Ako funguje a funguje indukčný ohrievač
Princíp činnosti indukčného ohrievača spočíva v ohreve elektricky vodivého kovového obrobku pomocou uzavretého vírivého prúdu, ktorý je v ňom indukovaný.
Vírivé prúdy sú prúdy, ktoré vznikajú v pevných drôtoch v dôsledku javu elektromagnetickej indukcie, keď týmito drôtmi preniká striedavé magnetické pole. Na vytvorenie týchto prúdov sa používa energia, ktorá sa premieňa na teplo a zahrieva vodiče.
Na zníženie týchto strát a elimináciu zahrievania sa namiesto pevných drôtov používajú vrstvené drôty, v ktorých sú jednotlivé vrstvy oddelené izoláciou. Táto izolácia zabraňuje vzniku veľkých uzavretých vírivých prúdov a znižuje energetické straty na ich udržanie. Z týchto dôvodov sú jadrá transformátorov, armatúry generátorov atď. vyrobené z tenkých oceľových plechov, ktoré sú navzájom izolované vrstvami laku.
Induktor v indukčnom ohrievači je cievka so striedavým prúdom určená na vytváranie vysokofrekvenčného striedavého elektromagnetického poľa.
Striedavé vysokofrekvenčné magnetické pole zasa pôsobí na elektricky vodivý materiál, spôsobuje v ňom uzavretý prúd vysokej hustoty a tým ohrieva obrobok, kým sa neroztopí. Tento jav je známy už dlho a bol vysvetlený už od čias Michaela Faradaya, ktorý opísal fenomén elektromagnetickej indukcie ešte v roku 1931
Časovo premenné magnetické pole indukuje vo vodiči striedavé EMF, ktoré sa pretína s jeho siločiarami. Takýmto drôtom môže byť vo všeobecnosti vinutie transformátora, jadro transformátora alebo pevný kus nejakého kovu.
Ak je EMF indukovaný v cievke, potom sa vyrába transformátor alebo prijímač, a ak priamo v magnetickom obvode alebo v skrate, vzniká indukčný ohrev magnetického obvodu alebo cievky.
V zle navrhnutom transformátore, napr. ohrev jadra Foucaultovými prúdmi by bol jednoznačne škodlivý, ale v indukčnom ohrievači takýto jav slúži užitočnému účelu.
Z hľadiska charakteru záťaže je indukčný ohrievač, v ktorom je ohrievaná vodivá časť, ako transformátor so sekundárnym vinutím nakrátko o jeden závit. Pretože odpor vo vnútri obrobku je extrémne malý, aj malé indukované vírivé elektrické pole postačuje na vytvorenie prúdu s takou vysokou hustotou, že jeho tepelný účinok (porov. Joule-Lenzov zákon) by bolo veľmi výrazné a praktické.
Prvá kanálová pec tohto typu sa objavila vo Švédsku v roku 1900, bola napájaná prúdom s frekvenciou 50-60 Hz, používala sa na tavenie oceľového kanála a kov bol privádzaný do téglika usporiadaného krátkoreťazovým rotačným spôsobom. sekundárneho vinutia transformátora.Problém s účinnosťou bol samozrejme prítomný, pretože účinnosť bola nižšia ako 50 %.
Indukčný ohrievač je dnes bezdrôtový transformátor pozostávajúci z jedného alebo viacerých závitov pomerne hrubej medenej rúrky, cez ktorú sa čerpá chladivo aktívneho chladiaceho systému pomocou čerpadla. Striedavý prúd s frekvenciou niekoľko kilohertzov až niekoľko megahertzov sa privádza na vodivé teleso elektrónky, podobne ako induktor, v závislosti od parametrov spracovávanej vzorky.
Faktom je, že pri vysokých frekvenciách sa vírivý prúd vytláča zo vzorky ohriatej samotným vírivým prúdom, pretože magnetické pole tohto vírivého prúdu vytláča prúd, ktorý vznikol smerom k povrchu.
Toto sa prejavuje ako kožný efekt, kedy je maximálna prúdová hustota výsledkom dopadu povrchu obrobku na tenkú vrstvu a čím vyššia je frekvencia a čím nižší je elektrický odpor ohrievaného materiálu, tým tenšia je vrstva plášťa.
Napríklad pre meď pri 2 MHz je šupka len štvrť milimetra! To znamená, že vnútorné vrstvy medeného bloku nie sú ohrievané priamo vírivými prúdmi, ale vedením tepla z jeho tenkej vonkajšej vrstvy. Táto technológia je však dostatočne účinná na rýchle zahriatie alebo roztavenie takmer akéhokoľvek elektricky vodivého materiálu.
Budujú sa moderné indukčné ohrievače založené na oscilačnom obvode (cievka-induktor a kondenzátor) napájaný priloženým rezonančným meničom IGBT alebo MOSFET — tranzistoryumožňujúce dosiahnuť prevádzkové frekvencie až do 300 kHz.
Pre vyššie frekvencie sa používajú vákuové elektrónky, ktoré umožňujú dosiahnuť frekvencie 50 MHz a vyššie, napríklad na tavenie šperkov sú potrebné pomerne vysoké frekvencie, pretože veľkosť dielu je veľmi malá.
Na zvýšenie faktora kvality pracovných obvodov sa uchyľujú k jednému z dvoch spôsobov: buď zvýšenie frekvencie alebo zvýšenie indukčnosti obvodu pridaním feromagnetických vložiek do jeho konštrukcie.
Dielektrický ohrev sa v priemysle uskutočňuje aj pomocou vysokofrekvenčného elektrického poľa. Rozdielom od indukčného ohrevu sú použité frekvencie prúdu (do 500 kHz s indukčným ohrevom a viac ako 1000 kHz s dielektrikom). V tomto prípade je dôležité, aby látka, ktorá sa má zohrievať, neviedla dobre elektrický prúd, t.j. bolo dielektrikom.
Výhodou metódy je generovanie tepla priamo vo vnútri látky. V tomto prípade sa môžu zle vodivé látky zvnútra rýchlo zahriať. Viac podrobností nájdete tu: Základné fyzikálne základy vysokofrekvenčných dielektrických metód ohrevu