เครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำทำงานและทำงานอย่างไร

หลักการทำงานของเครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำประกอบด้วยการให้ความร้อนแก่ชิ้นงานโลหะที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าโดยใช้กระแสไหลวนแบบปิดที่เหนี่ยวนำเข้ามา

กระแสน้ำวนคือกระแสที่เกิดขึ้นในเส้นลวดทึบเนื่องจากปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อเส้นลวดเหล่านี้ถูกแทรกซึมโดยสนามแม่เหล็กกระแสสลับ พลังงานถูกใช้เพื่อสร้างกระแสเหล่านี้ ซึ่งจะถูกแปลงเป็นความร้อนและทำให้สายไฟร้อนขึ้น

เพื่อลดการสูญเสียเหล่านี้และกำจัดความร้อน แทนที่จะใช้ลวดทึบ จะใช้ลวดหลายชั้น ซึ่งฉนวนแต่ละชั้นจะแยกออกจากกัน การแยกนี้ป้องกันการเกิดกระแสน้ำไหลวนขนาดใหญ่แบบปิด และลดการสูญเสียพลังงานเพื่อรักษากระแสดังกล่าว ด้วยเหตุผลเหล่านี้ แกนหม้อแปลง กระดองของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ฯลฯ จึงทำจากแผ่นเหล็กบาง ๆ ที่หุ้มฉนวนจากกันด้วยชั้นเคลือบเงา

ตัวเหนี่ยวนำในเครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำเป็นขดลวดกระแสสลับที่ออกแบบมาเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสลับความถี่สูง

ในทางกลับกัน สนามแม่เหล็กความถี่สูงสลับกันจะกระทำกับวัสดุที่นำไฟฟ้า ทำให้เกิดกระแสปิดที่มีความหนาแน่นสูงในนั้น และทำให้ชิ้นงานร้อนจนหลอมละลาย ปรากฏการณ์นี้เป็นที่รู้จักกันมานานแล้วและได้รับการอธิบายตั้งแต่สมัยของ Michael Faraday ซึ่งเป็นผู้อธิบาย ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ย้อนกลับไปในปี 1931

สนามแม่เหล็กที่แปรผันตามเวลาทำให้เกิด EMF แบบสลับในตัวนำ ซึ่งตัดกับเส้นแรงของมัน โดยทั่วไปแล้วลวดดังกล่าวสามารถเป็นขดลวดหม้อแปลง แกนหม้อแปลง หรือชิ้นส่วนที่เป็นของแข็งของโลหะบางชนิด

ถ้า EMF ถูกเหนี่ยวนำในขดลวด ก็จะมีการผลิตหม้อแปลงหรือตัวรับ และถ้าโดยตรงในวงจรแม่เหล็กหรือในไฟฟ้าลัดวงจร จะเกิดความร้อนเหนี่ยวนำของวงจรแม่เหล็กหรือขดลวด

ตัวอย่างเช่น ในหม้อแปลงที่ออกแบบมาไม่ดี การทำความร้อนแกนโดยกระแส Foucault จะเป็นอันตรายอย่างชัดเจน แต่ในเครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ ปรากฏการณ์ดังกล่าวมีจุดประสงค์ที่เป็นประโยชน์

จากมุมมองของธรรมชาติของโหลด เครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำที่มีส่วนที่เป็นตัวนำความร้อนอยู่ในนั้นเป็นเหมือนหม้อแปลงที่มีขดลวดทุติยภูมิลัดวงจรหนึ่งรอบ เนื่องจากความต้านทานภายในชิ้นงานมีขนาดเล็กมาก แม้แต่สนามไฟฟ้าวนเหนี่ยวนำขนาดเล็กก็เพียงพอที่จะสร้างกระแสที่มีความหนาแน่นสูงจนเกิดผลกระทบจากความร้อน (cf. กฎของจูล-เลนซ์) จะมีความหมายชัดเจนและนำไปใช้ได้จริง

เตาเผาแบบช่องแรกประเภทนี้ปรากฏขึ้นในสวีเดนในปี พ.ศ. 2443 โดยป้อนด้วยกระแสที่มีความถี่ 50-60 เฮิร์ตซ์ ใช้ในการหลอมเหล็กรางน้ำ และป้อนโลหะลงในถ้วยใส่ตัวอย่างที่จัดเรียงในลักษณะการหมุนของโซ่สั้น ของขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงแน่นอนว่าปัญหาด้านประสิทธิภาพนั้นเกิดขึ้นเนื่องจากประสิทธิภาพต่ำกว่า 50%

