Jak funguje indukční ohřívač?

Princip činnosti indukčního ohřívače spočívá v ohřevu elektricky vodivého kovového obrobku uzavřeným vířivým proudem, který se v něm indukuje.

Vířivé proudy jsou proudy, které vznikají v pevných vodičích v důsledku jevu elektromagnetické indukce, kdy jsou tyto vodiče proraženy střídavým magnetickým polem. K vytvoření těchto proudů se vynakládá energie, která se mění v teplo a ohřívá vodiče.

Pro snížení těchto ztrát a eliminaci zahřívání se místo plných vodičů používají vrstvené vodiče, u kterých jsou jednotlivé vrstvy odděleny izolací. Tato izolace zabraňuje vzniku velkých uzavřených vířivých proudů a snižuje energetické ztráty na jejich udržení. Právě z těchto důvodů jsou jádra transformátoru, armatury generátorů atd. vyrobena z tenkých ocelových plechů, vzájemně izolovaných vrstvami laku.

Cívka střídavého proudu funguje jako induktor v indukčním ohřívači, který je navržen tak, aby vytvořil střídavé vysokofrekvenční elektromagnetické pole.

Střídavé vysokofrekvenční magnetické pole zase působí na elektricky vodivý materiál, indukuje v něm uzavřený proud o vysoké hustotě, a tím ohřívá obrobek, dokud se neroztaví. Tento jev je znám již dlouhou dobu a lze jej vysvětlit již od dob Michaela Faradaye, který již v roce 1931 popsal fenomén elektromagnetické indukce.

Časově proměnlivé magnetické pole indukuje proměnnou EMF ve vodiči, který pak překříží svými siločárami. Takovým vodičem může být v principu vinutí transformátoru, jádro transformátoru nebo pevný kus nějakého kovu.

Pokud je EMF indukováno ve vinutí, pak se získá transformátor nebo přijímač, a pokud přímo v magnetickém obvodu nebo ve zkratovaném vinutí, získá se indukční ohřev magnetického obvodu nebo vinutí.

Ve špatně navrženém transformátoru by například ohřívání jádra Foucaultovými proudy bylo jednoznačně škodlivé, ale v indukčním ohřívači podobný jev slouží užitečnému účelu.

Z hlediska charakteru zátěže je indukční ohřívač s vodivým obrobkem ohřívaným v něm jako transformátor se zkratovaným sekundárním vinutím o jeden závit. Protože odpor uvnitř obrobku je extrémně malý, stačí i malé indukované vířivé elektrické pole k vytvoření proudu tak vysoké hustoty, že jeho tepelný efekt (viz Joule-Lenzův zákon) by byl velmi výrazný a praktický.

První kanálová pec tohoto druhu se objevila ve Švédsku v roce 1900, byla napájena proudem 50-60 Hz, sloužila k tavení kanálové oceli a kov byl přiváděn do kelímku, umístěného na způsob zkratu. otočení sekundárního vinutí transformátoru. Problém účinnosti samozřejmě existoval, protože účinnost byla nižší než 50 %.

Indukční ohřívač je dnes bezjádrový transformátor, sestávající z jednoho nebo více závitů poměrně silné měděné trubky, kterou pomocí čerpadla prochází chladicí kapalina z aktivního chladicího systému. Do elektricky vodivého tělesa elektronky je stejně jako do indukční cívky přiváděn střídavý proud s frekvencí od několika kilohertzů do několika megahertzů v závislosti na parametrech zpracovávaného vzorku.

Faktem je, že při vysokých frekvencích je vířivý proud vytlačován ze vzorku zahřátého samotným vířivým proudem, protože magnetické pole právě tohoto vířivého proudu vytlačuje proud, který se sám vytvořil, k povrchu.

To se projevuje jako skin efekt, kdy maximální proudová hustota je způsobena tím, že povrch obrobku dopadá na tenkou vrstvu, a čím vyšší je frekvence a čím nižší je elektrický odpor ohřívaného materiálu, tím tenčí je vrstva kůže.

U mědi je například při frekvenci 2 MHz vrstva kůže jen čtvrt milimetru! To znamená, že vnitřní vrstvy měděného bloku nejsou ohřívány přímo vířivými proudy, ale vedením tepla z jeho tenké vnější vrstvy. Účinnost technologie však stačí k rychlému zahřátí nebo roztavení téměř jakéhokoli elektricky vodivého materiálu.

Moderní indukční ohřívače jsou postaveny na bázi oscilačního obvodu (cívka-induktor a kondenzátorová banka), napájených rezonančním měničem na IGBT nebo MOSFET tranzistorech, které umožňují dosažení pracovních frekvencí až 300 kHz.

Pro vyšší frekvence se používají elektronky, které umožňují frekvence 50 MHz a vyšší, například pro tavení ve špercích jsou vyžadovány docela vysoké frekvence, protože obrobek je velmi malý.

Aby zvýšili faktor kvality pracovních obvodů, uchýlí se k jednomu ze dvou způsobů: buď zvýšit frekvenci nebo zvýšit indukčnost obvodu přidáním feromagnetických vložek do jeho konstrukce.

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

Výhodou metody je uvolňování tepla přímo uvnitř látky. V tomto případě mohou být špatně vodivé látky rychle zahřáté zevnitř. Více se o tom dozvíte zde: Základní fyzikální základy metod vysokofrekvenčního ohřevu dielektrik

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře