Jak działa i działa nagrzewnica indukcyjna
Zasada działania nagrzewnicy indukcyjnej polega na nagrzewaniu metalowego przedmiotu przewodzącego prąd elektryczny za pomocą indukowanego w nim zamkniętego prądu wirowego.
Prądy wirowe to prądy, które powstają w drutach pełnych w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej, gdy druty te są penetrowane przez zmienne pole magnetyczne. Do wytworzenia tych prądów wykorzystywana jest energia, która jest przekształcana w ciepło i nagrzewa przewody.
Aby zmniejszyć te straty i wyeliminować nagrzewanie się, zamiast drutów pełnych stosuje się druty warstwowe, w których poszczególne warstwy oddzielone są izolacją. Ta izolacja zapobiega występowaniu dużych zamkniętych prądów wirowych i zmniejsza straty energii potrzebne do ich utrzymania. Z tych powodów rdzenie transformatorów, tworniki generatorów itp. wykonuje się z cienkich blach stalowych izolowanych od siebie warstwami lakieru.
Cewka indukcyjna w nagrzewnicy indukcyjnej jest cewką prądu przemiennego przeznaczoną do wytwarzania zmiennego pola elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości.
Z kolei zmienne pole magnetyczne o wysokiej częstotliwości oddziałuje na materiał przewodzący prąd elektryczny, wywołując w nim zamknięty prąd o dużej gęstości i tym samym nagrzewając obrabiany przedmiot aż do jego stopienia. Zjawisko to znane jest od dawna i zostało wyjaśnione od czasów Michaela Faradaya, który opisał zjawisko indukcji elektromagnetycznej jeszcze w 1931 roku
Zmienne w czasie pole magnetyczne indukuje zmienne pole elektromagnetyczne w przewodniku, które przecina się z jego liniami sił. Takim drutem może być generalnie uzwojenie transformatora, rdzeń transformatora lub solidny kawałek metalu.
Jeśli EMF jest indukowany w cewce, to powstaje transformator lub odbiornik, a jeśli bezpośrednio w obwodzie magnetycznym lub w zwarciu, wytwarzane jest nagrzewanie indukcyjne obwodu magnetycznego lub cewki.
W źle zaprojektowanym transformatorze, np. ogrzewanie rdzenia przez prądy Foucaulta byłoby jednoznacznie szkodliwe, ale w nagrzewnicy indukcyjnej takie zjawisko służy pożytecznemu celowi.
Z punktu widzenia charakteru obciążenia nagrzewnica indukcyjna z nagrzaną w niej częścią przewodzącą przypomina transformator ze zwartym uzwojeniem wtórnym o jeden obrót. Ponieważ rezystancja wewnątrz przedmiotu obrabianego jest bardzo mała, nawet małe indukowane wirowe pole elektryczne jest wystarczające do wytworzenia prądu o tak dużej gęstości, że jego efekt termiczny (por. Prawo Joule'a-Lenza) byłoby bardzo wyraziste i praktyczne.
Pierwszy piec kanałowy tego typu pojawił się w Szwecji w 1900 roku, był zasilany prądem o częstotliwości 50-60 Hz, służył do wytapiania stalowego kanału i podawania metalu do tygla ustawionego na krótkołańcuchowych obrotach uzwojenia wtórnego transformatora.Problem wydajności był oczywiście obecny, ponieważ wydajność była mniejsza niż 50%.
Obecnie nagrzewnica indukcyjna to bezprzewodowy transformator składający się z jednego lub więcej zwojów stosunkowo grubej miedzianej rurki, przez którą za pomocą pompy pompowane jest chłodziwo aktywnego układu chłodzenia. Prąd przemienny o częstotliwości od kilku kiloherców do kilku megaherców jest przykładany do przewodzącego korpusu rury, podobnie jak cewka indukcyjna, w zależności od parametrów przetwarzanej próbki.
Faktem jest, że przy wysokich częstotliwościach prąd wirowy jest wypierany z próbki ogrzewanej przez sam prąd wirowy, ponieważ pole magnetyczne tego prądu wirowego wypiera prąd, który został wygenerowany w kierunku powierzchni.
Objawia się to jako efekt skóry, gdy maksymalna gęstość prądu wynika z padania powierzchni przedmiotu na cienką warstwę, a im wyższa częstotliwość i mniejszy opór elektryczny nagrzanego materiału, tym cieńsza warstwa otoczki.
Na przykład dla miedzi przy 2 MHz naskórek ma tylko ćwierć milimetra! Oznacza to, że wewnętrzne warstwy kęsa miedzianego nagrzewają się nie bezpośrednio przez prądy wirowe, ale przez przewodzenie ciepła z jego cienkiej warstwy zewnętrznej. Jednak technologia ta jest wystarczająco wydajna, aby szybko ogrzać lub stopić prawie każdy materiał przewodzący prąd elektryczny.
Powstają nowoczesne nagrzewnice indukcyjne oparty na obwodzie oscylacyjnym (cewka-cewka i kondensator) zasilany przez dołączony falownik rezonansowy IGBT lub MOSFET — tranzystorypozwalające osiągnąć częstotliwości pracy do 300 kHz.
W przypadku wyższych częstotliwości stosuje się lampy próżniowe, które umożliwiają osiągnięcie częstotliwości 50 MHz i wyższych, na przykład do topienia biżuterii wymagane są dość wysokie częstotliwości, ponieważ rozmiar części jest bardzo mały.
Aby zwiększyć współczynnik jakości obwodów roboczych, uciekają się do jednego z dwóch sposobów: albo zwiększenia częstotliwości, albo zwiększenia indukcyjności obwodu poprzez dodanie do jego konstrukcji wkładek ferromagnetycznych.
Ogrzewanie dielektryczne jest również przeprowadzane przy użyciu pola elektrycznego o wysokiej częstotliwości w przemyśle. Różnica w stosunku do ogrzewania indukcyjnego polega na stosowanych częstotliwościach prądu (do 500 kHz w przypadku ogrzewania indukcyjnego i ponad 1000 kHz w przypadku dielektryka). W takim przypadku ważne jest, aby podgrzewana substancja nie przewodziła dobrze prądu, tj. był dielektrykiem.
Zaletą tej metody jest wytwarzanie ciepła bezpośrednio wewnątrz substancji. W takim przypadku słabo przewodzące substancje mogą szybko nagrzewać się od wewnątrz. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz tutaj: Podstawowe fizyczne podstawy metod nagrzewania dielektrycznego o wysokiej częstotliwości