İndüksiyon ısıtıcısı - Induction heater

Bir endüksiyon ısıtıcısı her türlü kullanılan ekipman önemli bir parçası olan indüksiyon ısıtma . Tipik olarak bir endüksiyonlu ısıtıcı, orta frekans (MF) veya radyo frekansı (RF) aralıklarında çalışır.

Dört ana bileşen sistemi, modern bir endüksiyonlu ısıtıcının temelini oluşturur

kontrol sistemi, kontrol paneli veya AÇMA/KAPAMA anahtarı; bazı durumlarda bu sistem mevcut olmayabilir
güç ünitesi ( güç invertörü )
iş kafası ( trafo )
ve ısıtma bobini ( indüktör )

Nasıl çalışır

İndüksiyonla ısıtma, güçlü bir manyetik alan kullanarak iletken bir gövdeyi ısıtmanın temassız bir yöntemidir . Besleme (ana şebeke) frekansı 50 Hz veya 60 Hz indüksiyonlu ısıtıcılar, tipik olarak daha düşük yüzey sıcaklıklarının gerekli olduğu daha düşük güçlü endüstriyel uygulamalar için doğrudan elektrik kaynağından beslenen bir bobin içerir. Bazı özel endüksiyon ısıtıcıları, Havacılık güç frekansı olan 400 Hz'de çalışır.

İki ısıtma sistemi çoğunlukla fiziksel olarak birbirinden çok farklı olduğundan, indüksiyonlu ısıtma indüksiyonlu pişirme ile karıştırılmamalıdır. Özellikle, indüksiyonlu ısıtma (diğer adıyla dövme) sistemleri, üzerlerinde yapılacak iş için onları 2500 °C'ye kadar yüksek sıcaklıklara çıkarmak için uzun metal çubuklar ve levhalarla çalışır.

Ana ekipman bileşenleri

Bir indüksiyon ısıtıcısı tipik olarak üç elemandan oluşur.

Güç ünitesi

Genellikle invertör veya jeneratör olarak anılır. Sistemin bu kısmı şebeke frekansını alıp 10 Hz ile 400 kHz arasında herhangi bir yere yükseltmek için kullanılır . Bir ünite sisteminin tipik çıkış gücü 2 kW ila 500 kW arasındadır .

çalışma kafası

Bu, kapasitörler ve transformatörlerin bir kombinasyonunu içerir ve güç ünitesini çalışma bobiniyle eşleştirmek için kullanılır.

Çalışma bobini

İndüktör olarak da bilinen bobin, enerjiyi güç ünitesinden ve çalışma kafasından iş parçasına aktarmak için kullanılır. İndüktörler , bir mandrel etrafına sarılmış birkaç tur bakır borudan oluşan basit bir sargılı solenoidden katı bakırdan işlenmiş, lehimlenmiş ve lehimlenmiş hassas bir parçaya kadar çeşitlilik gösterir . İndüktör, ısıtmanın gerçekleştiği alan olduğundan, bobin tasarımı sistemin en önemli unsurlarından biridir ve başlı başına bir bilimdir.

Tanımlar

Radyo frekansı ( RF ) endüksiyon jeneratörleri, 100 kHz'den 10 MHz'e kadar olan frekans aralığında çalışır . Çoğu indüksiyonlu ısıtma cihazı (indüksiyon frekansı kontrollü) 100 kHz ila 200 kHz frekans aralığına sahiptir. Çıkış aralığı tipik olarak 2,5 kW ila 40 kW içerir. Bu serideki endüksiyonlu ısıtıcılar, daha küçük bileşenler ve bir motor valfini endüksiyonla sertleştirme gibi uygulamalar için kullanılır .

MF endüksiyon jeneratörleri 1 kHz'den 10 kHz'e kadar çalışır. Çıkış aralığı tipik olarak 50 kW ila 500 kW arasındadır. Bu aralıklardaki indüksiyonlu ısıtıcılar, orta ila büyük bileşenlerde ve bir şaftın indüksiyonla dövülmesi gibi uygulamalarda kullanılır .

Şebeke (veya besleme ) frekans indüksiyon bobinleri, doğrudan standart AC kaynağından sürülür. Şebeke frekanslı endüksiyon bobinlerinin çoğu, tek fazlı çalışma için tasarlanmıştır ve bölgesel ısıtma veya tamburlu ısıtıcı gibi düşük sıcaklıkta yüzey alanı ısıtması için tasarlanmış düşük akımlı cihazlardır .