ปัจจุบัน เครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำเป็นหม้อแปลงไฟฟ้าแบบไร้สายที่ประกอบด้วยท่อทองแดงที่ค่อนข้างหนาหนึ่งรอบหรือมากกว่า ซึ่งผ่านปั๊มสูบน้ำหล่อเย็นของระบบทำความเย็นที่ใช้งานอยู่ กระแสสลับที่มีความถี่หลายกิโลเฮิรตซ์ถึงหลายเมกะเฮิรตซ์ถูกนำไปใช้กับตัวนำไฟฟ้าของท่อ เช่น ตัวเหนี่ยวนำ ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของตัวอย่างที่กำลังประมวลผล

ความจริงก็คือที่ความถี่สูง กระแสไหลวนจะถูกแทนที่จากตัวอย่างที่ได้รับความร้อนจากกระแสไหลวนเอง เนื่องจากสนามแม่เหล็กของกระแสไหลวนนี้จะแทนที่กระแสที่ถูกสร้างขึ้นไปยังพื้นผิว

สิ่งนี้แสดงให้เห็นเป็น ผลกระทบต่อผิวหนังเมื่อความหนาแน่นกระแสสูงสุดเป็นผลมาจากพื้นผิวของชิ้นงานตกลงบนชั้นบาง ๆ และยิ่งความถี่สูงและความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุที่ให้ความร้อนต่ำลง ชั้นของเปลือกก็จะบางลง

ตัวอย่างเช่นสำหรับทองแดงที่ 2 MHz ผิวจะมีขนาดเพียงหนึ่งในสี่ของมิลลิเมตรเท่านั้น! ซึ่งหมายความว่าชั้นในของแท่งทองแดงไม่ได้รับความร้อนโดยตรงจากกระแสน้ำวน แต่โดยการนำความร้อนจากชั้นนอกบางๆ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้มีประสิทธิภาพมากพอที่จะให้ความร้อนอย่างรวดเร็วหรือละลายวัสดุที่นำไฟฟ้าได้เกือบทุกชนิด

มีการสร้างเครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำที่ทันสมัย ขึ้นอยู่กับวงจรสั่น (ตัวเหนี่ยวนำขดลวดและตัวเก็บประจุ) ขับเคลื่อนโดยอินเวอร์เตอร์เรโซแนนซ์ที่ให้มา IGBT หรือ MOSFET — ทรานซิสเตอร์ช่วยให้บรรลุความถี่ในการทำงานสูงถึง 300 kHz

สำหรับความถี่ที่สูงขึ้นจะใช้หลอดสุญญากาศซึ่งทำให้สามารถเข้าถึงความถี่ 50 MHz และสูงกว่าได้ เช่น สำหรับการหลอมเครื่องประดับ ต้องใช้ความถี่ค่อนข้างสูงเนื่องจากขนาดของชิ้นส่วนมีขนาดเล็กมาก

ในการเพิ่มปัจจัยด้านคุณภาพของวงจรการทำงาน พวกเขาใช้วิธีใดวิธีหนึ่งจากสองวิธี: การเพิ่มความถี่หรือเพิ่มความเหนี่ยวนำของวงจรโดยการเพิ่มเม็ดมีดเฟอร์โรแมกเนติกในการก่อสร้าง

การให้ความร้อนแบบไดอิเล็กทริกยังดำเนินการโดยใช้สนามไฟฟ้าความถี่สูงในอุตสาหกรรมอีกด้วย ความแตกต่างจากการให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำคือความถี่ปัจจุบันที่ใช้ (สูงสุด 500 kHz พร้อมการให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำ และมากกว่า 1,000 kHz พร้อมไดอิเล็กตริก) ในกรณีนี้ สิ่งสำคัญคือสารที่ให้ความร้อนจะนำไฟฟ้าได้ไม่ดี นั่นคือ เป็นอิเล็กทริก

ข้อดีของวิธีนี้คือการสร้างความร้อนโดยตรงภายในสาร ในกรณีนี้ สารที่นำไฟฟ้าได้ไม่ดีจะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วจากภายใน สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมดูที่นี่: พื้นฐานทางกายภาพเบื้องต้นของวิธีการให้ความร้อนไดอิเล็กทริกความถี่สูง