Induktionsvärmare

Ej att förväxla med induktionsspis .

En induktionsvärmare är en viktig del av utrustningen som används i alla former av induktionsvärme . Vanligtvis arbetar en induktionsvärmare vid antingen mellanfrekvens (MF) eller radiofrekvens (RF).

Fyra huvudkomponentsystem utgör grunden för en modern induktionsvärmare

Hur det fungerar

Induktionsuppvärmning är en beröringsfri metod för att värma en ledande kropp genom att använda ett starkt magnetfält . Matningsfrekvens (nät) 50 Hz eller 60 Hz induktionsvärmare har en spole som matas direkt från elförsörjningen, vanligtvis för industriella tillämpningar med lägre effekt där lägre yttemperaturer krävs. Vissa specialiserade induktionsvärmare arbetar vid 400 Hz, Aerospace-strömfrekvensen.

Induktionsvärme ska inte förväxlas med induktionsmatlagning, eftersom de två värmesystemen för det mesta skiljer sig mycket fysiskt från varandra. Särskilt fungerar induktionsvärmesystem genom att applicera ett växelmagnetiskt fält på ett järnhaltigt material för att inducera en växelström i materialet, så att atomerna i materialet värms upp.

Huvudkomponenter i utrustningen

En induktionsvärmare består vanligtvis av tre element.

Kraftenhet

Benämns ofta växelriktaren eller generatorn. Denna del av systemet används för att ta nätfrekvensen och öka den till någonstans mellan 10 Hz och 400 kHz . Typisk uteffekt för ett enhetssystem är från 2 kW till 500 kW .

Arbetshuvud

Denna innehåller en kombination av kondensatorer och transformatorer och används för att para kraftenheten till arbetsspolen.

Arbetsspole

Även känd som induktorn, används spolen för att överföra energin från kraftenheten och arbetshuvudet till arbetsstycket. Induktorer sträcker sig i komplexitet från en enkel lindad solenoid som består av ett antal varv av kopparrör lindade runt en dorn, till ett precisionsföremål bearbetat av solid koppar, lödda och sammanlödda. Eftersom induktorn är området där uppvärmningen sker, är spoldesign en av de viktigaste delarna av systemet och är en vetenskap i sig.

Definitioner

Radiofrekvensinduktionsgeneratorer ( RF ) arbetar i frekvensområdet från 100 kHz upp till 10 MHz . De flesta induktionsvärmare (med induktionsfrekvensstyrning) har ett frekvensområde på 100 kHz till 200 kHz. Effektområdet omfattar vanligtvis 2,5 kW till 40 kW. Induktionsvärmare i detta sortiment används för mindre komponenter och applikationer som induktionshärdning av en motorventil.

MF-induktionsgeneratorer arbetar från 1 kHz till 10 kHz. Effektområdet omfattar vanligtvis 50 kW till 500 kW. Induktionsvärmare inom dessa intervall används på medelstora till större komponenter och applikationer som induktionssmidning av en axel.

Induktionsspolar för nätfrekvens (eller matning ) drivs direkt från standard AC-försörjning. De flesta nätfrekvensinduktionsspolar är konstruerade för enfasdrift och är lågströmsenheter avsedda för lokal uppvärmning eller ytuppvärmning med låg temperatur, till exempel i en trumvärmare .

Historia

Grundprincipen för induktionsuppvärmning upptäcktes av Michael Faraday redan 1831. Faradays arbete involverade användningen av en switchad likströmskälla från ett batteri och två lindningar av koppartråd lindade runt en järnkärna. Det noterades att när omkopplaren var stängd flödade en momentan ström i sekundärlindningen, som kunde mätas med hjälp av en galvanometer . Om kretsen förblev strömförande upphörde strömmen att flyta. När omkopplaren öppnades flödade en ström igen i sekundärlindningen, men i motsatt riktning. Faraday drog slutsatsen att eftersom det inte fanns någon fysisk länk mellan de två lindningarna måste strömmen i sekundärspolen orsakas av en spänning som inducerades från den första spolen, och att strömmen som producerades var direkt proportionell mot förändringshastigheten för det magnetiska flödet .

Till en början användes principerna vid konstruktionen av transformatorer , motorer och generatorer där oönskade värmeeffekter kontrollerades med hjälp av en laminerad kärna .

induktionens värmealstrande egenskaper i syfte att smälta stål. Detta tidiga arbete använde motorgeneratorer för att skapa mellanfrekvensströmmen (MF), men bristen på lämpliga generatorer och kondensatorer av rätt storlek höll tillbaka tidiga försök. Men 1927 hade det första MF-induktionssmältsystemet installerats av EFCO i Sheffield, England.

