Войти
Индукционный нагреватель является ключевым элементом оборудования, используемого во всех формах индукционного нагрева. Обычно индукционный нагреватель работает в диапазоне средних частот (MF) или радиочастоты (RF).
Четыре основных компонента системы составляют основу современного индукционного нагревателя
Индукционный нагрев - это бесконтактный метод нагрева проводящего тела с использованием сильного магнитного поля. Индукционные нагреватели с частотой питания (от сети) 50 Гц или 60 Гц имеют прямую катушку. y питается от источника электроэнергии, как правило, для промышленных приложений с низким энергопотреблением, где требуется более низкая температура поверхности. Некоторые специальные индукционные нагреватели работают на частоте 400 Гц, что соответствует частоте сети аэрокосмической промышленности.
Индукционный нагрев не следует путать с индукционным приготовлением пищи, поскольку эти две системы нагрева в большинстве своем физически сильно отличаются друг от друга. Примечательно, что системы индукционного нагрева (также известные как ковка) работают с длинными металлическими стержнями и листами, доводя их до температуры до 2500 ° C для работы с ними.
Индукционный нагреватель обычно состоит из трех элементов.
Часто называют инвертором или генератором. Эта часть системы используется для увеличения частоты сети от 10 Гц до 400 кГц. Типичная выходная мощность единичной системы составляет от 2 кВт до 500 kW.
Она содержит комбинацию конденсаторов и трансформаторов и используется для сопряжения силовой части с рабочей катушкой..
Также известная как индуктор, катушка используется для передачи энергии от блока питания и рабочей головки к обрабатываемой детали. Сложность индукторов варьируется от простого намотанного соленоида, состоящего из нескольких витков медной трубки, намотанной на оправку, до прецизионного элемента, изготовленного из твердой меди, спаянного и спаянного вместе. Поскольку индуктор - это область, в которой происходит нагрев, конструкция катушки является одним из наиболее важных элементов системы и сама по себе является наукой.
Радиочастотная (RF) индукция генераторы работают в диапазоне частот от 100 кГц до 10 МГц. Большинство устройств индукционного нагрева (с индукционным регулированием частоты) имеют частотный диапазон от 100 кГц до 200 кГц. Диапазон мощности обычно составляет от 2,5 кВт до 40 кВт. Индукционные нагреватели в этом диапазоне используются для небольших компонентов и приложений, таких как индукционная закалка клапана двигателя.
Индукционные генераторы MF работают в диапазоне от 1 кГц до 10 кГц. Диапазон мощности обычно составляет от 50 до 500 кВт. Индукционные нагреватели в этих диапазонах используются в компонентах и приложениях среднего и большого размера, таких как индукционная ковка вала.
Индукционные катушки с частотой сети (или питающей сети) приводятся в действие непосредственно от стандартного переменного тока. поставка. Большинство индукционных катушек сетевой частоты предназначены для однофазной работы и представляют собой слаботочные устройства, предназначенные для локального нагрева или низкотемпературного нагрева поверхности, например, в барабанном нагревателе.
Основной принцип индукционного нагрева был открыт Майклом Фарадеем еще в 1831 году. Работа Фарадея заключалась в использовании импульсного источника постоянного тока, обеспечиваемого батареей и двумя обмотками из медной проволоки. обернутый вокруг железного сердечника. Было отмечено, что когда переключатель был замкнут, во вторичной обмотке протекал мгновенный ток, который можно было измерить с помощью гальванометра. Если цепь оставалась под напряжением, то ток прекращался. При размыкании переключателя во вторичной обмотке снова течет ток, но в обратном направлении. Фарадей пришел к выводу, что, поскольку между двумя обмотками не существует физической связи, ток во вторичной катушке должен быть вызван напряжением, которое было наведено от первой катушки, и что произведенный ток был прямо пропорционален скорости изменения магнитный поток.
Первоначально эти принципы были использованы при проектировании трансформаторов, двигателей и генераторов, где нежелательные эффекты нагрева контролировались с помощью многослойный сердечник.
