Jak indukční ohřívač funguje a funguje

Princip činnosti indukčního ohřívače spočívá v ohřevu elektricky vodivého kovového obrobku pomocí uzavřeného vířivého proudu v něm indukovaného.

Vířivé proudy jsou proudy, které vznikají v pevných drátech v důsledku jevu elektromagnetické indukce, když těmito dráty proniká střídavé magnetické pole. K vytvoření těchto proudů se využívá energie, která se přeměňuje na teplo a ohřívá dráty.

Pro snížení těchto ztrát a eliminaci zahřívání se místo pevných drátů používají vrstvené dráty, u kterých jsou jednotlivé vrstvy odděleny izolací. Tato izolace zabraňuje vzniku velkých uzavřených vířivých proudů a snižuje energetické ztráty na jejich udržení. Z těchto důvodů jsou jádra transformátorů, armatury generátorů atd. vyrobena z tenkých ocelových plechů, které jsou od sebe izolované vrstvami laku.

Induktor v indukčním ohřívači je cívka se střídavým proudem navržená tak, aby vytvořila vysokofrekvenční střídavé elektromagnetické pole.

Střídavé vysokofrekvenční magnetické pole zase působí na elektricky vodivý materiál, způsobuje v něm uzavřený proud o vysoké hustotě a ohřívá tak obrobek až do roztavení. Tento jev je znám již dlouhou dobu a byl vysvětlen již od dob Michaela Faradaye, který popsal jev elektromagnetické indukce ještě v roce 1931

Časově proměnlivé magnetické pole indukuje ve vodiči střídavé EMF, které se protíná s jeho siločárami. Takovým drátem může být obecně vinutí transformátoru, jádro transformátoru nebo pevný kus nějakého kovu.

Pokud je EMF indukováno v cívce, pak vzniká transformátor nebo přijímač, a pokud přímo v magnetickém obvodu nebo ve zkratu, vzniká indukční ohřev magnetického obvodu nebo cívky.

Ve špatně navrženém transformátoru, např. ohřev jádra Foucaultovými proudy by byl jednoznačně škodlivý, ale v indukčním ohřívači takový jev slouží užitečnému účelu.

Z hlediska charakteru zátěže je indukční ohřívač s v něm vyhřívanou vodivou částí jako transformátor se sekundárním vinutím nakrátko o jeden závit. Protože odpor uvnitř obrobku je extrémně malý, stačí i malé indukované vířivé elektrické pole k vytvoření proudu o tak vysoké hustotě, že jeho tepelný účinek (srov. Joule-Lenzův zákon) by bylo velmi výrazné a praktické.

První kanálová pec tohoto typu se objevila ve Švédsku v roce 1900, byla napájena proudem o frekvenci 50-60 Hz, sloužila k tavení ocelového kanálu a kov byl přiváděn do kelímku uspořádaného rotačním způsobem s krátkým řetězcem. sekundárního vinutí transformátoru.Problém s účinností byl samozřejmě přítomen, protože účinnost byla menší než 50 %.

Indukční ohřívač je dnes bezdrátový transformátor sestávající z jednoho nebo více závitů relativně tlusté měděné trubky, kterou se pomocí čerpadla čerpá chladicí kapalina aktivního chladicího systému. Střídavý proud o frekvenci několika kilohertzů až několik megahertzů je přiváděn na vodivé těleso trubice jako induktor v závislosti na parametrech zpracovávaného vzorku.

Faktem je, že při vysokých frekvencích je vířivý proud vytlačován ze vzorku ohřátého samotným vířivým proudem, protože magnetické pole tohoto vířivého proudu vytlačuje vytvořený proud směrem k povrchu.

To se projevuje jako kožní efekt, kdy maximální proudová hustota je výsledkem dopadu povrchu obrobku na tenkou vrstvu a čím vyšší je frekvence a čím nižší je elektrický odpor ohřívaného materiálu, tím tenčí je vrstva pláště.

U mědi je například při 2 MHz slupka jen čtvrt milimetru! To znamená, že vnitřní vrstvy měděného bloku nejsou ohřívány přímo vířivými proudy, ale vedením tepla z jeho tenké vnější vrstvy. Tato technologie je však dostatečně účinná, aby rychle zahřála nebo roztavila téměř jakýkoli elektricky vodivý materiál.

Staví se moderní indukční ohřívače založené na oscilačním obvodu (cívka-induktor a kondenzátor) napájené přiloženým rezonančním invertorem IGBT nebo MOSFET — tranzistoryumožňující dosáhnout pracovních frekvencí až 300 kHz.

Pro vyšší frekvence se používají elektronky, které umožňují dosáhnout frekvencí 50 MHz a vyšších, např. pro tavení šperků jsou vyžadovány docela vysoké frekvence, protože velikost dílu je velmi malá.

Ke zvýšení činitele kvality pracovních obvodů se uchylují k jednomu ze dvou způsobů: buď zvýšením frekvence, nebo zvýšením indukčnosti obvodu přidáním feromagnetických vložek do jeho konstrukce.

Dielektrický ohřev se také v průmyslu provádí pomocí vysokofrekvenčního elektrického pole. Odlišností od indukčního ohřevu jsou použité aktuální frekvence (až 500 kHz s indukčním ohřevem a více než 1000 kHz s dielektrikem). V tomto případě je důležité, aby ohřívaná látka nevedla dobře elektrický proud, tzn. bylo dielektrikum.

Výhodou metody je generování tepla přímo uvnitř látky. V tomto případě se mohou špatně vodivé látky zevnitř rychle zahřát. Další podrobnosti naleznete zde: Základní fyzikální základy metod vysokofrekvenčního dielektrického ohřevu