Vid ungefär samma tid försökte ingenjörer vid Midvale Steel och The Ohio Crankshaft Company i Amerika att använda ytuppvärmningseffekten av MF-strömmen för att producera lokaliserad ythärdning i vevaxlar . Mycket av detta arbete ägde rum vid frekvenserna 1920 och 3000 Hz eftersom dessa var de enklaste frekvenserna att producera med den utrustning som fanns. Som med många teknikbaserade områden var det tillkomsten av andra världskriget som ledde till enorma utvecklingar i användningen av induktionsvärme vid tillverkning av fordonsdelar och ammunition.

Med tiden avancerade tekniken och enheter i frekvensområdet 3 till 10 kHz med uteffekter till 600 kW blev vanliga i induktionssmide och stora induktionshärdningsapplikationer . Motorgeneratorn skulle förbli stöttepelaren i MF-kraftgenerering fram till tillkomsten av högspänningshalvledare i slutet av 1960-talet och början av 1970-talet.

Tidigt i den evolutionära processen blev det uppenbart för ingenjörer att förmågan att producera ett högre radiofrekvensområde av utrustning skulle resultera i större flexibilitet och öppna upp en hel rad alternativa tillämpningar. Metoder söktes för att producera dessa högre RF-strömförsörjningar för att fungera i intervallet 200 till 400 kHz.

Utvecklingen inom just detta frekvensområde har alltid speglat den för radiosändare och TV-sändningsindustrin och har faktiskt ofta använt komponentdelar som utvecklats för detta ändamål. Tidiga enheter använde gnistgapsteknologi , men på grund av begränsningar ersattes tillvägagångssättet snabbt av användningen av termioniska triod- (ventil)-baserade oscillatorer med flera elektroder. Faktum är att många av pionjärerna inom branschen också var mycket engagerade i radio- och telekommunikationsindustrin och företag som Phillips , English Electric och Redifon var alla involverade i tillverkningen av induktionsvärmeutrustning på 1950- och 1960-talen.

Användningen av denna teknik överlevde fram till början av 1990-talet, då teknologin nästan ersattes av kraftfull MOSFET och IGBT solid state- utrustning. Men det finns fortfarande många ventiloscillatorer som fortfarande existerar, och vid extrema frekvenser på 5 MHz och över är de ofta det enda genomförbara tillvägagångssättet och produceras fortfarande.

Induktionsvärmare med nätfrekvens används fortfarande i stor utsträckning inom tillverkningsindustrin på grund av deras relativt låga kostnad och termiska effektivitet jämfört med strålningsuppvärmning där delar eller stålbehållare måste värmas upp som en del av en batchprocesslinje.

Ventiloscillatorbaserad strömförsörjning

På grund av sin flexibilitet och potentiella frekvensområde var den ventiloscillatorbaserade induktionsvärmaren fram till de senaste åren allmänt använd inom industrin. Denna typ av enhet, som är lätt tillgänglig i effekter från 1 kW till 1 MW och i ett frekvensområde från 100 kHz till många MHz, har funnits vidsträckt i tusentals applikationer, inklusive lödning och hårdlödning, induktionshärdning, rörsvetsning och induktionskrympkoppling . Enheten består av tre grundelement:

Högspännings DC-strömförsörjning

DC ( likström ) strömförsörjningen består av en standard luft- eller vattenkyld step-up transformator och en högspänningslikriktarenhet som kan generera spänningar typiskt mellan 5 och 10 kV för att driva oscillatorn. Enheten måste märkas med rätt kilovolt-ampere (kVA) för att leverera den nödvändiga strömmen till oscillatorn. Tidiga likriktarsystem innehöll ventillikriktare som GXU4 (högspännings-halvvågslikriktare) men dessa ersattes till slut av högspänningslikriktare i halvledartyp.