В начале 20 века инженеры начали искать способы использовать теплогенерирующие свойства индукции для плавления стали. В этой ранней работе для создания тока средней частоты (СЧ) использовались двигатели-генераторы, но отсутствие подходящих генераторов и конденсаторов правильного размера сдерживало первые попытки. Однако к 1927 году первая система индукционной плавки MF была установлена EFCO в Шеффилде, Англия.
Примерно в то же время инженеры Midvale Steel и The Ohio Crankshaft Company в Америке пытались использовать эффект нагрева поверхности током MF для локализованного поверхностного поверхностного упрочнения. в коленчатых валах. Большая часть этой работы проводилась на частотах 1920 и 3000 Гц, поскольку это были самые простые частоты для получения с помощью имеющегося оборудования. Как и во многих областях, связанных с технологиями, наступление Второй мировой войны привело к огромным достижениям в использовании индукционного нагрева в производстве деталей автомобилей и боеприпасов.
Со временем технология прогрессировала и единицы в Диапазон частот от 3 до 10 кГц с выходной мощностью до 600 кВт стал обычным явлением в индукционной ковке и крупных индукционной закалке. Электродвигатель-генератор оставался опорой производства энергии сверхвысоких частот до появления высоковольтных полупроводников в конце 1960-х - начале 1970-х годов.
На раннем этапе эволюционного процесса инженерам стало очевидно, что способность производить оборудование в более высоком радиочастотном диапазоне приведет к большей гибкости и откроет целый ряд альтернативных приложений. Были предприняты поиски методов производства этих высокочастотных источников питания для работы в диапазоне от 200 до 400 кГц.
Развитие в этом конкретном частотном диапазоне всегда отражало развитие радиопередатчика и индустрии телевизионного вещания и действительно часто использовало компоненты, разработанные для этой цели. В ранних устройствах использовалась технология искрового разрядника, но из-за ограничений этот подход был быстро заменен использованием многоэлектродных термионных триодных (вентильных) генераторов. Действительно, многие из пионеров отрасли также были очень вовлечены в радио- и телекоммуникационную промышленность, и такие компании, как Phillips, English Electric и Redifon, все участвовали в производстве оборудования для индукционного нагрева в 1950-е и 1960-е годы.
Использование этой технологии продолжалось до начала 1990-х годов, после чего технология была практически заменена мощными MOSFET и IGBT твердотельными оборудование. Тем не менее, все еще существует множество клапанных генераторов, и на экстремальных частотах 5 МГц и выше они часто являются единственным жизнеспособным подходом и все еще производятся.
Индукционные нагреватели сетевой частоты по-прежнему широко используются в обрабатывающей промышленности из-за их относительно низкой стоимости и теплового КПД по сравнению с лучистым нагревом, когда отдельные детали или стальные контейнеры необходимо нагревать как часть производственной линии.
Благодаря своей гибкости и потенциальному диапазону частот индукционный нагреватель на основе вентильного генератора до недавнего времени широко использовался в промышленности. Доступные мощности от 1 кВт до 1 МВт и в диапазоне частот от 100 кГц до многих МГц, этот тип устройства нашел широкое применение в тысячах приложений, включая пайку и пайку, индукционную закалку, сварку труб и индукционную термоусадочную фитинг .. Блок состоит из трех основных элементов:
Источник постоянного тока (постоянного тока ) состоит из стандартного повышающего уровня с воздушным или водяным охлаждением. трансформатор и высоковольтный блок выпрямителя, способный генерировать напряжения обычно от 5 до 10 кВ для питания генератора. Устройство должно быть рассчитано на правильный киловольт-ампер (кВА) для подачи необходимого тока на генератор. В ранних выпрямительных системах использовались вентильные выпрямители, такие как GXU4 (высокомощный высоковольтный полуволновой выпрямитель), но в конечном итоге они были заменены высоковольтными твердотельными выпрямителями.
