Kako radi i radi indukcijski grijač
Načelo rada indukcijskog grijača sastoji se u zagrijavanju električno vodljivog metalnog obratka pomoću zatvorene vrtložne struje inducirane u njemu.
Vrtložne struje su struje koje nastaju u čvrstim žicama zbog fenomena elektromagnetske indukcije kada ove žice prodre izmjenično magnetsko polje. Za stvaranje tih struja koristi se energija, koja se pretvara u toplinu i zagrijava žice.
Da bi se smanjili ti gubici i eliminiralo zagrijavanje, umjesto čvrstih žica koriste se slojevite žice kod kojih su pojedinačni slojevi odvojeni izolacijom. Ova izolacija sprječava pojavu velikih zatvorenih vrtložnih struja i smanjuje gubitke energije za njihovo održavanje. Iz tih razloga se jezgre transformatora, armature generatora i sl. izrađuju od tankih čeličnih limova međusobno izoliranih slojevima laka.
Induktor u indukcijskom grijaču je zavojnica izmjenične struje dizajnirana za stvaranje visokofrekventnog izmjeničnog elektromagnetskog polja.
Izmjenično visokofrekventno magnetsko polje pak djeluje na elektrovodljivi materijal, izazivajući u njemu zatvorenu struju velike gustoće i na taj način zagrijava izradak dok se ne otopi. Ovaj fenomen je poznat već dugo i objašnjen je još od vremena Michaela Faradaya, koji je opisao fenomen elektromagnetske indukcije davne 1931. godine
Vremenski promjenjivo magnetsko polje inducira izmjenični EMF u vodiču, koji se siječe s njegovim linijama sile. Takva žica općenito može biti namot transformatora, jezgra transformatora ili čvrsti komad nekog metala.
Ako se EMF inducira u zavojnici, tada se proizvodi transformator ili prijemnik, a ako je izravno u magnetskom krugu ili u kratkom spoju, proizvodi se indukcijsko zagrijavanje magnetskog kruga ili zavojnice.
U loše projektiranom transformatoru, npr. zagrijavanje jezgre Foucaultovim strujama bilo bi nedvosmisleno štetno, ali u indukcijskom grijaču takva pojava ima korisnu svrhu.
S gledišta prirode opterećenja, indukcijski grijač s vodljivim dijelom koji se zagrijava u njemu je poput transformatora s kratkospojenim sekundarnim namotom od jednog zavoja. Budući da je otpor unutar obratka iznimno malen, čak je i malo inducirano vrtložno električno polje dovoljno da stvori struju tako velike gustoće da njen toplinski učinak (usp. Joule-Lenzov zakon) bilo bi vrlo izražajno i praktično.
Prva kanalna peć ovog tipa pojavila se u Švedskoj 1900. godine, napajala se strujom frekvencije 50-60 Hz, koristila se za taljenje čeličnog kanala, a metal se dovodio u lončić postavljen na kratkolančani način. sekundarnog namota transformatora.Problem učinkovitosti je naravno bio prisutan jer je učinkovitost bila manja od 50%.
Danas je indukcijski grijač bežični transformator koji se sastoji od jednog ili više zavoja relativno debele bakrene cijevi kroz koju se pomoću pumpe pumpa rashladna tekućina aktivnog rashladnog sustava. Izmjenična struja frekvencije od nekoliko kiloherca do nekoliko megaherca dovodi se na vodljivo tijelo cijevi, poput induktora, ovisno o parametrima uzorka koji se obrađuje.
Činjenica je da se pri visokim frekvencijama vrtložna struja istiskuje iz uzorka zagrijanog samom vrtložnom strujom, jer magnetsko polje te vrtložne struje istiskuje struju koja je nastala prema površini.
Ovo se manifestira kao učinak kože, kada je najveća gustoća struje rezultat pada površine izratka na tanki sloj, a što je veća frekvencija i niži električni otpor zagrijanog materijala, to je sloj ljuske tanji.
Za bakar, na primjer, na 2 MHz, koža je samo četvrt milimetra! To znači da se unutarnji slojevi bakrene gredice ne zagrijavaju izravno vrtložnim strujama, već provođenjem topline iz njegovog tankog vanjskog sloja. Međutim, tehnologija je dovoljno učinkovita da brzo zagrije ili otopi gotovo svaki električno vodljivi materijal.
Grade se moderni indukcijski grijači na temelju titrajnog kruga (zavojnica-induktor i kondenzator) napajan uključenim rezonantnim pretvaračem IGBT ili MOSFET — tranzistoriomogućujući postizanje radnih frekvencija do 300 kHz.
Za više frekvencije koriste se vakuumske cijevi koje omogućuju postizanje frekvencija od 50 MHz i više, npr. za topljenje nakita potrebne su dosta visoke frekvencije jer je veličina dijela vrlo mala.
Kako bi povećali faktor kvalitete radnih krugova, pribjegavaju se jednom od dva načina: ili povećavaju frekvenciju ili povećavaju induktivitet kruga dodavanjem feromagnetskih umetaka u njegovu konstrukciju.
Dielektrično grijanje se također provodi pomoću visokofrekventnog električnog polja u industriji. Razlika od indukcijskog grijanja je u korištenim frekvencijama struje (do 500 kHz kod indukcijskog grijanja i više od 1000 kHz kod dielektrika). U ovom slučaju važno je da tvar koju treba zagrijati ne provodi dobro struju, tj. bio dielektrik.
Prednost metode je stvaranje topline izravno unutar tvari. U tom slučaju, slabo vodljive tvari mogu se brzo zagrijati iznutra. Za više detalja pogledajte ovdje: Temeljne fizikalne osnove visokofrekventnih dielektričnih metoda zagrijavanja