Индукционный нагреватель - Induction heater

Не путать с Индукционная плита.

An индукционный нагреватель является ключевым оборудованием, используемым во всех формах индукционный нагрев. Обычно индукционный нагреватель работает в диапазоне средних частот (MF) или радиочастоты (RF).[1]

Четыре основных компонента системы составляют основу современного индукционного нагревателя.

  • система управления, панель управления или выключатель; в некоторых случаях эта система может отсутствовать
  • блок питания (инвертор мощности )
  • рабочая голова (трансформатор )
  • и нагревательный змеевик (индуктор )

Как это устроено

Индукционный нагрев - это бесконтактный метод нагрева проводящего тела с помощью сильного магнитное поле. Частота питания (сеть) Индукционные нагреватели 50 или 60 Гц включают катушку, питаемую непосредственно 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 основном очень физически отличаются друг от друга. Примечательно, что системы индукционного нагрева (также известные как ковка) работают с длинными металлическими стержнями и листами, нагревая их до температуры 2500 ° C для работы с ними.

Компоненты основного оборудования

Индукционный нагреватель обычно состоит из трех элементов.

Блок питания

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

Рабочий руководитель

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

Рабочая катушка

Катушка, также известная как индуктор, используется для передачи энергии от блока питания и рабочей головки к обрабатываемой детали. Индукторы различаются по сложности от простой намотки соленоид состоящий из ряда витков медной трубки, намотанной вокруг оправки, к прецизионному предмету, выточенному из твердой меди, спаянному и спаянному вместе. 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

Радиочастота (РФ) индукция генераторы работают в диапазоне частот от 100 кГц до 10МГц. 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 клапан двигателя.[5]

MF индукция генераторы 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]

Сеть (или же поставлять) частота индукционные катушки питаются напрямую 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 барабанный нагреватель.

История

Основной принцип индукционного нагрева был открыт Майкл Фарадей еще в 1831 году. В работах Фарадея использовался импульсный источник постоянного тока, обеспечиваемый аккумулятор и две обмотки из медной проволоки, намотанные на железный сердечник. Было отмечено, что при включении переключателя кратковременный Текущий протекала во вторичной обмотке, что можно было измерить с помощью гальванометр. 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 магнитный поток.[6]

Первоначально принципы были использованы при проектировании трансформаторы, моторы и генераторы где нежелательные тепловые эффекты контролировались с помощью ламинированный сердечник.

В начале 20 века инженеры начали искать способы использовать теплогенерирующие свойства индукция с целью плавки стали. В этой ранней работе для создания тока средней частоты (СЧ) использовались двигатели-генераторы, но отсутствие подходящих генераторы и конденсаторы правильного размера сдерживал первые попытки. Однако к 1927 году первая система индукционной плавки MF была установлена ​​компанией EFCO в Шеффилде, Англия.

Примерно в то же время инженеры Midvale Steel и компания Ohio Crankshaft в Америке пытались использовать эффект нагрева поверхности током MF для создания локализованной поверхности упрочнение в коленчатые валы. Большая часть этой работы проходила в частоты 1920 и 3000 Гц, так как 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.[7]

Со временем технология усовершенствовалась, и блоки в диапазоне частот от 3 до 10 кГц с выходной мощностью до 600 кВт стали обычным явлением в мире. индукционная ковка и большой индукционная закалка Приложения. Мотор-генератор останется опорой производства электроэнергии сверхвысокого напряжения до появления высокого напряжения. полупроводники в конце 1960-х - начале 1970-х гг.

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 частном диапазоне всегда отражало развитие радиопередатчик и индустрии телевизионного вещания, и действительно, часто использовала компоненты, разработанные для этой цели. Использованы ранние единицы разрядник технологии, но из-за ограничений подход был быстро заменен использованием многоэлектродных термоэлектронный триод (вентильные) генераторы. Действительно, многие из пионеров отрасли также активно работали в сфере радио и телекоммуникаций, а также в таких компаниях, как Филлипс, Английский Электрический и Redifon были вовлечены в производство оборудования для индукционного нагрева в 1950-х и 1960-х годах.

Использование этой технологии продолжалось до начала 1990-х годов, когда на смену ей пришла энергия. МОП-транзистор и IGBT твердое состояние оборудование. Однако есть еще много клапан генераторы все еще существуют, и на крайних частотах 5 МГц и выше они часто являются единственным жизнеспособным подходом и все еще производятся.[8]

Индукционные нагреватели сетевой частоты по-прежнему широко используются в обрабатывающей промышленности из-за их относительно низкой стоимости и теплового КПД по сравнению с лучистое отопление где штучные детали или стальные контейнеры необходимо нагревать как часть производственной линии.

Источник питания на основе вентильного генератора

Благодаря своей гибкости и возможному диапазону частот индукционный нагреватель на основе вентильного генератора до недавнего времени 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 устройств нашел широкое применение в тысячах приложений, включая пайку и пайку, индукционную закалку, сварку труб и индукционная термоусадочная муфта. Агрегат состоит из трех основных элементов:

Источник питания постоянного тока высокого напряжения

DC (постоянный ток ) источник питания состоит из стандартного повышающего трансформатора с воздушным или водяным охлаждением и высокого напряжения. выпрямитель блок, 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. Ранние выпрямительные системы включали вентильные выпрямители, такие как GXU4 (высокомощный высоковольтный полуволновой выпрямитель), но в конечном итоге они были заменены высоковольтными твердотельными выпрямителями.[10]

Самовозбуждающий генератор класса C

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 (змеевик бака) 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 генератор в нужное время для поддержания колебаний. Чтобы рассчитать время переключения, небольшое количество энергии возвращается в сеть триод эффективно блокировать или запускать устройство или позволить ему сработать 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, Осциллятор Хартли, Тиклер Армстронга или Мейснера.[11]

Средства контроля мощности

Регулировка мощности системы может быть достигнута множеством методов. Многие новинки оснащены тиристор регулятор мощности, работающий от двухполупериодного переменного тока (переменный ток ) управляют изменением первичного напряжения на входном трансформаторе. Более традиционные методы включают: трехфазный variacs (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.[12]

Твердотельные блоки питания

В первые дни индукционного нагрева мотор-генератор широко использовался для производства мощности СЧ 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 возбуждение и обе 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 заданного Об / мин. Этот больший диаметр позволяет разместить большее количество полюсов и в сочетании со сложными пазами, такими как Условие калибровки Лоренца или режим Гая, который 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 вся сборка монтируется в раму, содержащую двигатель. статор и статора генератора. Вся конструкция смонтирована в шкафу с теплообменником и системами водяного охлаждения по мере необходимости.

Мотор-генератор стал опорой среднечастотного производства электроэнергии до появления твердое состояние технологии в начале 1970-х гг.

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.

Современные устройства теперь используют SCR (кремниевый выпрямитель ),[14] Технологии IGBT или MOSFET для генерации тока «MF» и «RF». Современная система управления, как правило, цифровая. микропроцессор система на базе PIC, PLC (Программируемый логический контроллер ) технологии и технологии изготовления печатных плат поверхностного монтажа. 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 целого ряда 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 единицы имеют четыре отдельных элемента:[15]

Выпрямитель переменного тока в постоянный

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 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 постоянного тока в переменный

В инвертор преобразует источник постоянного тока в однофазный выход переменного тока с соответствующей частотой. Он оснащен SCR, IGBT или MOSFETS и в большинстве случаев настраивается 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

Выходная цепь выполняет задачу согласования выхода инвертора с выходным сигналом катушки. В простейшей форме это может быть конденсатор или, в некоторых случаях, комбинация конденсаторов и трансформаторов.

Система контроля

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 переменным потенциометры для настройки времени переключения, пределов тока, предельного напряжения и частоты отключения. Однако с появлением микроконтроллер технологии, большинство современных систем теперь имеют цифровое управление.

Инвертор с питанием от напряжения

Инвертор с питанием от напряжения имеет фильтр конденсатор на входе в инвертор и в последовательных резонансных выходных цепях. 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 переключающие компоненты менее подверженными повреждению из-за пробоев катушки или несоответствия.[16]

Инвертор с питанием от тока

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 от 1 кГц до 1 МГц. Как и в случае с системой с питанием от напряжения, SCR обычно используются на частотах до 10 кГц, а IGBT и MOSFET используются на более высоких частотах.[17]

Подходящие материалы

Подходящие материалы те, у кого высокий проницаемость (100-500), которые нагреваются ниже Температура Кюри из этого материала.

Смотрите также

Рекомендации

Примечания

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

Библиография

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

внешняя ссылка