KOMPLETNÍ ZAŘÍZENÍ PRO INDUKČNÍ OHŘEV
Uspořádání indukčního ohřevu
Indukční ohřev je elektrický ohřev využívající elektromagnetické indukce. Vložíme-li předmět z elektricky vodivého materiálu dovnitř cívky, jejímž vinutím protéká střídavý proud, indukují se střídavým magnetickým polem v dutině cívky ve vloženém předmětu vířivé proudy. V principu se jedná o transformátor, kde sekundárním vinutím je vsázka (závit nakrátko) a primárním vinutím je cívka, v indukčních ohřevech zvaná induktor. Vířivé proudy vložený předmět (vsázku) zahřívají. Teplo se do vsázky dopravuje střídavým elektromagnetickým polem, tedy nikoli teplotním spádem jako u nepřímých ohřevů, a vzniká přímo v sázce. Vše ostatní v okolí může být chladné. To je velká výhoda indukčního ohřevu.
Teplo ve vsázce se nevyvíjí rovnoměrně v celém průřezu. Např: při ohřevu vsázky válcového tvaru je největší proudová hustota na povrchu a ke středu klesá přibližně exponenciálně. Tento jev se nazývá skinefekt.
jx = Jo e-kx
Hloubka, ve které proudová hustota klesne na hodnotu Jo/e, tj. na 0,368 hustoty na povrchu, se nazývá hloubka vniku δ
kde je:
Pro praxi je vhodné vztah upravit:
Online kalkulátor hloubky vniku
V povrchové vrstvě tloušťky jedné hloubky vniku se vyvíjí 86,5% všeho tepla, ve vrstvě dvou hloubek vniku δ 98%, ve vrstvě 3δ 99,8 % (platí pro válec o průměru větším než 8 δ).
Je zřejmé, že hloubka vniku závisí na kmitočtu proudu induktoru a na měrném odporu a poměrné permeabilitě materiálu vsázky při provozní teplotě vsázky.
Pro názornost uvádíme hloubky vniku mědi a uhlíkové oceli (mm):
| kmitočet [Hz] | 50 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 | 10000 | 20000 | 50000 |
| měď 40°C | 10 | 3,2 | 2,3 | 1,6 | 1,1 | 0,8 | 0,7 | 0,5 | 0,3 |
| ocel 1200°C | 78 | 25 | 17,5 | 12,3 | 8,6 | 6,2 | 5,5 | 3,9 | 2,5 |
Z hlediska provozních nákladů je zajímavá účinnost přenosu energie z induktoru do vsázky - tzv. elektrická účinnost ohřevu. Pro dlouhou cívku a válcovou vsázku lze elektrickou účinnost ηe přibližně vypočítat ze vztahu:
kde je:
Elektrická účinnost klesá se zvětšením poměru D/d, protože se zmenšuje vazba magnetického pole induktoru se vsázkou. Proto není vhodné používat jeden induktor pro velký rozsah průměrů vsázky. Účinnost klesá i se zvětšováním hloubky vniku vsázky. Nízká hloubka vniku se využívá např. pro povrchové kalení, kde se rychlým procesem ohřeje a následně ochladí tenká povrchová vrstva.
Pro tváření (kování) je třeba, aby materiál byl prohřát pokud možno rovnoměrně. Proto se volí pomalejší ohřev, aby se teplo mohlo rozvést ke středu vsázky. Příliš pomalý ohřev však zhoršuje tepelnou účinnost, protože se prodlužuje doba, po kterou materiál zahřátý na vysoké teploty ztrácí teplo sáláním. Rychlejšímu prohřátí napomáhá i zvětšení hloubky vniku. Volí se kompromis kmitočtu pro dosažení potřebného prohřevu při dobré účinnosti přenosu energie z induktoru do vsázky.
Praxe ukázala pro ohřev uhlíkové oceli na 1200°C následující hospodárný rozsah rozměrů vsázky:
| kmitočet [Hz] |
průměr vsázky [mm] |
strana čtvercového průřezu [mm] |
| 50 | 200-600 | 180-550 |
| 250 | 90-250 | 80-225 |
| 500 | 65-180 | 60-160 |
| 1000 | 50-140 | 45-125 |
| 2000 | 35-100 | 30-80 |
| 4000 | 22-65 | 20-60 |
| 8000 | 16-50 | 15-45 |
| 10000 | 15-40 | 14-35 |
| 20000 | 10-30 | 9-25 |
U vsázky plochého tvaru má být tloušťka pasu větší než 2,5 násobek hloubky vniku. Při malé tloušťce se projeví tzv. průzařnost a účinnost ohřevu se sníží, to je třeba vzít v úvahu při návrhu zařízení.
K napájení induktorů kmitočtem vyšším než v distribuční síti (50 Hz) se používají statické měniče kmitočtu tyristorové nebo tranzistorové. Při napájení silových obvodů měniče kmitočtu se převážně používá oddělovací transformátor, jehož úkolem je přizpůsobit napětí sítě požadovanému vstupnímu napětí měniče. Jeho další funkcí je galvanické oddělení silových obvodů měniče a induktoru od sítě. Z bezpečnostních důvodů se měří izolační odpor induktoru proti zemnímu potenciálu. Zapojení transformátoru trojúhelník/hvězda dále potlačuje rušivé pronikání lichých harmonických složek do sítě. Paralelně k induktoru jsou připojeny kompenzační kondenzátory. Jejich kapacita společně s indukčností induktoru určuje pracovní (rezonanční) kmitočet měniče. Tyto kondenzátory navíc kompenzují fázově posunutou složku proudu tekoucí induktorem. Díky tomu teče výstupem měniče několikanásobně nižší proud než induktorem.
Indukční ohřev umožňuje dobrou stabilizaci teploty ohřívaných předmětů. K řízení procesu se ponejvíce užívá volně programovatelných automatů, teplota se většinou měří bezkontaktně pyrometry, při ohřevu hliníku a jeho slitin se používají i termočlánky.
Jednou z výhod indukčního ohřevu v průmyslu je možnost jeho snadné mechanizace a automatizace. Ta snižuje potřebu lidské práce a u velmi výkonných zařízení je dokonce nezbytná.
Indukcí lze ohřívat libovolné elektricky vodivé materiály. Obzvláště výhodný je indukční ohřev feromagnetických materiálů, protože dosahuje velmi vysoké účinnosti. Vsázka může být pevná, kapalná i plazma. Nevodivé materiály lze ohřívat pomocí indukce ve vodivých nádobách (indukční vařič).
Díky svým výhodám má indukční ohřev široké uplatnění:
