędziowy”, gdzie cewka jest wyżej niż krawędź elementu grzejnego i nadmierne nagrzewanie występuje w tym obszarze. Aby tego uniknąć, cewkę można obniżyć, aby była równa lub nieco niższa od krawędzi.
Ogrzewanie indukcyjne dysków może również powodować nadmierne nagrzewanie krawędzi, jak pokazano na poniższym rysunku. Krawędzie będą się bardziej nagrzewać. Wysokość cewki może być zmniejszona lub końce cewki mogą być wykonane z większego promienia, aby oddzielić się od krawędzi obrabianego przedmiotu.
Ostre narożniki prostokątnych cewek mogą powodować głębsze nagrzewanie obrabianego przedmiotu. Odsprzęgnięcie narożników cewki z jednej strony zmniejszy szybkość nagrzewania narożnika, ale z drugiej strony zmniejszy ogólną wydajność procesu indukcji.
Jednym z ważnych elementów, które należy rozważyć podczas projektowania cewek wielomiejscowych, jest wpływ sąsiednich cewek na siebie. Aby utrzymać maksymalną moc grzewczą każdej cewki, odległość pomiędzy sąsiednimi cewkami musi być co najmniej 1.5 razy większa od średnicy cewki.
Cewki indukcyjne dzielone są używane w aplikacjach, gdzie wymagane jest ścisłe sprzężenie, a także część nie może być wyciągnięta z cewki po procesie ogrzewania. Ważnym punktem jest tu zapewnienie bardzo dobrego kontaktu elektrycznego w miejscu styku powierzchni zawiasowych. Zazwyczaj stosuje się cienką warstwę srebra, aby zapewnić najlepszy powierzchniowy kontakt elektryczny. Rozdzielone części cewek są chłodzone za pomocą elastycznych przewodów wodnych. Zautomatyzowana kompresja pneumatyczna jest często używana do zamykania/otwierania cewki, a także do zapewnienia wymaganego ciśnienia w obszarze zawiasów.
Rodzaje cewek grzewczych
Podwójnie odkształcona cewka naleśnikowa
W zastosowaniach takich jak ogrzewanie końcówki wałów, osiągnięcie jednorodności temperatury może być trudne z powodu efektu anulowania na środku powierzchni końcówki. W celu osiągnięcia jednolitego profilu grzewczego można zastosować podwójnie odkształconą cewkę naleśnikową z obsypanymi bokami, podobną do poniższego schematu. Należy zwrócić uwagę na kierunek obu naleśników, w których środkowe uzwojenia są nawinięte w tym samym kierunku i mają sumujący się efekt magnetyczny.
cewka typu Split-Return
W zastosowaniach takich jak spawanie wąskiego paska z jednej strony długiego cylindra, gdzie stosunkowo długi odcinek musi być ogrzewany znacznie wyżej niż inne obszary obiektu, ścieżka powrotu prądu będzie miała znaczenie. Przy zastosowaniu cewki typu Split-Return, wysoki prąd indukowany w ścieżce spawania zostanie podzielony na dwa, które będą jeszcze szersze. W ten sposób szybkość nagrzewania na ścieżce spawania jest co najmniej cztery razy większa niż w pozostałych częściach obiektu.
Channel Coils
Channel type of coils is used if the heating time is not very short and also fairly low power densities are needed. Szereg części grzejnych przechodzi przez cewkę ze stałą prędkością i osiąga swoją maksymalną temperaturę przy wyjściu z maszyny. Końce cewki są zazwyczaj wygięte, aby zapewnić drogę częściom do wejścia i wyjścia z cewki. Tam, gdzie potrzebne jest ogrzewanie profilowe, koncentratory płytowe mogą być używane z wieloobrotowymi cewkami kanałowymi.
Kwadratowa rura miedziana ma dwie główne zalety w porównaniu z rurą okrągłą: a) ponieważ ma bardziej płaską powierzchnię „patrząc” na przedmiot obrabiany, zapewnia lepsze sprzężenie elektromagnetyczne z ładunkiem grzewczym i b) jest strukturalnie łatwiejsze do wdrożenia obrotów z rur kwadratowych niż okrągłych.