Tarih

Endüksiyonla ısıtma ile ilgili temel ilke , 1831 gibi erken bir tarihte Michael Faraday tarafından keşfedildi . Faraday'in çalışması, bir pil tarafından sağlanan anahtarlı bir DC kaynağının ve bir demir çekirdeğin etrafına sarılı iki bakır tel sargısının kullanılmasını içeriyordu . Anahtar kapatıldığında , ikincil sargıda bir galvanometre vasıtasıyla ölçülebilen anlık bir akımın aktığı kaydedildi . Devre enerjili kalırsa, akım akmayı durdurdu. Anahtar açıldığında, ikincil sargıda yine bir akım aktı, ancak ters yönde. Faraday, iki sargı arasında fiziksel bir bağlantı bulunmadığından, ikincil bobindeki akımın birinci bobinden indüklenen bir voltajdan kaynaklanması gerektiği ve üretilen akımın manyetik akının değişim hızı ile doğru orantılı olduğu sonucuna varmıştır. .

Başlangıçta, istenmeyen ısıtma etkilerinin lamine bir çekirdek kullanılarak kontrol edildiği transformatör , motor ve jeneratörlerin tasarımında ilkeler kullanılmaya başlandı .

20. yüzyılın başlarında mühendisler , çeliği eritmek amacıyla indüksiyonun ısı üreten özelliklerinden yararlanmanın yollarını aramaya başladılar . Bu erken çalışma, orta frekanslı (MF) akımı oluşturmak için motor jeneratörlerini kullandı, ancak uygun alternatörlerin ve doğru boyutta kapasitörlerin eksikliği erken girişimleri engelledi. Ancak, 1927'de ilk MF indüksiyon eritme sistemi EFCO tarafından İngiltere'nin Sheffield kentinde kuruldu .

Aynı zaman mühendis etrafında At Midvale Steel ve Amerika'da Ohio Krank Şirketi lokalize yüzey üretmek için MF akımının yüzey ısıtma etkisini kullanmaya kalkışan edildi sertleşme davayı içinde krank milleri . Bu çalışmanın çoğu 1920 ve 3000 Hz frekanslarında gerçekleşti, çünkü bunlar mevcut ekipmanla üretilmesi en kolay frekanslardı. Birçok teknoloji tabanlı alanda olduğu gibi, araç parçaları ve mühimmat üretiminde endüksiyonlu ısıtmanın kullanımında büyük gelişmelere yol açan İkinci Dünya Savaşı'nın başlangıcıydı.

Zamanla, teknoloji gelişti ve 3 ila 10 kHz frekans aralığındaki güç çıkışları 600 kW'a kadar olan üniteler, endüksiyonla dövme ve büyük endüksiyonla sertleştirme uygulamalarında yaygın hale geldi . Motor jeneratörü, 1960'ların sonlarında ve 1970'lerin başlarında yüksek voltajlı yarı iletkenlerin ortaya çıkışına kadar MF güç üretiminin temel dayanağı olarak kalacaktı .

Evrimsel sürecin başlarında, mühendisler için daha yüksek bir radyo frekans aralığı ekipmanı üretme yeteneğinin daha fazla esneklikle sonuçlanacağı ve bir dizi alternatif uygulama açacağı açık hale geldi. Bu daha yüksek RF güç kaynaklarını 200 ila 400 kHz aralığında çalışacak şekilde üretmek için yöntemler arandı.

Bu özel frekans aralığındaki gelişme, her zaman radyo vericisi ve televizyon yayıncılığı endüstrisininkileri yansıtmıştır ve aslında bu amaç için geliştirilmiş bileşen parçalarını sıklıkla kullanmıştır. İlk üniteler kıvılcım aralığı teknolojisini kullanıyordu, ancak sınırlamalar nedeniyle yaklaşımın yerini hızla çok elektrotlu termiyonik triyot (valf) tabanlı osilatörlerin kullanımı aldı. Gerçekten de, endüstrideki öncülerin çoğu aynı zamanda radyo ve telekomünikasyon endüstrisiyle de çok ilgiliydi ve Phillips , English Electric ve Redifon gibi şirketlerin hepsi 1950'ler ve 1960'larda endüksiyonlu ısıtma ekipmanı imalatında yer aldı.

