Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с индукционной плитой .

Индукционный нагреватель является одним из ключевой части оборудования , используемой во всех формах индукционного нагрева . Обычно индукционный нагреватель работает в диапазоне средних частот (MF) или радиочастоты (RF). [1]

Четыре основных компонента системы составляют основу современного индукционного нагревателя.

Как это работает [ править ]

Индукционный нагрев - это бесконтактный метод нагрева проводящего тела с помощью сильного магнитного поля . Частота питания (сеть) Индукционные нагреватели 50 или 60 Гц включают катушку, питаемую напрямую от источника электроэнергии, как правило, для промышленных применений с меньшей мощностью, где требуются более низкие температуры 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, так как эти две системы нагрева в большинстве своем физически сильно отличаются друг от друга. Примечательно, что системы индукционного нагрева (также называемые ковкой) работают с длинными металлическими стержнями и листами, чтобы довести их до температуры до 2500 ° C для работы с ними.

Компоненты основного оборудования [ править ]

Индукционный нагреватель обычно состоит из трех элементов.

Блок питания [ править ]

Часто называют инвертором или генератором. Эта часть системы используется для увеличения частоты сети до 10 Гц - 400  кГц . Типичная выходная мощность единичной системы составляет от 2 до 500  кВт . [2]

Рабочий руководитель [ править ]

Он содержит комбинацию конденсаторов и трансформаторов и используется для соединения блока питания с рабочей катушкой. [3]

Рабочая катушка [ править ]

Катушка, также известная как индуктор, используется для передачи энергии от блока питания и рабочей головки к обрабатываемой детали. Сложность индукторов варьируется от простого соленоида с обмоткой, состоящего из нескольких витков медной трубки, намотанной вокруг оправки, до прецизионных изделий, изготовленных из твердой меди, спаянных и спаянных друг с другом. Поскольку индуктор - это область, в которой происходит нагрев, конструкция катушки является одним из наиболее важных элементов системы и сама по себе является наукой. [4]

Определения [ править ]

Индукционные генераторы радиочастоты ( RF ) 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. [5]

Индукционные генераторы МП работают от 1 кГц до 10 кГц. Диапазон мощности обычно составляет от 50 до 500 кВт. Индукционные нагреватели в этих диапазонах используются для средних и крупных компонентов и приложений, таких как индукционная ковка вала. [1]

Индукционные катушки сетевой (или питающей ) частоты питаются непосредственно от стандартного источника переменного тока. 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 .

История [ править ]

Основной принцип индукционного нагрева был открыт Майклом Фарадеем еще в 1831 году. Работа Фарадея заключалась в использовании импульсного источника постоянного тока, обеспечиваемого батареей, и двух обмоток из медной проволоки, намотанных вокруг железного сердечника. Было отмечено, что когда переключатель был замкнут, во вторичной обмотке протекал кратковременный 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 создаваемый ток был прямо пропорционален скорости изменения магнитного потока. . [6]

Первоначально эти принципы использовались при проектировании трансформаторов , двигателей и генераторов, где нежелательные эффекты нагрева контролировались за счет использования многослойного сердечника .

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 переменного тока и конденсаторов правильного размера сдерживало первые попытки. Однако к 1927 году первая система индукционной плавки MF была установлена EFCO в Шеффилде, Англия.

Примерно в тех же время инженеров Midvale Steel и Огайо коленвала Company в Америке пытались использовать поверхность нагрева эффекта тока MF , чтобы произвести локализованные поверхности цементации в коленчатых . Большая часть этой работы проводилась на частотах 1920 и 3000 Гц, поскольку это были самые простые частоты, которые можно было получить с помощью имеющегося оборудования. Как и во многих других областях, связанных с технологиями, начало Второй мировой войны привело к огромному развитию использования индукционного нагрева в производстве деталей автомобилей и боеприпасов. [7]

Со временем технология усовершенствовалась, и устройства в диапазоне частот от 3 до 10 кГц с выходной мощностью до 600 кВт стали обычным явлением в индукционной ковке и крупных приложениях для индукционной закалки . Электродвигатель-генератор оставался опорой производства электроэнергии с использованием сверхвысоких напряжений до появления полупроводников высокого напряжения в конце 1960-х - начале 1970-х годов.

В начале эволюционного процесса инженерам стало очевидно, что возможность 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 диапазоне частот всегда отражало развитие индустрии радиопередатчиков и 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 генераторов на основе многоэлектродных термоэмиссионных триодов (вентилей). Действительно, многие из пионеров отрасли были также очень вовлечены в радио- и телекоммуникационную промышленность, а такие компании, как Phillips , English Electric и Redifon, все были вовлечены в производство оборудования для индукционного нагрева в 1950-х и 1960-х годах.

Использование этой технологии продолжалось до начала 1990-х годов, после чего технология была практически заменена мощным MOSFET и твердотельным оборудованием IGBT . Тем не менее, все еще существует много ламповых генераторов , и на экстремальных частотах 5 МГц и выше они часто являются единственным жизнеспособным подходом и все еще производятся. [8]

Индукционные нагреватели с частотой сети 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.

Источник питания на основе вентильного генератора [ править ]

Благодаря своей гибкости и возможному диапазону частот индукционный нагреватель на основе вентильного генератора до последних лет широко использовался в промышленности. [9] 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 термоусадку. . Агрегат состоит из трех основных элементов:

Источник питания постоянного тока высокого напряжения [ править ]

Источник постоянного тока состоит из стандартного повышающего трансформатора с воздушным или водяным охлаждением и высоковольтного выпрямителя, способного генерировать напряжения, как правило, от 5 до 10 кВ для питания генератора. Устройство должно быть рассчитано на правильный киловольт-ампер (кВА) для подачи необходимого тока на генератор. Ранние выпрямительные системы включали в себя вентильные выпрямители, такие как GXU4 (высокомощный высоковольтный полуволновой выпрямитель), но в конечном итоге они были заменены высоковольтными твердотельными выпрямителями. [10]

Самовозбуждающий генератор класса "C" [ править ]

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.(резервуарный конденсатор) и осцилляторный вентиль. 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 осциллятор в нужное время для поддержания колебаний. Чтобы рассчитать время переключения, небольшое количество энергии возвращается в сеть триода.эффективно блокировать или запускать устройство или позволить ему сработать в нужное время. Это так называемое сеточное смещение может быть получено либо емкостным, либо кондуктивным, либо индуктивным образом в зависимости от того, является ли генератор генератором Колпитца, генератором Хартли , тиклером Армстронга или генератором Мейснера. [11]

Средства контроля мощности [ править ]

Регулировка мощности системы может быть достигнута множеством методов. Многие современные блоки оснащены тиристорным регулятором мощности, который работает с помощью двухполупериодного привода переменного тока ( переменного тока ), изменяющего первичное напряжение на входном трансформаторе. Более традиционные методы включают 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 управление мощностью влияло изменение магнитной связи двух катушек путем их физического перемещения относительно друг друга. [12]

Твердотельные блоки питания [ править ]

На заре индукционного нагрева мотор-генератор широко использовался для производства 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. [13]

Чтобы преодолеть эти ограничения, промышленность индукционного нагрева обратилась к индуктору-генератору. Этот тип машины имеет зубчатый ротор, состоящий из пакета перфорированных металлических пластин. В возбуждения и переменного тока обмотки оба смонтированы на статоре, ротор , следовательно , представляет собой компактную прочную конструкцию , которая может поворачиваться на более высоких скоростях , чем периферийные стандартного генератора переменного тока выше , таким образом , позволяя ему быть больше в диаметре для данного RPM . Этот больший диаметр позволяет разместить большее количество полюсов и в сочетании со сложными схемами прорезания, такими как датчик Лоренца или прорезание Гая, что 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 условности и простоты. Используются как вертикальные, так и горизонтальные конфигурации, и в большинстве случаев ротор двигателя и ротор генератора установлены на общем валу без муфты. Затем весь узел монтируется в раму, содержащую статор двигателя и статор генератора. Вся конструкция смонтирована в шкафу с теплообменником и системами водяного охлаждения по мере необходимости.

Мотор-генератор стал опорой среднечастотного производства электроэнергии до появления твердотельных технологий 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 помощью дискретных электронных систем управления.