Självspännande klass 'C' oscillator

Oscillatorkretsen är ansvarig för att skapa den förhöjda elektriska strömmen, som när den appliceras på arbetsspolen skapar det magnetiska fältet som värmer delen. De grundläggande elementen i kretsen är en induktans (tankspole) och en kapacitans (tankkondensator) och en oscillatorventil. Grundläggande elektriska principer dikterar att om en spänning appliceras på en krets som innehåller en kondensator och en induktor kommer kretsen att oscillera på ungefär samma sätt som en svängning som har tryckts. Att använda vår sving som en analogi om vi inte trycker igen vid rätt tidpunkt kommer svingen gradvis att stanna. Detta är samma sak med oscillatorn. Syftet med ventilen är att fungera som en omkopplare som tillåter energi att passera in i oscillatorn vid rätt tidpunkt för att upprätthålla svängningarna. För att tajma växlingen matas en liten mängd energi tillbaka till triodens rutnät som effektivt blockerar eller avfyrar enheten eller låter den leda vid rätt tidpunkt. Denna så kallade grid bias kan härledas, antingen kapacitivt, konduktivt eller induktivt beroende på om oscillatorn är en Colpitts, Hartley oscillator , Armstrong tickler eller en Meissner.

Medel för maktkontroll

Effektkontroll för systemet kan uppnås med en mängd olika metoder. Många senare dagars enheter har tyristoreffektkontroll som fungerar med hjälp av en fullvågs AC ( växelström ) drivning som varierar primärspänningen till ingångstransformatorn. Mer traditionella metoder inkluderar trefasvariationer ( autotransformator ) eller motoriserade spänningsregulatorer av Brentford-typ för att styra inspänningen. En annan mycket populär metod var att använda en tvådelad tankspole med en primär och sekundär lindning åtskilda av ett luftgap. Effektkontroll påverkades av att de två spolarnas magnetiska koppling varierades genom att fysiskt flytta dem i förhållande till varandra.

Solid state nätaggregat

Under induktionsuppvärmningens tidiga dagar användes motorgeneratorn flitigt för produktion av MF-effekt upp till 10 kHz. Även om det är möjligt att generera multiplar av matningsfrekvensen såsom 150 Hz med en standardinduktionsmotor som driver en AC-generator, finns det begränsningar. Denna typ av generator hade rotormonterade lindningar som begränsade rotorns periferihastighet på grund av centrifugalkrafterna på dessa lindningar. Detta hade effekten att begränsa maskinens diameter och därmed dess effekt och antalet poler som fysiskt kan rymmas, vilket i sin tur begränsar den maximala driftfrekvensen.

För att övervinna dessa begränsningar vände sig induktionsvärmeindustrin till induktorgeneratorn. Denna typ av maskin har en tandad rotor som är konstruerad av en stapel av stansade järnlamineringar. magnetiserings- och AC-lindningarna är monterade på statorn, rotorn är därför en kompakt solid konstruktion som kan roteras med högre periferihastigheter än standard AC-generatorn ovan, vilket gör att den kan ha större diameter för ett givet varvtal . Denna större diameter gör att ett större antal poler kan inrymmas och i kombination med komplexa slitsarrangemang som Lorenz-mätartillståndet eller Guy-slitsning som tillåter generering av frekvenser från 1 till 10 kHz.

Som med alla roterande elektriska maskiner, används höga rotationshastigheter och små spelrum för att maximera flödesvariationerna. Detta kräver att noggrann uppmärksamhet ägnas åt kvaliteten på de använda lagren och rotorns styvhet och noggrannhet. Drivningen för generatorn tillhandahålls normalt av en standardinduktionsmotor för konvention och enkelhet. Både vertikala och horisontella konfigurationer används och i de flesta fall är motorrotorn och generatorrotorn monterade på en gemensam axel utan koppling. Hela aggregatet monteras sedan i en ram som innehåller motorstatorn och generatorstatorn. Hela konstruktionen är monterad i ett skåp som har en värmeväxlare och vattenkylningssystem efter behov.

Motorgeneratorn blev stöttepelaren i medelfrekvent kraftgenerering fram till tillkomsten av solid state- teknologi i början av 1970-talet.

I början av 1970-talet såg tillkomsten av solid state switching-teknologi en förändring från de traditionella metoderna för induktionsvärmekraft. Ursprungligen var detta begränsat till användningen av tyristorer för att generera 'MF-frekvensintervallet med användning av diskreta elektroniska styrsystem.

Toppmoderna enheter använder nu SCR ( kiselstyrd likriktare ), IGBT- eller MOSFET-tekniker för att generera "MF"- och "RF"-ström. Det moderna styrsystemet är typiskt ett digitalt mikroprocessorbaserat system som använder PIC, PLC ( programmable logic controller ) teknologi och ytmonterade tillverkningstekniker för produktion av de tryckta kretskorten. Solid state dominerar nu marknaden och enheter från 1 kW till många megawatt i frekvenser från 1 kHz till 3 MHz inklusive dubbla frekvensenheter finns nu tillgängliga.