Bu teknolojinin kullanımı 1990'ların başına kadar devam etti ve bu noktada teknolojinin yerini güç MOSFET ve IGBT katı hal ekipmanı aldı. Bununla birlikte, hala var olan birçok valf osilatörü vardır ve 5 MHz ve üzerindeki aşırı frekanslarda bunlar genellikle tek uygulanabilir yaklaşımdır ve hala üretilmektedir.

Ana frekans indüksiyonlu ısıtıcılar, parça parçaların veya çelik kapların toplu işlem hattının bir parçası olarak ısıtılması gereken radyan ısıtmaya kıyasla nispeten düşük maliyetleri ve termal verimlilikleri nedeniyle imalat endüstrisinde hala yaygın olarak kullanılmaktadır .

Valf osilatörü tabanlı güç kaynağı

Esnekliği ve potansiyel frekans aralığı nedeniyle, valf osilatör bazlı indüksiyon ısıtıcısı son yıllara kadar endüstride yaygın olarak kullanılıyordu. 1 kW'tan 1 MW'a kadar güçlerde ve 100 kHz'den birçok MHz'e kadar bir frekans aralığında hazır olarak bulunan bu tip ünite, lehimleme ve sert lehimleme, indüksiyonla sertleştirme, boru kaynağı ve indüksiyonlu shrink fiting dahil binlerce uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır . Ünite üç temel unsurdan oluşur:

Yüksek voltajlı DC güç kaynağı

DC ( doğru akım ) güç kaynağı, standart bir hava veya su soğutmalı yükseltici transformatörden ve osilatöre güç sağlamak için tipik olarak 5 ila 10 kV arasında voltaj üretebilen bir yüksek voltaj doğrultucu ünitesinden oluşur. Osilatöre gerekli akımı sağlamak için ünitenin doğru kilovolt-amperde (kVA) derecelendirilmesi gerekir. Erken doğrultucu sistemleri, GXU4 (yüksek güçlü yüksek voltajlı yarım dalga doğrultucu) gibi valf doğrultucuları içeriyordu, ancak bunların yerini nihayetinde yüksek voltajlı katı hal doğrultucuları aldı.

Kendinden heyecan verici 'C' sınıfı osilatör

Osilatör devresi, iş bobinine uygulandığında parçayı ısıtan manyetik alanı oluşturan yüksek frekanslı elektrik akımının yaratılmasından sorumludur. Devrenin temel elemanları bir endüktans (tank bobini) ve bir kapasitans (tank kondansatörü) ve bir osilatör valfidir. Temel elektrik prensipleri, bir kapasitör ve indüktör içeren bir devreye voltaj uygulanırsa, devrenin, itilen bir salınımla hemen hemen aynı şekilde salınacağını belirtir. Salınımımızı bir benzetme olarak kullanırsak, doğru zamanda tekrar itmezsek, salınım kademeli olarak duracaktır, bu osilatörde aynıdır. Valfin amacı, salınımları sürdürmek için enerjinin osilatöre doğru zamanda geçmesine izin verecek bir anahtar görevi görmektir. Anahtarlamayı zamanlamak için , cihazı etkin bir şekilde bloke eden veya ateşleyen veya doğru zamanda iletmesine izin veren triyotun ızgarasına az miktarda enerji geri beslenir . Bu sözde ızgara yanlılığı, osilatörün bir Colpitts, Hartley osilatörü , Armstrong tickler veya bir Meissner olmasına bağlı olarak kapasitif, iletken veya endüktif olarak türetilebilir .

Güç kontrolü araçları

Sistem için güç kontrolü çeşitli yöntemlerle sağlanabilir. Birçok sonraki gün birimleri , giriş transformatörüne giden birincil voltajı değiştiren bir tam dalga AC ( alternatif akım ) sürücüsü aracılığıyla çalışan tristör güç kontrolüne sahiptir . Daha geleneksel yöntemler , giriş voltajını kontrol etmek için üç fazlı varyakları ( ototransformatör ) veya motorlu Brentford tipi voltaj regülatörlerini içerir. Diğer bir çok popüler yöntem, bir hava boşluğu ile ayrılmış birincil ve ikincil sargıya sahip iki parçalı bir tank bobini kullanmaktı. Güç kontrolü, iki bobinin birbirlerine göre fiziksel olarak hareket ettirilerek manyetik kuplajının değiştirilmesinden etkilenmiştir.