Современные устройства теперь используют технологии SCR ( кремниевый выпрямитель ), [14] IGBT или MOSFET для генерации «MF» и «RF» тока. Современная система управления, как правило, представляет собой цифровую микропроцессорную систему, 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 устройства от 1 кВт до многих мегаватт с частотами от 1 кГц до 3 МГц, включая двухчастотные устройства. [8]

Для генерации СЧ и ВЧ мощности с использованием полупроводников используется целый ряд методов, реальный используемый метод часто зависит от комплекса факторов. Типичный генератор будет использовать топологию с питанием по току или напряжением. Фактически используемый подход будет зависеть от требуемой мощности, частоты, индивидуального применения, начальной стоимости и последующих эксплуатационных расходов. Однако, независимо от используемого подхода, все единицы имеют четыре отдельных элемента: [15]

Выпрямитель переменного тока в постоянный [ править ]

Он принимает сетевое напряжение и преобразует его из частоты сети 50 или 60 Гц, а также преобразует его в «постоянный ток». Он может обеспечивать переменное постоянное напряжение, фиксированное постоянное напряжение или переменный постоянный ток. В случае переменных систем они используются для обеспечения общего управления мощностью для системы. Выпрямители постоянного напряжения необходимо использовать вместе с альтернативными средствами управления мощностью. Это может быть сделано с помощью регулятора режима переключения или с помощью различных методов управления в секции инвертора.

Преобразователь постоянного тока в переменный [ править ]

Инвертор преобразует питания постоянного тока к одному выходу фазы переменного тока на соответствующей частоте. Он оснащен SCR, IGBT или MOSFETS и в большинстве случаев настроен как H-мост . H-мост имеет четыре ножки с переключателем на каждой, выходная цепь подключается через центр устройств. Когда соответствующие два переключателя замкнуты, ток течет 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 схема [ править ]

Задача выходной цепи - согласовать выход инвертора с выходным сигналом катушки. В простейшей форме это может быть конденсатор или, в некоторых случаях, комбинация конденсаторов и трансформаторов.

Система управления [ править ]

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 микроконтроллеров большинство современных систем теперь имеют цифровое управление.

Инвертор с питанием от напряжения [ править ]

Инвертор с питанием от напряжения имеет конденсатор фильтра на входе инвертора и последовательные резонансные выходные цепи. Система с питанием от напряжения чрезвычайно популярна и может использоваться с тиристорами до частоты 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 переключающие компоненты менее подверженными повреждению из-за пробоев катушки или несоответствия. [16]

Инвертор с питанием от тока [ править ]

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 случае с системой с питанием от напряжения, SCR обычно используются до 10 кГц, а IGBT и MOSFET используются на более высоких частотах. [17]

Подходящие материалы [ править ]

Подходящими материалами являются материалы с высокой проницаемостью (100-500), которые нагреваются ниже температуры Кюри этого материала.

См. Также [ править ]

  • Индукционная ковка
  • Индукционная термоусадочная муфта
  • Индукционная закалка
  • Индукционный нагрев
  • Барабанный нагреватель

Ссылки [ править ]

Заметки [ править ]

  1. ^ а б Руднев, с. 229.
  2. ↑ Руднев, с. 627.
  3. ↑ Руднев, с. 628.
  4. ↑ Руднев, с. 629.
  5. ↑ Руднев, с. 227.
  6. ↑ Руднев, с. 1.
  7. ↑ Руднев, с. 2.
  8. ^ а б Руднев, с. 632.
  9. ↑ Руднев, с. 635.
  10. ↑ Руднев, с. 636.
  11. ↑ Руднев, с. 690.
  12. ↑ Руднев, с. 478.
  13. ↑ Руднев, с. 652.
  14. ↑ Руднев, с. 630.
  15. ↑ Руднев, с. 637.
  16. ↑ Руднев, с. 640.
  17. ↑ Руднев, с. 645.

Библиография [ править ]

  • Руднев, Валерий; Нелюбимый, Дон; Кук, Раймонд; Блэк, Мика (2002), Справочник по индукционному нагреву , CRC Press, ISBN 0-8247-0848-2.

Внешние ссылки [ править ]

  • Университет Шеффилда проводит фундаментальные и прикладные исследования по созданию технологий индукционного нагрева - University of Sheffield
  • Индукционная пайка на примере технологии индукционного нагревателя от TWI
  • Анимация, показывающая скорость нагрева, полученную из FEA для индукционного барабанного нагревателя частоты сети - LMK Thermosafe Ltd
  • Подробное руководство по теории и работе индукционного нагревателя, включая схемы устройства малой и большой мощности, способного левитировать металлы.