Πώς λειτουργεί και λειτουργεί ένας επαγωγικός θερμαντήρας

Η αρχή λειτουργίας ενός επαγωγικού θερμαντήρα συνίσταται στη θέρμανση ενός ηλεκτρικά αγώγιμου μεταλλικού τεμαχίου επεξεργασίας μέσω ενός κλειστού δινορευτικού ρεύματος που προκαλείται σε αυτό.

Τα δινορεύματα είναι ρεύματα που προκύπτουν σε συμπαγή καλώδια λόγω του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής όταν αυτά τα καλώδια διαπερνά ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Για τη δημιουργία αυτών των ρευμάτων χρησιμοποιείται ενέργεια, η οποία μετατρέπεται σε θερμότητα και θερμαίνει τα καλώδια.

Για τη μείωση αυτών των απωλειών και την εξάλειψη της θέρμανσης, αντί για συμπαγή σύρματα, χρησιμοποιούνται πολυεπίπεδα σύρματα, στα οποία τα επιμέρους στρώματα διαχωρίζονται με μόνωση. Αυτή η απομόνωση αποτρέπει την εμφάνιση μεγάλων κλειστών δινορευμάτων και μειώνει τις απώλειες ενέργειας για τη διατήρησή τους. Είναι για αυτούς τους λόγους που οι πυρήνες των μετασχηματιστών, οι οπλισμοί των γεννητριών κ.λπ., είναι κατασκευασμένοι από λεπτά φύλλα χάλυβα μονωμένα μεταξύ τους με στρώματα βερνικιού.

Ο επαγωγέας σε έναν επαγωγικό θερμαντήρα είναι ένα πηνίο εναλλασσόμενου ρεύματος σχεδιασμένο να δημιουργεί ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο υψηλής συχνότητας.

Το εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο υψηλής συχνότητας, με τη σειρά του, δρα σε ένα ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό, προκαλώντας ένα κλειστό ρεύμα υψηλής πυκνότητας σε αυτό και έτσι θερμαίνει το τεμάχιο εργασίας μέχρι να λιώσει. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό εδώ και πολύ καιρό και έχει εξηγηθεί από την εποχή του Michael Faraday, ο οποίος περιέγραψε φαινόμενο ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής πίσω στο 1931

Το χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο προκαλεί ένα εναλλασσόμενο EMF στον αγωγό, το οποίο τέμνεται με τις γραμμές ισχύος του. Ένα τέτοιο καλώδιο μπορεί γενικά να είναι μια περιέλιξη μετασχηματιστή, ένας πυρήνας μετασχηματιστή ή ένα συμπαγές κομμάτι από κάποιο μέταλλο.

Εάν το EMF επάγεται στο πηνίο, τότε παράγεται ένας μετασχηματιστής ή δέκτης και εάν βρίσκεται απευθείας στο μαγνητικό κύκλωμα ή σε βραχυκύκλωμα, παράγεται επαγωγική θέρμανση του μαγνητικού κυκλώματος ή του πηνίου.

Σε έναν κακοσχεδιασμένο μετασχηματιστή, για παράδειγμα, θέρμανση πυρήνα από ρεύματα Foucault θα ήταν αναμφισβήτητα επιβλαβές, αλλά σε έναν επαγωγικό θερμαντήρα ένα τέτοιο φαινόμενο εξυπηρετεί χρήσιμο σκοπό.

Από την άποψη της φύσης του φορτίου, ένας επαγωγικός θερμαντήρας με ένα αγώγιμο μέρος που θερμαίνεται μέσα του μοιάζει με μετασχηματιστή με δευτερεύουσα περιέλιξη βραχυκυκλώματος μιας στροφής. Δεδομένου ότι η αντίσταση στο εσωτερικό του τεμαχίου εργασίας είναι εξαιρετικά μικρή, ακόμη και ένα μικρό επαγόμενο ηλεκτρικό ηλεκτρικό πεδίο είναι αρκετό για να δημιουργήσει ένα ρεύμα τέτοιας υψηλής πυκνότητας ώστε η θερμική του επίδραση (βλ. Ο νόμος Joule-Lenz) θα ήταν πολύ εκφραστικό και πρακτικό.

Ο πρώτος κλίβανος καναλιού αυτού του τύπου εμφανίστηκε στη Σουηδία το 1900, τροφοδοτήθηκε με ρεύμα με συχνότητα 50-60 Hz, χρησιμοποιήθηκε για την τήξη του χαλύβδινου καναλιού και το μέταλλο τροφοδοτήθηκε σε ένα χωνευτήριο διατεταγμένο με περιστροφικό τρόπο βραχείας αλυσίδας. της δευτερεύουσας περιέλιξης ενός μετασχηματιστή.Το πρόβλημα απόδοσης ήταν φυσικά παρόν καθώς η απόδοση ήταν μικρότερη από 50%.