Konstrukcja przewodu dla cewek indukcyjnych
Konstrukcja przewodu: Przewody są częścią cewki indukcyjnej i chociaż są bardzo krótkie, mają skończoną indukcyjność. Ogólnie rzecz biorąc, poniższy diagram przedstawia schemat obwodu stacji cieplnej systemu jednostki indukcyjnej. C to kondensator rezonansowy zainstalowany w stacji cieplnej, L_lead to całkowita indukcyjność wyprowadzeń cewki, a L_coil to indukcyjność cewki indukcyjnej sprzężonej z obciążeniem grzewczym. V_total to napięcie przyłożone z zasilacza indukcyjnego do stacji cieplnej, V_lead to spadek napięcia na indukcyjności wyprowadzeń, a V_coil to napięcie, które zostanie przyłożone do cewki indukcyjnej. Napięcie całkowite jest sumą napięcia na przewodach i napięcia na cewce indukcyjnej:
V_lead reprezentuje tę część napięcia całkowitego, która jest zajęta przez przewody i nie wykonuje żadnego użytecznego działania indukcyjnego. Celem projektanta będzie zminimalizowanie tej wartości. V_lead można obliczyć jako:
Z powyższych wzorów wynika, że aby zminimalizować wartość V_lead, to indukcyjność wyprowadzeń musi być kilkakrotnie mniejsza od indukcyjności cewki indukcyjnej (L_lead≪L_coil).
Zmniejszenie indukcyjności przewodów: Przy niskich częstotliwościach, zwykle ponieważ używane są cewki o dużej indukcyjności (wieloobrotowe i/lub o dużym ID), L_lead jest znacznie mniejsze niż L_coil. Jednakże, ponieważ liczba zwojów i całkowity rozmiar cewki zmniejsza się dla induktorów wysokiej częstotliwości, ważne staje się zastosowanie specjalnych metod w celu zminimalizowania indukcyjności przewodu. Poniżej podano dwa przykłady jak to osiągnąć.
Koncentratory strumienia: Kiedy materiał magnetyczny jest umieszczony w środowisku zawierającym pola magnetyczne, ze względu na niski opór magnetyczny (reluktancja) mają one tendencję do absorbowania linii strumienia magnetycznego. Zdolność do pochłaniania pola magnetycznego jest określana przez Względną Przenikalność Magnetyczną. Wartość ta dla powietrza, miedzi i stali nierdzewnej wynosi jeden, ale dla stali miękkiej może wzrosnąć do 400, a dla żelaza do 2000. Materiały magnetyczne mogą zachować swoją zdolność magnetyczną aż do temperatury Curie, po której ich przenikalność magnetyczna spada do jednego i nie będą już magnetyczne.
Koncentrator strumienia jest materiałem o wysokiej przenikalności i niskiej przewodności elektrycznej, który jest przeznaczony do stosowania w konstrukcji cewek nagrzewnic indukcyjnych w celu powiększenia pola magnetycznego przyłożonego do obciążenia grzewczego. Poniższy rysunek pokazuje, jak umieszczenie koncentratora strumienia w środku cewki naleśnikowej powoduje koncentrację linii pola magnetycznego na powierzchni cewki. W ten sposób materiały umieszczone na górze cewki naleśnikowej będą lepiej sprzęgać się i otrzymają maksymalne ogrzewanie.
Wpływ koncentratora strumienia na gęstość prądu w cewce indukcyjnej jest pokazany na poniższym rysunku. Większość prądu będzie skoncentrowana na powierzchni, która nie jest pokryta koncentratorem strumienia. Dlatego cewka może być zaprojektowana w taki sposób, że tylko strona cewki skierowana w stronę obciążenia grzewczego pozostanie bez materiałów koncentratora. W elektromagnetyzmie nazywa się to efektem szczelinowym. Efekt szczeliny znacznie zwiększy wydajność cewki, a ogrzewanie będzie wymagało niższego poziomu mocy.
.