Katı hal güç kaynakları

İndüksiyonla ısıtmanın ilk günlerinde, motor-jeneratör , 10 kHz'e kadar MF gücünün üretimi için yaygın olarak kullanıldı. Bir AC jeneratörü çalıştıran standart bir endüksiyon motoru kullanarak 150 Hz gibi besleme frekansının katlarını üretmek mümkün olsa da, sınırlamalar vardır. Bu tip jeneratörlerde rotora monteli sargılar bulunur ve bu sargılar üzerindeki merkezkaç kuvvetleri nedeniyle rotorun çevresel hızı sınırlanır. Bu, makinenin çapını ve dolayısıyla gücünü ve fiziksel olarak yerleştirilebilecek kutup sayısını sınırlama etkisine sahipti ve bu da maksimum çalışma frekansını sınırladı.

Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için indüksiyonlu ısıtma endüstrisi indüktör-jeneratöre döndü. Bu tür makinelerde, bir dizi delikli demir laminasyondan yapılmış dişli bir rotor bulunur. Uyarım ve ac sargılar her iki stator üzerine monte edilir, böylece rotor verilen bir çap olarak daha büyük olması için izin yukarıda belirtilen standart AC jeneratörünün daha yüksek bir çevresel hızda döndürülebilir kompakt bir katı yapı bu nedenle, RPM . Bu daha büyük çap, daha fazla sayıda kutbun yerleştirilmesine izin verir ve Lorenz ayar koşulu veya 1 ila 10 kHz frekansların üretilmesine izin veren Guy kanal açma gibi karmaşık kanal açma düzenlemeleriyle birleştirildiğinde .

Tüm dönen elektrikli makinelerde olduğu gibi, akı varyasyonlarını en üst düzeye çıkarmak için yüksek dönüş hızları ve küçük boşluklar kullanılır. Bu, kullanılan yatakların kalitesine ve rotorun sertliği ve doğruluğuna çok dikkat edilmesini gerektirir. Alternatör tahriki, alışılagelmişlik ve basitlik için normalde standart bir endüksiyon motoruyla sağlanır. Hem dikey hem de yatay konfigürasyonlar kullanılır ve çoğu durumda motor rotoru ve jeneratör rotoru, kaplinsiz ortak bir şaft üzerine monte edilir. Tüm tertibat daha sonra motor statorunu ve jeneratör statörünü içeren bir çerçeveye monte edilir . Tüm yapı, bir ısı eşanjörü ve gerektiğinde su soğutma sistemleri içeren bir hücre içine monte edilmiştir.

Motor-jeneratör, 1970'lerin başında katı hal teknolojisinin ortaya çıkışına kadar orta frekanslı güç üretiminin temel dayanağı haline geldi .

1970'lerin başında, katı hal anahtarlama teknolojisinin ortaya çıkışı, geleneksel endüksiyonlu ısıtma güç üretim yöntemlerinden bir değişim gördü. Başlangıçta bu, ayrı elektronik kontrol sistemleri kullanarak 'MF frekans aralığını oluşturmak için tristörlerin kullanımıyla sınırlıydı.

Son teknoloji ürünü birimler artık 'MF' ve 'RF' akımını üretmek için SCR ( silikon kontrollü doğrultucu ), IGBT veya MOSFET teknolojilerini kullanmaktadır. Modern kontrol sistemi tipik olarak, baskılı devre kartlarının üretimi için PIC, PLC ( programlanabilir mantık kontrolörü ) teknolojisi ve yüzeye montaj üretim tekniklerini kullanan dijital mikroişlemci tabanlı bir sistemdir . Katı hal artık piyasaya hakimdir ve 1 kHz'den 3 MHz'e kadar frekanslarda 1 kW'dan birçok megawatt'a kadar olan birimler, çift frekanslı birimler de dahil olmak üzere artık mevcuttur.

Yarı iletkenler kullanılarak MF ve RF gücünün üretilmesinde bir dizi teknik kullanılır, kullanılan gerçek teknik genellikle karmaşık bir dizi faktöre bağlıdır. Tipik jeneratör, bir akım veya voltaj beslemeli bir topoloji kullanacaktır. Kullanılan gerçek yaklaşım, gerekli güç, frekans, bireysel uygulama, başlangıç maliyeti ve sonraki çalıştırma maliyetlerinin bir fonksiyonu olacaktır. Bununla birlikte, kullanılan yaklaşımdan bağımsız olarak, tüm birimler dört farklı öğeye sahip olma eğilimindedir:

AC'den DC'ye doğrultucu

Bu, şebeke besleme voltajını alır ve onu 50 veya 60 Hz besleme frekansından dönüştürür ve ayrıca 'DC'ye dönüştürür. Bu, değişken bir DC voltajı, sabit bir DC voltajı veya değişken bir DC akımı sağlayabilir. Değişken sistemler söz konusu olduğunda, sistem için genel güç kontrolü sağlamak için kullanılırlar. Sabit voltajlı doğrultucuların, alternatif bir güç kontrolü aracıyla birlikte kullanılması gerekir. Bu, bir anahtar modu regülatörü kullanılarak veya invertör bölümünde çeşitli kontrol yöntemleri kullanılarak yapılabilir.

DC'den AC'ye dönüştürücü

İnvertör ilgili frekansta tek fazlı AC çıkışına DC kaynağı dönüştürür. Bu, SCR, IGBT veya MOSFETS'i içerir ve çoğu durumda bir H köprüsü olarak yapılandırılır . H köprüsünün her birinde bir anahtar bulunan dört ayağı vardır, çıkış devresi cihazların merkezine bağlanır. İlgili iki anahtar kapalı olduğunda, akım yük boyunca bir yönde akar, bu anahtarlar daha sonra açılır ve karşıt iki anahtar kapanır ve akımın ters yönde akmasına izin verir. Anahtarların açılıp kapanmasını hassas bir şekilde zamanlayarak, yük devresindeki salınımları sürdürmek mümkündür.

çıkış devresi

Çıkış devresi, inverterin çıkışını bobinin gerektirdiği ile eşleştirme işine sahiptir. Bu, en basit haliyle bir kapasitör olabilir veya bazı durumlarda kapasitör ve transformatörlerin bir kombinasyonunu içerecektir.

Kontrol sistemi

Kontrol bölümü, yük devresindeki, invertördeki tüm parametreleri izler ve çıkış devresine enerji sağlamak için uygun zamanda anahtarlama darbeleri sağlar. İlk sistemler, anahtarlama sürelerini, akım sınırlarını, voltaj sınırlarını ve frekans açmalarını ayarlamak için değişken potansiyometreli ayrı elektroniklere sahipti . Bununla birlikte, mikrodenetleyici teknolojisinin ortaya çıkmasıyla , gelişmiş sistemlerin çoğu artık dijital kontrol özelliğine sahiptir.

Gerilim beslemeli invertör

Gerilim beslemeli invertör , invertör girişinde bir filtre kapasitörüne ve bir seri rezonans çıkış devresine sahiptir. Voltaj beslemeli sistem son derece popülerdir ve 10 kHz'e kadar SCR'ler, 100 kHz'e kadar IGBT'ler ve 3 MHz'e kadar MOSFET'ler ile kullanılabilir. Paralel yüke seri bağlantılı voltaj beslemeli bir invertör, üçüncü derece sistem olarak da bilinir. Temelde bu katı duruma benzer, ancak bu sistemde seri bağlı dahili kapasitör ve indüktör, paralel bir çıkış tankı devresine bağlanır. Bu tip sistemin başlıca avantajı, dahili devrenin çıkış devresini etkin bir şekilde izole etmesi nedeniyle invertörün sağlamlığıdır, bu da anahtarlama bileşenlerini bobin flash-over'ları veya uyumsuzluk nedeniyle hasara karşı daha az duyarlı hale getirir.

Akım beslemeli invertör

Akımla beslenen inverter, inverter köprüsüne girişte büyük bir endüktör tarafından takip edilen değişken bir DC girişi kullanması bakımından voltajla beslenen sistemden farklıdır. Güç devresi paralel bir rezonans devresine sahiptir ve tipik olarak 1 kHz ila 1 MHz çalışma frekanslarına sahip olabilir. Voltaj beslemeli sistemde olduğu gibi, SCR'ler tipik olarak 10 kHz'e kadar kullanılır ve IGBT'ler ve MOSFET'ler daha yüksek frekanslarda kullanılır.

Uygun malzemeler

Uygun malzemeler , bu malzemenin Curie sıcaklığının altında ısıtılan yüksek geçirgenliğe (100-500) sahip olanlardır .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Notlar

bibliyografya

Rudnev, Valery; Sevgisiz Don; Aşçı, Raymond; Black, Micah (2002), İndüksiyonlu Isıtma El Kitabı , CRC Press, ISBN 0-8247-0848-2.

Languages

In other projects