Σήμερα, ένας επαγωγικός θερμαντήρας είναι ένας ασύρματος μετασχηματιστής που αποτελείται από μία ή περισσότερες στροφές ενός σχετικά παχύ χάλκινου σωλήνα μέσω του οποίου αντλείται το ψυκτικό ενός ενεργού συστήματος ψύξης χρησιμοποιώντας μια αντλία. Ένα εναλλασσόμενο ρεύμα με συχνότητα από πολλά kilohertz έως αρκετά megahertz εφαρμόζεται στο αγώγιμο σώμα του σωλήνα, όπως ένας επαγωγέας, ανάλογα με τις παραμέτρους του δείγματος που υποβάλλεται σε επεξεργασία.

Το γεγονός είναι ότι στις υψηλές συχνότητες το δινορεύμα μετατοπίζεται από το δείγμα που θερμαίνεται από το ίδιο το δινορευματικό ρεύμα, επειδή το μαγνητικό πεδίο αυτού του δινορευματικού ρεύματος μετατοπίζει το ρεύμα που δημιουργήθηκε προς την επιφάνεια.

Αυτό εκδηλώνεται ως αποτέλεσμα του δέρματος, όταν η μέγιστη πυκνότητα ρεύματος είναι το αποτέλεσμα της πτώσης της επιφάνειας του τεμαχίου σε ένα λεπτό στρώμα και όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα και όσο μικρότερη είναι η ηλεκτρική αντίσταση του θερμαινόμενου υλικού, τόσο πιο λεπτό είναι το στρώμα του κελύφους.

Για τον χαλκό, για παράδειγμα, στα 2 MHz, το δέρμα είναι μόνο ένα τέταρτο του χιλιοστού! Αυτό σημαίνει ότι τα εσωτερικά στρώματα του χάλκινου μπιλιέτας δεν θερμαίνονται απευθείας από δινορεύματα, αλλά με αγωγιμότητα θερμότητας από το λεπτό εξωτερικό στρώμα του. Ωστόσο, η τεχνολογία είναι αρκετά αποδοτική ώστε να θερμαίνει ή να λιώνει γρήγορα σχεδόν οποιοδήποτε ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό.

Κατασκευάζονται σύγχρονες επαγωγικές θερμάστρες βασίζεται σε κύκλωμα ταλάντωσης (πηνίο-επαγωγέας και πυκνωτής) που τροφοδοτείται από έναν παρεχόμενο αντιστροφέα συντονισμού IGBT ή MOSFET — τρανζίστορπου επιτρέπει την επίτευξη συχνοτήτων λειτουργίας έως και 300 kHz.

Για υψηλότερες συχνότητες, χρησιμοποιούνται σωλήνες κενού, οι οποίοι καθιστούν δυνατή την επίτευξη συχνοτήτων 50 MHz και υψηλότερες, για παράδειγμα, για την τήξη κοσμημάτων, απαιτούνται αρκετά υψηλές συχνότητες, καθώς το μέγεθος του εξαρτήματος είναι πολύ μικρό.

Για να αυξήσουν τον παράγοντα ποιότητας των κυκλωμάτων εργασίας, καταφεύγουν σε έναν από τους δύο τρόπους: είτε αυξάνοντας τη συχνότητα είτε αυξάνοντας την αυτεπαγωγή του κυκλώματος προσθέτοντας σιδηρομαγνητικά ένθετα στην κατασκευή του.

Η διηλεκτρική θέρμανση πραγματοποιείται επίσης με χρήση ηλεκτρικού πεδίου υψηλής συχνότητας στη βιομηχανία. Η διαφορά από την επαγωγική θέρμανση είναι οι τρέχουσες συχνότητες που χρησιμοποιούνται (έως 500 kHz με επαγωγική θέρμανση και πάνω από 1000 kHz με διηλεκτρικό). Σε αυτή την περίπτωση, είναι σημαντικό η ουσία που θα θερμανθεί να μην άγει καλά τον ηλεκτρισμό, δηλ. ήταν ένα διηλεκτρικό.

Το πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η παραγωγή θερμότητας απευθείας μέσα στην ουσία. Σε αυτή την περίπτωση, οι κακώς αγώγιμες ουσίες μπορούν να θερμανθούν γρήγορα από το εσωτερικό. Για περισσότερες λεπτομέρειες δείτε εδώ: Θεμελιώδη φυσικά θεμέλια μεθόδων διηλεκτρικής θέρμανσης υψηλής συχνότητας