Физические основы индукционного нагрева

Общие сведения

Принцип индукционного нагрева* заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию.

В установках индукционного нагрева электромагнитное поле создают индуктором, представляющим собой многовитковую цилиндрическую катушку (соленоид)**. Через индуктор пропускают переменный синусоидальный*** электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени переменное магнитное поле. Это – первое превращение энергии электромагнитного поля, описываемое первым уравнением Максвелла**** (закон полного тока):

rot H = J_nep + J_cм = J_пр + дD/дτ = (1/ρ + jωε_aбс) Е, (140)

где Н и Е – комплексные векторы напряженности магнитного и электрического поля соответственно;
J_neр, J_пр, и J_см – комплексные векторы плотности тока переноса, проводимости и смещения соответственно;
D = ε_абсЕ = ε₀ε_rЕ – комплексный вектор электрической индукции;
ε_абс и ε_r – абсолютная и относительная диэлектрическая проницаемость;
ε₀ – электрическая постоянная, Ф/м; ε₀= 1/(4π9∙10⁹);
ρ– удельное электрическое сопротивление;
ω – угловая частота колебаний электромагнитного поля; ω = 2πf;
f – частота тока.

Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора или рядом с ним. Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданный индуктором, пронизывает нагреваемый объект и индуктирует электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т.е. электрическое поле в нагреваемом объекте носит вихревой характер. Это – второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла (закон электромагнитной индукции):

rot Е = –дВ/дτ= –jωμ_абсН, (141)

где В – комплексный вектор магнитной индукции; В = μ_абсН = μ₀μ_rН;
μ_абс и μ_r – абсолютная и относительная магнитная проницаемость;
μ₀ – магнитная постоянная, Гн/м; μ₀ = 4π∙10^–7.

В нагреваемом электропроводном объекте под действием индуктированного электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости J_пр(вихревые токи), теплогенерация* которых является причиной диссипации энергии электромагнитного поля. Это – третье превращение энергии электромагнитного поля, причем энергетическое соотношение этого превращения описывает закон Джоуля – Ленца [см. формулу (118)]:

q_V = J_пpE = ρ J = Е²/ρ,

где q_V – интенсивность (мощность) объемной теплогенерации.

На величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора: величина магнитного потока, т.е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцепленных с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т.е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцепленного с нагреваемым объектом. Это дает возможность выполнить два типа установок индукционного нагрева, которые различаются по конструкции и по эксплуатационным свойствам: индукционные установки с магнитопроводом и без магнитопровода.

По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают:

1) установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно или через понижающие трансформаторы;

2) установки средней (повышенной) частоты (500...10⁴ Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;

3) высокочастотные установки (66 или 440 кГц), питающиеся от ламповых (электронных) генераторов.

В плавильной индукционной печи без замкнутого магнитопровода расплавляемый металл находится в керамическом тигле*, помещенном внутри цилиндрического многовиткового индуктора. Отсутствие замкнутого магнитопровода значительно увеличивает магнитный поток рассеяния; число магнитных силовых линий, сцепляемых с металлом в тигле, будет крайне мало. Это обстоятельство требует соответствующего увеличения частоты изменения (во времени) электромагнитного поля. Поэтому для эффективной работы ИТП их питают токами средней, а в отдельных случаях и высокой частоты от соответствующих преобразователей частоты тока. Подобные печи имеют очень низкий естественный коэффициент мощности (cos φ ≈ 0,03...0,1), что вызывает необходимость искусственной емкостной компенсации реактивной (индуктивной) мощности.