РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Основы индукционного нагрева

Индукционный нагреватель состоит из источника высокой частоты и колебательного контура, включающего в себя индуктор (рис. 1). В переменное магнитное поле индуктора помещается нагреваемая заготовка. В зависимости от материала заготовки, её объёма и глубины нагрева, применяется широкий диапазон рабочих частот, от 50 Гц до десятков МГц. При низких частотах порядка 100-10000 Гц в промышленности применяются электромашинные преобразователи и тиристорные инверторы. При частотах порядка МГц могут применяться электронные лампы. На средних частотах порядка 10-300 кГц целесообразно применять транзисторы IGBT/MOSFET.

Общая схема 

Рисунок 1. Общая схема

Физика

Согласно закону электромагнитной индукции, если проводник находится в изменяющемся (переменном) магнитном поле, в нём индуцируется (наводится) электродвижущая сила. При этом амплитуда ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, в котором находится проводник.

Если заготовку из проводящего материала рассматривать как множество короткозамкнутых контуров, то при помещении её в индуктор, под действием переменного магнитного поля в контурах будут индуцироваться вихревые  токи. Величина вихревых токов зависит от удельного сопротивления материала. А согласно закону Джоуля-Ленца - ток вызывает нагрев материала, обладающего сопротивлением.

Принцип работы 

Рисунок 2. Принцип работы

Индуктор вместе с нагрузкой из проводящего материала подобны трансформатору без магнитопровода (рис. 3). Первичной обмоткой этого трансформатора является индуктор, вторичной - индуктивность заготовки, которая нагружена на активное сопротивление материала.

 Эквивалентная схема

Рисунок 3. Эквивалентная схема

Как при прохождении по металлическим проводникам переменного тока, так и при нагреве токами высокой частоты металлов, наблюдается поверхностный эффект (скин-эффект). Связано это с тем, что вихревые токи в толще проводника вытесняют основной ток на поверхность. Индукционный нагрев металла интенсивнее у поверхности, чем в центре. Чем меньше частота тока индуктора, тем на большую глубину в заготовку проникает индуктированный в ней ток. Глубина скин-слоя зависит от частоты тока, удельного сопротивления и магнитной проницаемости нагреваемого материала. При применении индукционного нагрева в различных технологических операциях необходимо учитывать это свойство.

 

Согласование

Для инвертора, являющегося источником напряжения прямоугольной формы, LC-контур является нагрузкой с низким импедансом. Для согласования применяются высокочастотные трансформаторы или дроссели.

Согласующий дроссель, включенный в разрыв провода между инвертором и контуром, вместе с резонансным конденсатором образует LC-фильтр. Таким образом, отбирая небольшую часть емкости резонансного конденсатора, дроссель в малой степени влияет на частотную характеристику контура. Обычно такой дроссель выполняется на ферритовом сердечнике с воздушным зазором, изменяя величину которого, можно регулировать подводимую к индуктору мощность.

Высокочастотный трансформатор может работать как на параллельный контур, так и последовательный. В первом случае трансформатор сильно повлияет на резонансную частоту контура. Во втором случае последовательный контур в резонансном режиме будет потреблять максимум мощности с пустым индуктором (без нагрузки), т.к. при резонансе напряжений реактивное сопротивление LC-цепи стремится к нулю, а активное в таких цепях - как правило, очень мало. Конструктивно согласующий трансформатор выполняется на ферритовом кольце (либо набирается из нескольких) и надевается на провод индуктора.

Если импеданс не согласован, то сильно падает КПД такого нагревателя и повышается риск выхода из строя питающего источника. При правильной настройке генератора, его частота должна совпадать с резонансной частотой выходного контура, либо может быть немного выше резонансной. В этом случае ключи питающего преобразователя работают в наиболее благоприятном режиме. Не желательно допускать ситуации, когда частота переключений инвертора будет ниже резонансной, т.е. сопротивление будет иметь емкостной характер.

С изменением массы или материала нагреваемого тела резонансная частота колебательного контура меняется. Для подстройки применяются различные методы: переключение емкости конденсаторной батареи, автоматическая подстройка частоты, ручная регулировка частоты, автогенераторы.

При достижении определенной температуры материала (точка Кюри) материал теряет магнитные свойства, вследствие чего резонансная частота контура резко меняется, а также увеличивается толщина скин-слоя.

Выбирая элементы контура следует учитывать, что при резонансе в контуре достигаются токи и напряжения большой амплитуды, которые могут превышать питающие в десятки раз. Индуктор следует изготавливать из медного провода или трубки достаточного сечения. Даже при небольшой мощности (порядка 200-500 Вт) индуктор начинает сильно нагреваться под действием собственного поля. Работать такой индуктор будет, но сильно перегреется за короткое время.

Для отвода тепла обычно применяется водное охлаждение, тогда индуктор делается из медной трубки.

В качестве контурных конденсаторов следует выбирать высоковольтные конденсаторы с достаточной реактивной мощностью, присоединять шинами/проводами c наименьшей длиной и индуктивностью, вблизи индуктора.

 

Преимущества индукционного нагрева

Высокая скорость нагрева

Высокая концентрация и точная локализация энергии поля при нагреве обеспечивают короткий цикл, высокую производительность, улучшают показатели использования оборудования и материалов и снижают риск деформации при нагреве.

Автоматизация процесса

Индукционный нагрев позволяет с легкостью осуществлять точное автоматическое управление процессом. Он идеально согласуется с автоматизированным производством и не требует специальной подготовки персонала.

Нагрев только внутри материала

Непрерывный нагрев производится непосредственно в детали. В процессе нагрева не выделяется дым или другие вредные эмиссии, загрязняющие материалы и оборудование. Все это снижает опасность процесса и улучшает условия работы.

Энергоэффективность

В силу самого принципа индукционного нагрева тепловыделение происходит внутри детали и, вследствие этого, процесс более эффективен по затратам энергии, по сравнению с другими методами, а количество рассеиваемой энергии минимально.

TIS 20/AC-RH

TIS 20/AC-RH

Сварочный и индукционно-нагревательный аппарат

TIS 30/AC-HRP

TIS 30/AC-HRP

Аппарат для горячего съема/посадки узлов и деталей

TIS 60…300/ALC-HPH

TIS 60…300/ALC-HPH

Установка индукционного нагрева для закалки деталей

Отправьте ваш номер телефона через данную форму и наш менеджер свяжется с вами через несколько минут