گرمایش القایی-اساس کار

گرمایش القایی مقدمه: «گرمایش القایی» یک پروسه گرمایشی بدون تماس است که از الکتریسیته با فرکانس بالا برای حرارت دادن به موادی که از نظر الکتریکی رسانا هستند , استفاده میکند.از آنجاییکه این فرآیند بدون تماس صورت میگیرد,هیچ گونه آلودگی ناشی از پروسه گرمایش را در مواد شاهد نیستیم و از آنجاییکه گرما در حقیقت در خود مواد ایجاد میشود کارایی بالایی را شاهد هستیم.در مقابل این نوع گرمایش ما با دیگر انواع گرمایش مانند شعله آتش و المنت های حرارتی مواجه هستیم. گرمایش القایی چگونه کار میکند؟ منبع الکتریکی با فرکانس بالا جریان متناوب با مقدار زیادی را روانه سیم پیچ میکند.عبور این جریان , میدان مغناطیسی عظیمی را که به سرعت هم تغییر میکند در اطراف سیم پیچ پدید می آورد.قطعه کار مورد نظر ما تحت همین میدان قرار میگیرد. بسته به طبیعت قطعه کار ممکن است اتفاقات مختلفی رخ دهد: میدان مغناطیسی متغیر , در قطعات رسانا جریانی را القا میکند.نوع چینش سیم پیچ و قطعه کار میتواند مانند یک ترانسفورمر در نظر گرفته شود.سیم پیچ مانند اولیه ترانسفورمر عمل القا را انجام داده و قطعه کار مانند ثانویه ترانسفورمر عمل کرده و فرض میشود که ثانویه این ترانس دارای یک دور سیم پیچی بوده و اتصال کوتاه شده باشد.همه این ها باعث میشود که جریان مهیبی از درون قطعه کار بگذرد که با نام جریانات ادی شناخته میشود.علاوه بر این فرکانس بالایی که در این گونه سیستم های گرمایشی مورد استفاده قرار میگیرد, باعث رخ دادن پدیده ای به نام اثر پوسته ای میشود.اثر پوسته ای جریان متغیر القا شده را مجبور میکند که از پوسته ی نازکی نزدیک به سطح قطعه عبور کند. اثر پوسته ای مقاومت موثر فلز را در برابر عبور این جریان عظیم زیاد میکند.به همین علت گرمای ایجاد شده در قطعه بر اثر عبور جریان القایی , قویا زیاد میشود. اگر چه در اینجا گرمایش ناشی از جریانات ادی مفید واقع میشود ولی جالب است بدانید که تولیدکنندگان ترانسفورماتور راه درازی را طی میکنند تا از این جریانات اجتناب کنند.هسته های ورقه ورقه ,هسته ی پود آهن و هسته های فریتی همه برای دست یافتن به این مهم به کار میروند.در مورد ترانسفورماتور ها عبور جریانات ادی به این علت مضر است که باعث گرمایش ترانس شده و انرژی را به هدر میدهد. در مورد فلزات آهنی قضیه چگونه است؟ در مورد فلزات آهنی مانند فولادها , یک مکانیزم گرمایشی دیگر علاوه برجریانات ادی رخ میدهد.میدان مغناطیسی متغیر عظیم درون سیم پیچ , متناوبا کریستالهای آهن را مغناطیسی و غیر مغناطیسی میکند.این سریع معکوس شدن قلمرو های مغناطیسی , باعث ایجاد اصطکاک قابل توجه و در نتیجه گرمایش درون مواد شود.گرمای حاصل از این مکانیزم که با نام تلفات هیسترزیس شناخته میشود,برای موادی که دارای ناحیه بزرگتری در منحنی B-H خود هستند, بیشتر است.این امر فاکتور مهمی در میزان گرمایش القایی تولیدی است ولی تنها در فلزات آهنی رخ میدهد.تلفات هیسترزیس با افزایش فرکا نس افزایش میابد. به همین خاطر است که فلزات آهنی میتوانند تحت گرمایش القایی بیشتری نسبت به فلزات غیر آهنی قرار بگیرند. فولاد در دماهای بالاتر از حدود 700 درجه سانتیگراد خواص مغناطیسی خود را از دست میدهد. به این دما دمای کوری (Curie temperature) گویند. این بدین معناست که در دماهای بالاتر از 700 درجه سانتیگراد مواد آهنی را نمیتوان بواسطه تلفات هیسترزیس حرارت داد و گرمایش القایی تنها توسط جریانات گردابی (ادی) صورت میگیرد.این بدین معناست که در دماهای بالاتر از 700 , بالا بردن دما چالشی تر است. این در مورد فولادهاست ولی در مورد مس و آلومینیوم که غیر مغناطیسی هستند , این چالش از ابتدا مطرح است.در مورد این گونه مواد ,بهترین کار زیاد کردن فرکانس بمنظور ازدیاد اثر پوسته ای است. برای گرمایش القایی چه چیزهایی نیاز داریم؟ 1-منبع الکتریکی با فرکانس بالا 2- سیم پیچ برای ایجاد میدان مغناطیسی 3- قطعه کار رسانا برای ایجاد گرما در عمل سیستم گرمایش القایی کمی پیچیده تر است.مثلا نیاز به یک شبکه تطبیق امپدانس میان منبع فرکانس بالا و سیم پیچ داریم.ویا سیستم خنک کننده آبی. و در عمل: معمولا سیم پیچ را در یک a resonant tank circuit ترکیب میکنند.این عمل مزیت هایی دارد: یکی اینکه هم شکل موج ولتاژ و هم جریان سینوسی میشود. This minimises losses in the inverter by allowing it to benefit from either zero-voltage-switching or zero-current-switching depending on the exact arrangement chosen. . همچنین موج سینوسی با ایجاد سیگنالهای خالص شده و فرکانس های رادیویی ایجاد نکرده و روی تجهیزات دیگر تاثیر نمیگذارد.چند نمونه سیستم رزونانسی را میتوان بکار گرفت: مدار مخزن رزونانس سری: سیم پیچ طوری ساخته شده که در فرکانس دلخواه ,توسط خازن سری با آن تشدید میشود.این امر باعث میشود که یک جریان سینوسی از سیم پیچ عبور کند.رزونانس سری باعث میشود که ولتاژ بسیار بیشتری نسبت به ولتاژ خروجی اینورتر در میان سیم پیچ ایجاد شود.اینورتر جریان سینوسی را تولید می کند ولی در واقع باید تمام جریان عبوری از سیم پیچ را تامین کند.به همین علت سیم پیچ را در چندین دور می پیچند تا جریان کمی در حد چند آمپر تا چند ده آمپر از آن عبور کند.هنگامی که سیم پیچ رزونانس میکند گرمایش القایی تولید میشود. این آرایش بیشتر در غذاپز ها مورد استفاده قرار میگیرد و اینورتر نزدیک به جسمی که میخواهیم به آن حرارت بدهیم قرار میگیرد.عیب اصلی مدار رزونانس سری این است که باید تمام جریان عبوری از سیم پیچ از اینورتر نیز عبور کند.و ایراد دیگر این است که اگر قطعه مناسبی در داخل سیم پیچ نباشد تا مدار را تخلیه کند ,ولتاژ ناشی از رزونانس سری بر روی سیم پیچ میتواند به شدت زیاد شود.بانک خازن نیز باید تحمل ولتاژ بالای رزونانس وکل جریان عبوری از سیم پیچ را دارا باشد. مدار مخزن رزونانس موازی: سیم پیچ طوری ساخته شده که در فرکانس دلخواه ,توسط خازن موازی با آن تشدید میشود. این امر باعث میشود که یک جریان سینوسی از سیم پیچ عبور کند. رزونانس موازی باعث میشود که جریان بسیار بیشتری نسبت به جریان خروجی اینورتر از سیم پیچ عبور کند و تمام جریان عبوری از اینورتر نگذرد.این خاصیت باعث میشود که با همان جریان کم عبوری از اینورتر و سیم های رابط , القایی ده ها برابر صورت پذیرد.توان تلفاتی در اینورتر و سیم ها ناشی از مقاومت سیم کشی و قطعات با مربع شدت جریان متناسب است و عبور جریان کمتر از اینورتر به معنی تلفات کمتر میباشد.همچنین در این حالت میتوان سیم پیچ را در فواصل دورتری قرار داد و نگران تلفات حرارتی در سیم کشی نبود.در این حالت سیم پیچ تنها از چند دور لوله ضخیم مسی تشکیل شده و جریانی در حد صدها و حتی هزاران آمپر از آن میگذرد.به همین دلیل وجود سیستم خنک کننده آبی برای خنک کردن سیمپیچ و بانک خازن ضروری است. در یک مدار رزونانس موازی سیم پیچ را میتوان یک بار رسانا به خازن های "power factor correction" در میان آن در نظر گرفت. خازن های PFC جریانی معادل و مخالف با جریان عظیمی که از سیم پیچ عبور میکند را فراهم میکنند. این قضیه خیلی مهم است که بدانیم این جریان عظیم محدود به سیم پیچ و بانک خازن است و and merely represents reactive power sloshing back-and-forth between the two. در بانک خازن و سیم پیچ همیشه تلفاتی را داریم مانند تلفات دی الکتریک در خازن و ... پس همیشه جریان کوچکی از اینورتر به بانک خازن و سیم پیچ وجود دارد , حتی زمانی که قطعه کار درون سیم پیچ قرار نگرفته باشد.وقتی قطعه درون سیم پیچ قرار میگیرد , تلفاتی را به سیستم تحمیل میکند .به همین دلیل جریان تولیدی بانک خازن زیاد میشود.