Схема генератора отвечает за создание электрического тока повышенной частоты, который при приложении к рабочей катушке создает магнитное поле, которое нагревает деталь. Основными элементами схемы являются индуктивность (катушка резервуара) и емкость (конденсатор резервуара) и генераторный клапан. Основные электрические принципы диктуют, что если напряжение приложено к цепи, содержащей конденсатор и катушку индуктивности, цепь будет колебаться во многом так же, как качели, которые были сдвинуты. Используя наше колебание в качестве аналогии, если мы не толкаем снова в нужный момент, колебание постепенно остановится, то же самое и с осциллятором. Назначение клапана - действовать как переключатель, который позволит энергии проходить в генератор в нужное время для поддержания колебаний. Чтобы синхронизировать переключение, небольшое количество энергии возвращается в сеть триода , эффективно блокируя или активируя устройство, или позволяя ему проводить в нужное время. Это так называемое сеточное смещение может быть получено емкостным, кондуктивным или индуктивным образом в зависимости от того, является ли генератор генератором Колпитца, генератором Хартли, тиклером Армстронга или генератором Мейснера.
Регулировка мощности для системы может быть достигнута множеством методов. Многие современные устройства оснащены тиристорным регулятором мощности, который работает с помощью двухполупериодного привода переменного тока (переменного тока ), изменяющего первичное напряжение на входном трансформаторе. Более традиционные методы включают в себя трехфазные вариаторы (автотрансформатор ) или моторизованные регуляторы напряжения типа Brentford для управления входным напряжением. Другой очень популярный метод заключался в использовании змеевика резервуара, состоящего из двух частей, с первичной и вторичной обмотками, разделенными воздушным зазором. На регулирование мощности влияло изменение магнитной связи двух катушек путем их физического перемещения относительно друг друга.
На заре индукционного нагрева мотор-генератор широко применялся для выработки мощности МП до 10 кГц. Хотя с помощью стандартного асинхронного двигателя, приводящего в действие генератор переменного тока, можно генерировать кратные частоты сети, например, 150 Гц, существуют ограничения. Этот тип генератора имел обмотки, установленные на роторе, которые ограничивали окружную скорость ротора из-за центробежных сил на этих обмотках. Это привело к ограничению диаметра машины и, следовательно, ее мощности и количества полюсов, которые могут быть физически размещены, что, в свою очередь, ограничивает максимальную рабочую частоту.
Чтобы преодолеть эти ограничения, промышленность индукционного нагрева обратилась к к индуктору-генератору. Этот тип машины имеет зубчатый ротор, состоящий из пакета перфорированных металлических пластин. Обмотки возбуждения и обмотки переменного тока установлены на статоре, поэтому ротор представляет собой компактную прочную конструкцию, которая может вращаться с более высокими окружными скоростями, чем стандартный генератор переменного тока, указанный выше, что позволяет ему иметь больший диаметр для задано об / мин. Этот больший диаметр позволяет разместить большее количество полюсов и в сочетании со сложными схемами прорезания, такими как датчик Лоренца или прорезание Гая, которое позволяет генерировать частоты от 1 до 10 кГц.
Как и во всех вращающихся электрических машинах, используются высокие скорости вращения и малые зазоры, чтобы максимизировать изменения магнитного потока. Это требует пристального внимания к качеству используемых подшипников, а также жесткости и точности ротора. Привод для генератора переменного тока обычно обеспечивается стандартным асинхронным двигателем для удобства и простоты. Используются как вертикальная, так и горизонтальная конфигурации, и в большинстве случаев ротор двигателя и ротор генератора установлены на общем валу без муфты. Затем всю сборку устанавливают в раму, содержащую статор двигателя статор и статор генератора. Вся конструкция смонтирована в шкафу с теплообменником и системами водяного охлаждения по мере необходимости.
Мотор-генератор стал основой производства электроэнергии средней частоты до появления твердотельной технологии в начале 1970-х годов.
В начале 1970-х годов с появлением технологии твердотельной коммутации произошел отход от традиционных методов производства энергии с помощью индукционного нагрева. Первоначально это ограничивалось использованием тиристоров для генерации диапазона частот МП с использованием дискретных электронных систем управления.
В современных устройствах теперь используются технологии SCR (кремниевый выпрямитель ), IGBT или MOSFET для генерации «MF» и «RF» тока. Современная система управления, как правило, представляет собой систему на основе цифрового микропроцессора, использующую технологию PIC, PLC (программируемый логический контроллер ) и технологии поверхностного монтажа для производства печатных плат. В настоящее время на рынке доминируют твердотельные устройства, и теперь доступны блоки мощностью от 1 кВт до многих мегаватт с частотами от 1 кГц до 3 МГц, включая двухчастотные блоки.
Для генерации СЧ и ВЧ используется целый ряд методов. мощность с использованием полупроводников, фактическая применяемая техника часто зависит от комплекса факторов. Типичный генератор будет использовать топологию с питанием по току или напряжением. Фактический используемый подход будет зависеть от требуемой мощности, частоты, индивидуального применения, начальной стоимости и последующих эксплуатационных расходов. Однако, независимо от используемого подхода, все блоки, как правило, имеют четыре отдельных элемента:
Он принимает сетевое напряжение и преобразует его из частоты питания 50 или 60 Гц. а также преобразует его в «DC». Он может обеспечивать переменное постоянное напряжение, фиксированное постоянное напряжение или переменный постоянный ток. В случае систем переменного тока они используются для обеспечения общего управления мощностью для системы. Выпрямители постоянного напряжения необходимо использовать в сочетании с альтернативными средствами управления мощностью. Это может быть сделано с помощью регулятора режима переключения или с помощью различных методов управления в секции инвертора.
преобразователь преобразует источник постоянного тока в однофазный выход переменного тока с соответствующей частотой. Он оснащен SCR, IGBT или MOSFETS и в большинстве случаев сконфигурирован как H-мост. H-мост имеет четыре ножки с переключателем на каждой, выходная цепь подключается через центр устройств. Когда соответствующие два переключателя замкнуты, ток проходит через нагрузку в одном направлении, эти переключатели затем размыкаются, а два противоположных переключателя замыкаются, позволяя току течь в противоположном направлении. Точно синхронизируя размыкание и замыкание переключателей, можно поддерживать колебания в цепи нагрузки.
Выходная цепь выполняет задачу согласования выхода инвертора с выходным сигналом, требуемым катушкой. В простейшей форме это может быть конденсатор или, в некоторых случаях, комбинация конденсаторов и трансформаторов.
Секция управления контролирует все параметры в цепи нагрузки, инверторе и подает импульсы переключения в соответствующее время для подачи энергии в выходной контур. В ранних системах использовалась дискретная электроника с регулируемыми потенциометрами для регулировки времени переключения, пределов тока, пределов напряжения и частотных отключений. Однако с появлением технологии микроконтроллеров большинство современных систем теперь имеют цифровое управление.
Инвертор с питанием от напряжения имеет фильтр конденсатор на входе инвертора и последовательные резонансные выходные цепи. Система с питанием от напряжения чрезвычайно популярна и может использоваться с тиристорами до частот до 10 кГц, IGBT до 100 кГц и полевыми МОП-транзисторами до 3 МГц. Инвертор с питанием от напряжения с последовательным подключением к параллельной нагрузке также известен как система третьего порядка. В основном это аналог твердотельной системы, но в этой системе последовательно соединенные внутренний конденсатор и катушка индуктивности подключены к параллельной выходной цепи резервуара. Основным преимуществом этого типа системы является надежность инвертора благодаря внутренней схеме, эффективно изолирующей выходную цепь, что делает коммутационные компоненты менее подверженными повреждению из-за пробоев катушки или рассогласования.
Инвертор с питанием от тока отличается от системы с питанием от напряжения тем, что он использует переменный вход постоянного тока, за которым следует большая катушка индуктивности на входе в мост инвертора. Силовая цепь имеет параллельный резонансный контур и может иметь рабочие частоты обычно от 1 кГц до 1 МГц. Как и в системе с питанием от напряжения, тиристоры обычно используются на частотах до 10 кГц, а IGBT и MOSFET используются на более высоких частотах.
Подходящие материалы - это материалы с высоким значением проницаемость (100-500), которые нагреваются ниже температуры Кюри этого материала.
