Kako deluje in deluje indukcijski grelec

Načelo delovanja indukcijskega grelnika je segrevanje električno prevodnega kovinskega obdelovanca s pomočjo zaprtega vrtinčnega toka, induciranega v njem.

Vrtinčni tokovi so tokovi, ki nastanejo v polnih žicah zaradi pojava elektromagnetne indukcije, ko te žice predre izmenično magnetno polje. Za ustvarjanje teh tokov se uporablja energija, ki se pretvori v toploto in segreje žice.

Za zmanjšanje teh izgub in odpravo segrevanja se namesto polnih žic uporabljajo plastne žice, pri katerih so posamezne plasti ločene z izolacijo. Ta izolacija preprečuje pojav velikih zaprtih vrtinčnih tokov in zmanjšuje izgube energije za njihovo vzdrževanje. Zaradi teh razlogov so jedra transformatorjev, armature generatorjev itd. izdelane iz tankih jeklenih pločevin, ki so med seboj izolirane s plastmi laka.

Induktor v indukcijskem grelniku je tuljava izmeničnega toka, zasnovana za ustvarjanje visokofrekvenčnega izmeničnega elektromagnetnega polja.

Izmenično visokofrekvenčno magnetno polje pa deluje na električno prevoden material, v njem povzroči zaprt tok visoke gostote in tako segreje obdelovanec do njegovega taljenja. Ta pojav je znan že dolgo in pojasnjen že od časa Michaela Faradaya, ki je opisal pojav elektromagnetne indukcije davnega leta 1931

Časovno spremenljivo magnetno polje inducira v prevodniku izmenično EMF, ki se seka z njegovimi silnicami. Takšna žica je na splošno lahko navitje transformatorja, jedro transformatorja ali trden kos neke kovine.

Če se EMF inducira v tuljavi, potem nastane transformator ali sprejemnik, če pa neposredno v magnetnem krogu ali v kratkem stiku, nastane indukcijsko segrevanje magnetnega kroga ali tuljave.

V slabo zasnovanem transformatorju npr. segrevanje jedra s Foucaultovimi tokovi bi bil nedvoumno škodljiv, v indukcijskem grelniku pa je takšen pojav uporaben namen.

Z vidika narave obremenitve je indukcijski grelnik z ogrevanim prevodnim delom kot transformator s kratkostičnim sekundarnim navitjem enega obrata. Ker je upor znotraj obdelovanca izjemno majhen, zadostuje že majhno inducirano vrtinčno električno polje, da ustvari tok tako visoke gostote, da njegov toplotni učinek (prim. Joule-Lenzov zakon) bi bilo zelo ekspresivno in praktično.

Prva kanalna peč te vrste se je pojavila na Švedskem leta 1900, napajala se je s tokom s frekvenco 50-60 Hz, uporabljala se je za taljenje jeklenega kanala, kovina pa se je dovajala v lonček, ki je bil razporejen na kratkoverižni vrtljivi način. sekundarnega navitja transformatorja.Problem učinkovitosti je bil seveda prisoten, saj je bila učinkovitost manjša od 50%.

Danes je indukcijski grelnik brezžični transformator, sestavljen iz enega ali več ovojev razmeroma debele bakrene cevi, skozi katero se s črpalko črpa hladilna tekočina aktivnega hladilnega sistema. Izmenični tok s frekvenco od nekaj kilohercev do nekaj megahercev se dovaja na prevodno telo cevi kot induktor, odvisno od parametrov vzorca, ki se obdeluje.

Dejstvo je, da se vrtinčni tok pri visokih frekvencah izpodriva iz vzorca, ki ga segreva sam vrtinčni tok, ker magnetno polje tega vrtinčnega toka izpodriva generirani tok proti površini.

To se kaže kot kožni učinek, ko je največja gostota toka posledica padca površine obdelovanca na tanko plast, in višja kot je frekvenca in manjši električni upor segretega materiala, tanjša je lupinasta plast.

Za baker, na primer, pri 2 MHz je koža le četrt milimetra! To pomeni, da se notranje plasti bakrene gredice ne segrejejo neposredno z vrtinčnimi tokovi, temveč s prevodom toplote iz tanke zunanje plasti. Vendar pa je tehnologija dovolj učinkovita za hitro segrevanje ali taljenje skoraj vseh električno prevodnih materialov.

Gradijo se sodobni indukcijski grelniki na osnovi nihajnega kroga (tuljava-induktor in kondenzator), ki se napaja z vključenim resonančnim pretvornikom IGBT ali MOSFET — tranzistorjiomogoča doseganje delovnih frekvenc do 300 kHz.

Za višje frekvence se uporabljajo vakuumske cevi, ki omogočajo doseganje frekvenc 50 MHz in več, na primer za taljenje nakita so potrebne precej visoke frekvence, saj je velikost dela zelo majhna.

Za povečanje faktorja kakovosti delovnih tokokrogov se zatečejo k enemu od dveh načinov: povečanju frekvence ali povečanju induktivnosti vezja z dodajanjem feromagnetnih vložkov v njegovo konstrukcijo.

Dielektrično ogrevanje se izvaja tudi v industriji z uporabo visokofrekvenčnega električnega polja. Razlika od indukcijskega ogrevanja je v uporabljenih frekvencah toka (do 500 kHz pri indukcijskem ogrevanju in več kot 1000 kHz pri dielektričnem). Pri tem je pomembno, da snov, ki jo segrevamo, slabo prevaja električni tok, tj. je bil dielektrik.

Prednost metode je ustvarjanje toplote neposredno znotraj snovi. V tem primeru se lahko slabo prevodne snovi od znotraj hitro segrejejo. Za več podrobnosti glejte tukaj: Temeljne fizikalne osnove metod visokofrekvenčnega dielektričnega ogrevanja