Фізика індукційного нагріву

Для розуміння, що таке індукційний нагрів. доведеться трохи розповісти про фізику цього процесу. Будь-яка індукційна установка являє собою перетворювач промислового електричного струму в струм більш високої частоти, головною особливістю цього перетворення є те, що індукційний нагрів металів здійснюється тільки на резонансній частоті. Параметри резонансу в основному задаються індуктивністю і ємністю самої установки. Однак, до індукційних установок підключають індукційні котушки, так звані індуктори різної конструкції, які мають різну індуктивність. Та до того ж метали в процесі нагрівання змінюють свої властивості. Ось і доводиться індукційної установки постійно підлаштовувати власну резонансну частоту, що б працювати з максимальним ККД.

Для розуміння, що таке індукційний нагрів. доведеться трохи розповісти про фізику цього процесу. Будь-яка індукційна установка являє собою перетворювач промислового електричного струму в струм більш високої частоти, головною особливістю цього перетворення є те, що індукційний нагрів металів здійснюється тільки на резонансній частоті. Параметри резонансу в основному задаються індуктивністю і ємністю самої установки. Однак, до індукційних установок підключають індукційні котушки, так звані індуктори різної конструкції, які мають різну індуктивність. Та до того ж метали в процессенагрева змінюють свої властивості. Ось і доводиться індукційної установки постійно підлаштовувати власну резонансну частоту, що б працювати з максимальним ККД.

Раніше промисловість використовувала лампові і машинні перетворювачі частоти, які автоматично не могли підлаштовувати резонансну частоту генерації. Її змінювали за допомогою комутації конденсаторних батарей, що було вкрай незручно. Сучасні індукційні генератори оснащують ключовими елементами на базі тиристорів і транзисторів. Транзисторні генератори можуть змінювати частоту резонансу в досить широких межах, іноді в кілька разів. Що дозволяє підключати до них індуктори з різною кількістю витків. Тиристорні генератори так само можуть підлаштовувати резонансну частоту в межах декількох десятків відсотків.

Головним завданням індукційного нагрівача є створення в індукторі електричних струмів високої частоти і великої сили. Залежно від поставлених завдань і кількості витків індуктора напруга на індукторі може досягати 1500 вольт і струмів в кілька сотень ампер при послідовному резонансі. Або 20-100 вольт при токах до 12.000 ампер при використанні понижувального трансформатора.

Зрозуміло, що такі струми викликають сильне нагрівання електричних провідників, індукторів, напівпровідникових транзисторів і діодів, трансформаторів і конденсаторів самої установки. Саме тому більшість сучасних індукційних установок мають водяне охолодження. По суті це дві взаємодіючі один з одним системи, з одного боку електрична, а з іншого сантехнічна - водопровідна. І збій в роботі будь-якої з цих систем призводить до виходу з ладу індукційного обладнання в цілому. Ремонт індукційних установок коштує недешево. Складання транзисторів, так звані IGBT модулі, стоять до 10 неоподатковуваних мінімумів доходів громадян, а їх іноді вигорає кілька. Вигорання обмоток високочастотних трансформаторів потребує ремонту вартістю в десятки тисяч рублів. Можу дати пораду, купіть для своєї індукційної установки потужний насос і хорошу систему охолодження і будете позбавлені від безлічі неприємностей в майбутньому.

Після того, як генератор порушив в індукторі електричний струм, який в свою чергу створив в ньому магнітне поле високої інтенсивності, постає завдання максимально передати цю енергію в нагрівається металеву деталь. Зрозуміло, що чим ближче деталь розташовується до витків індуктора, тим більша кількість енергії в неї потрапить. Причому кращими умовами для нагріву є розташування деталі всередині індуктора. Магнітне поле індуктора збуджує в будь-якому металі вторинні вихрові струми, їх ще називають струми Фуко, які в свою чергу інтенсивно нагрівають поверхню токопроводящей деталі. Глибина цього нагріву залежить від частоти генерації і, як правило, становить від 0,1 мм до 10 мм. Метали, що володіють феромагнітними властивостями, в тому числі залізо і нікель, нагріваються не тільки за рахунок струмів Фуко, але і за рахунок перемагнічування феромагнітних доменів. Однак після досягнення температури точки Кюрі, приблизно 760 градусів Цельсія, феромагнітна складова індукційного нагріву зникає і залишається тільки нагрів за рахунок струмів Фуко. Причому, інтенсивність цього нагріву зростає з ростом температури, тому що збільшується омічний опір металу.

Коли ж необхідний індукційний нагрів на глибини понад 10 мм, наприклад, об'ємний нагрів для гарячого штампування, подальше нагрівання вглиб металу відбувається тільки за рахунок теплопередачі. А це процес досить повільний, наприклад, для нагріву сталевої заготовки діаметром 40 мм на частоті 6 кГц з різницею температури по всьому об'єму металу в 100 градусів Цельсія потрібно 58 секунд. Якщо ж є потреба нагрівати більшу кількість заготовок, відповідно більша їх кількість має нагріватися одночасно. Таке індукційне промислове називається Індукційний ковальський нагрівач, скорочено ІКН.

Індукційний нагрів завжди значно ефективніше і швидше за інших видів нагрівання за рахунок того, що максимальна температура створюється не на поверхні деталі, а на глибині проникнення електричного поля, в місці переходу індукційного нагріву в нагрів за допомогою теплопередачі. А глибина проникнення електричного поля залежить від частоти генерації індукційної установки. І чим вона нижча, тим глибше розташована ця межа, і тим інтенсивніше йде прогрів вглиб металу. На сучасних среднечастотних транзисторних індукційних установках з частотою генерації 3-5 кГц (після проходження точки Кюрі) глибина гарячого проникнення індукційного поля в метал досягає 10 мм.

Інструкція по експлуатації індукційного обладнання зазвичай містить десяток - інший сторінок, а ось для того, що б навчитися робити хороші індуктори, потрібно вивчити не одну книгу і набути практичних навичок. Зазвичай через кілька років після покупки підприємством індукційної установки, силами своїх фахівців виготовляється кілька десятків різних по конструкції індукторів для вирішення різних завдань індукційного нагріву. Компанія «Мосіндуктор», яку я очолюю, не тільки щедро ділиться зі своїми покупцями літературою по індукційної тематиці, а й проводить єдині в Україні «Курси підвищення кваліфікації високочастотников - термістів». На цих курсах однієї з головних є тема виготовлення індукторів для вирішення конкретних технологічних завдань і узгодження їх параметрів з різними індукційними установками.

Як уже згадувалося, індуктор добре нагріває деталь тоді, коли вона розташована всередині індуктора. Це відбувається тому, що розподіл електричного струму по перетину індуктора неоднорідне. Високочастотні струми в індукторі витісняються магнітним полем на поверхню провідника, саме тому індуктори роблять з мідної трубки, з товщиною стінки 1-3 мм. При цьому індуктор обов'язково охолоджують водою, адже струми в тисячі ампер, що протікають через нього, викликає інтенсивне нагрівання.