Како ради и ради индукциони грејач

Принцип рада индукционог грејача се састоји у загревању електрично проводног металног радног предмета помоћу затворене вртложне струје индуковане у њему.

Вртложне струје су струје које настају у чврстим жицама услед феномена електромагнетне индукције када ове жице продире наизменичним магнетним пољем. За стварање ових струја користи се енергија, која се претвара у топлоту и загрева жице.

Да би се смањили ови губици и елиминисало загревање, уместо чврстих жица користе се слојевите жице, у којима су појединачни слојеви одвојени изолацијом. Ова изолација спречава појаву великих затворених вртложних струја и смањује губитке енергије за њихово одржавање. Из тих разлога се језгра трансформатора, арматуре генератора и сл. израђују од танких челичних лимова изолованих један од другог слојевима лака.

Индуктор у индукционом грејачу је калем наизменичне струје дизајниран да створи наизменично електромагнетно поље високе фреквенције.

Наизменично високофреквентно магнетно поље, заузврат, делује на електрично проводљив материјал, изазивајући у њему затворену струју велике густине и на тај начин загревајући радни предмет док се не истопи. Овај феномен је одавно познат и објашњен је још од времена Мајкла Фарадаја који је описао феномен електромагнетне индукције давне 1931. године

Временски променљиво магнетно поље индукује наизменичну ЕМФ у проводнику, која се сече са његовим линијама силе. Таква жица генерално може бити намотај трансформатора, језгро трансформатора или чврст комад неког метала.

Ако се ЕМФ индукује у калему, онда се производи трансформатор или пријемник, а ако директно у магнетном колу или у кратком споју, настаје индукционо загревање магнетног кола или завојнице.

У лоше дизајнираном трансформатору, нпр. загревање језгра Фоуцаултовим струјама било би недвосмислено штетно, али у индукционом грејачу такав феномен служи корисној сврси.

Са становишта природе оптерећења, индукциони грејач са загрејаним проводним делом у њему је попут трансформатора са краткоспојним секундарним намотајем од једног окрета. Пошто је отпор унутар радног предмета изузетно мали, чак је и мало индуковано вртложно електрично поље довољно да створи струју тако велике густине да њен топлотни ефекат (уп. Јоуле-Ленцов закон) било би веома експресивно и практично.

Прва каналска пећ овог типа појавила се у Шведској 1900. године, напајала се струјом фреквенције 50-60 Хз, служила је за топљење челичног канала, а метал се убацивао у лончић распоређен на начин кратколанчане ротације. секундарног намотаја трансформатора.Проблем ефикасности је наравно био присутан јер је ефикасност била мања од 50%.

Данас је индукциони грејач бежични трансформатор који се састоји од једног или више завоја релативно дебеле бакарне цеви кроз коју се пумпом пумпа расхладна течност активног система за хлађење. На проводно тело цеви се, попут индуктора, примењује наизменична струја фреквенције од неколико килохерца до неколико мегахерца, у зависности од параметара узорка који се обрађује.

Чињеница је да се при високим фреквенцијама вртложна струја помера из узорка који се загрева самом вртложном струјом, јер магнетно поље ове вртложне струје помера струју која је настала према површини.

Ово се манифестује као ефекат коже, када је максимална густина струје резултат пада површине радног предмета на танак слој, а што је већа фреквенција и мањи електрични отпор загрејаног материјала, слој љуске је тањи.

За бакар, на пример, на 2 МХз, кожа је само четврт милиметра! То значи да се унутрашњи слојеви бакарне гредице не загревају директно вртложним струјама, већ провођењем топлоте из њеног танког спољашњег слоја. Међутим, технологија је довољно ефикасна да брзо загреје или топи готово сваки електрично проводљиви материјал.

Граде се савремени индукциони грејачи на основу осцилационог кола (калем-индуктор и кондензатор) напаја се укљученим резонантним претварачем ИГБТ или МОСФЕТ — транзисториомогућавајући постизање радних фреквенција до 300 кХз.

За веће фреквенције користе се вакуумске цеви које омогућавају достизање фреквенција од 50 МХз и више, на пример, за топљење накита су потребне прилично високе фреквенције, пошто је величина дела веома мала.

Да би повећали фактор квалитета радних кола, прибегавају једном од два начина: или повећањем фреквенције или повећањем индуктивности кола додавањем феромагнетних уметака у његову конструкцију.

Диелектрично загревање се такође врши помоћу високофреквентног електричног поља у индустрији. Разлика од индукционог грејања је у фреквенцијама струје које се користе (до 500 кХз са индукционим грејањем и више од 1000 кХз са диелектриком). У овом случају је важно да супстанца која се загрева не проводи добро електричну енергију, тј. био диелектрик.

Предност методе је стварање топлоте директно унутар супстанце. У овом случају, слабо проводљиве супстанце могу се брзо загрејати изнутра. За више детаља погледајте овде: Основне физичке основе метода високофреквентног диелектричног загревања