En hel rad tekniker används för att generera MF- och RF-effekt med hjälp av halvledare, den faktiska tekniken som används beror ofta på ett komplext antal faktorer. Den typiska generatorn kommer att använda antingen en ström- eller en spänningsmatad topologi. Det faktiska tillvägagångssättet som används kommer att vara en funktion av erforderlig effekt, frekvens, individuell applikation, initialkostnad och efterföljande driftskostnader. Oavsett vilket tillvägagångssätt som används tenderar dock alla enheter att ha fyra distinkta element:

AC till DC likriktare

Denna tar nätspänningen och omvandlar den från matningsfrekvensen på 50 eller 60 Hz och omvandlar den även till 'DC'. Denna kan leverera en variabel likspänning, en fast likspänning eller en variabel likström. I fallet med ett variabelt system används de för att tillhandahålla övergripande effektkontroll för systemet. Fasta spänningslikriktare måste användas tillsammans med en alternativ effektstyrning. Detta kan göras genom att använda en switch mode regulator eller genom att använda en mängd olika styrmetoder inom växelriktarsektionen.

DC till AC-växelriktare

Växelriktaren omvandlar DC-försörjningen till en enfas AC-utgång vid relevant frekvens . Denna har SCR, IGBT eller MOSFET och är i de flesta fall konfigurerad som en H-brygga . H-bryggan har fyra ben vardera med en omkopplare, utgångskretsen är ansluten över mitten av enheterna. När de relevanta två omkopplarna är stängda flyter ström genom lasten i en riktning, dessa omkopplare öppnas sedan och de två motsatta omkopplarna stänger vilket tillåter ström att flyta i motsatt riktning. Genom att exakt tajma öppning och stängning av omkopplarna är det möjligt att upprätthålla svängningar i belastningskretsen.

Utgångskrets

Utgångskretsen har till uppgift att matcha växelriktarens utgång till den som krävs av spolen. Detta kan i sin enklaste form vara en kondensator eller kommer i vissa fall att ha en kombination av kondensatorer och transformatorer.

Kontrollsystem

Styrsektionen övervakar alla parametrar i belastningskretsen, växelriktaren och levererar kopplingspulser vid lämplig tidpunkt för att tillföra energi till utgångskretsen. Tidiga system innehöll diskret elektronik med variabla potentiometrar för att justera kopplingstider, strömgränser, spänningsgränser och frekvensutlösningar. Men med tillkomsten av mikrokontrollerteknik har de flesta avancerade system nu digital kontroll.

Den spänningsmatade växelriktaren

Den spänningsmatade växelriktaren har en filterkondensator på ingången till växelriktaren och en serie resonansutgångskretsar. Det spänningsmatade systemet är extremt populärt och kan användas med antingen SCR upp till frekvenser på 10 kHz, IGBT till 100 kHz och MOSFETs upp till 3 MHz. En spänningsmatad växelriktare med seriekoppling till en parallelllast kallas också ett tredje ordningens system. I grund och botten liknar detta solid state, men i detta system är den seriekopplade interna kondensatorn och induktorn anslutna till en parallell utgående tankkrets. Den huvudsakliga fördelen med denna typ av system är växelriktarens robusthet på grund av att den interna kretsen effektivt isolerar utgångskretsen, vilket gör kopplingskomponenterna mindre känsliga för skador på grund av överslag i spolen eller felanpassning.

Den strömmatade växelriktaren

Den strömmatade växelriktaren skiljer sig från det spänningsmatade systemet genom att den använder en variabel DC-ingång följt av en stor induktor vid ingången till växelriktarbryggan. Strömkretsen har en parallell resonanskrets och kan ha arbetsfrekvenser typiskt från 1 kHz till 1 MHz. Liksom med det spänningsmatade systemet används SCR:er vanligtvis upp till 10 kHz med IGBT:er och MOSFET:er som används vid de högre frekvenserna.

Lämpliga material

Lämpliga material är de med hög permeabilitet (100-500) som värms under Curie-temperaturen för det materialet.

Se även

Anteckningar

Bibliografi

  •   Rudnev, Valery; Kärlekslös, Don; Cook, Raymond; Black, Micah (2002), Handbook of Induction Heating , CRC Press, ISBN 0-8247-0848-2 .

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Induction_heater&oldid=1126272487 "