کوره‌های القایی و مزایای آن

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز:  کوره‌های القایی در مقایسه با کوره‌های سوخت فسیلی دارای مزایای فراوانی از جمله دقت بیشتر، تمیزی و تلفات گرمایی کمتر و ... است. همچنین در کوره هایی که در آن‌ها از روشهای دیگر، غیر القاء استفاده می‌شود، اندازه کوره بسیار بزرگ بوده و در زمان راه اندازی و خاموش کردن آن‌ها طولانی است. عبور جریان از یک سیم پیچ و استفاده از میدان مغناطیسی برای ایجاد جریان در هسته سیم پیچ، اساس کار کوره‌های القایی را تشکیل می‌دهد. در این کوره‌ها از حرارت ایجاد شده توسط تلفات فوکو و هیسترزیس برای ذوب فلزات یا هرگونه عملیات حرارتی استفاده می‌شود.

نخستین کوره القایی که مورد بهره برداری قرار گرفت از شبکه اصلی قدرت تغذیه میشد و هیچگونه تبدیل فرکانسی صورت نمی‌گرفت. با توجه به اینکه افزایش فرکانس تغذیه کوره موجب کاهش ابعاد آن و بالا رفتن توان (تلفات) می‌شود، برای رسیدن به این هدف، در ابتدا منابع تغذیه موتور ژنراتوری مورد استفاده واقع گردید. هر چند با این منابع می‌توان فرکانس را تا حدودی بالا برد، ولی محدودیت فرکانس و عدم قابلیت تغییر آن و در نهایت عدم تطبیق سیستم تغذیه با کوره، دو عیب اساسی این سیستم‌ها به شمار میرفت. با توجه به این معایب ورود عناصر نیمه هادی به حیطه صنعت موجب گردید منابع تغذیه استاتیک جایگزین منابع قبلی شوند.

در سال ۱۸۳۱ میلادی مایکل فارادی (Faraday) با ارائه این مطلب که اگر از سیم پیچ اولیه‌ای جریان متغیری عبور کند، در سیم پیچ ثانویه مجاورش نیز جریان القاء میشود، تئوری گرمایش القایی را بنا نهاد. علت اصلی این پدیده القاء، تغییرات شار در مدار بسته ثانویه است که از جریان متناوب اولیه ناشی میشود.

 

نزدیک به یکصد سال این اصل در موتورها، ژنراتور‌ها، ترانسفورماتور‌ها، وسایل ارتباط رادیویی و ... بکار گرفته می‌شد و هر اثر گرمایی در مدارهای مغناطیسی به عنوان یک عنصر نا مطلوب شناخته می‌شد. در راستای مقابله با اثرات حرارتی در مدارهای مغناطیسی و الکتریکی از سوی مهندسین گامهای موثری برداشته شد. آن‌ها توانستند با مورق نمودن هستهِ مغناطیسی موتور‌ها و ترانسفورماتور‌ها، جریان فوکو (Eddy Current) را که عامل تلفات حرارتی بود مینیمم نمایند.

به دنبال آزمایشات فارادی، قوانین متعددی پیشنهاد شد. قوانین لنز (Lenz) و نیومن (Neuman) نشان دادند که جریان القاء شده با شار القایی مخالفت کرده و به طور مستقیم با فرکتنس متناسب می‌باشد. فوکو (Focault) در سال ۱۸۶۳ در مقاله‌ای تحت عنوان "القاء جریان در هسته" (The Induction Of Current in Cores) که توسط هویساید (Heviside) منتشر گردید نظریه‌ای راجع به جریان فوکو ارائه داد و در رابطه با انتقال انرژی از یک کویل به یک هسته توپر بحث نمود. علاوه بر افراد فوق، تامسون (Thomson) نیز در ارائه نظریه گرمایش از طریق القاء سهم بسزایی داشت.

در اواخر قرن نوزدهم استفاده از تلفات فوکو و هیسترزیس به عنوان منبع گرمایش القائی از طرف مهندسین مطرح شد. همچنین در اوایل قرن اخیر در کشورهای فرانسه، سوئد و ایتالیا بر اساس استفاده از خازنهای جبران کننده توان راکتیو پیشنهاداتی برای کوره‌های القایی بدون هسته ارائه شد. در این پیشنهادات بیشتر ذوب فلزات در فرکانسهای میانی مورد نظر بود.

دکتر نورث روپ (Northrup) ایده کوره با فرکانس میانی را برای موارد صنعتی گسترش داد. در روزهای نخستین، بر اثر نبود امکانات از جمله خازنهای با ظرفیت کافی و قابل اطمینان، توسعه و پیشرفت متوقف شد. بعد‌ها در سال ۱۹۲۷ کمپانی کوره‌های الکتریکی (Electrical Furnace CO. [EFCO.]) نخستین کوره الکتریکی با فرکانس میانی را در شفیلد انگلستان و به منظور آهنگری و گرمادهی موضعی فلزات جهت اتصال به یکدیگر، نصب کرد.

 

بعد از این، تعداد و اندازه این کوره‌ها رو به افزایش گذاشته است. لازم به ذکر است که مزیتهای دیگر کوره‌های القایی همچون دقت زیاد برای گرم کردن تا عمق مورد نظر و حرارت دادن نواحی سطحی در طی پیشرفتهای بعدی (در سالهای جنگ جهانی دوم) بیشتر آشکار شد. در گرمایش القایی عدم نیاز به منبع خارجی گرم کننده، تلفات گرمایی کمتر شده و تمیزی شرایط کار تامین میگردد. در این روش همچنین نیازی به تماس فیزیکی بار و کویل نبوده و علاوه بر این چگالی توان بالا در مدت زمان گرمایش کم به آسانی قابل دسترس می‌باشد.

در ابتدا کوره‌های القایی مستقیماً از شبکه قدرت تغذیه می‌شدند که بنوبه خود گام موفقی در استفاده از توان الکتریکی جهت عملیات حرارتی بحساب میآمد.

از آنجائیکه تلفات فوکو و هیسترزیس با فرکانس نسبت مستقیم دارند و اینکه ابعاد کویل کوره با بالا رفتن فرکانس کاهش می‌یابد، مهندسین به فکر تغذیه کوره در فرکانسهای بالاتر از فرکانس شبکه قدرت افتادند. اولین قدم در این راه استفاده از فرکانسهای دو برابر و سه برابر که از هارمونیکهای دوم و سوم بدست می‌آمدند، بود.

این هارمونیک‌ها بر خلاف طبیعت مخرب خود در این نوع کاربرد سودمند تشخیص داده شدند. پائین بودن راندمان در استفاده از هارمونیکهای فوق موجب گردید طراحان روش دیگری را مورد استفاده قرار دهند در این مرحله سیستم موتورـژنراتور توسعه یافت که با استفاده از این سیستم توانستند فرکانس تغذیه را تا صد‌ها هرتز افزایش دهند. در کوره‌های القایی افزایش فرکانس باعث کاهش عمق نفوذ جریان القایی میگردد لذا در عملیات حرارتی سطحی که سختکاری سطح فلز، مورد نظر می‌باشد از کوره‌های القایی با فرکانس بالا استفاده می‌شود. با ورود عناصر نیمه هادی مانند تریستور‌ها، ترانزیستور‌ها و موسفت‌ها به حیطه صنعت محدودیت فرکانس و عدم تغییر آن، در تغذیه کوره‌ها مرتفع شد.


از لحاظ سیستم قدرت میتوان سیستمهای القایی را به چهار دسته اساسی تقسیم نمود:

الف.) سیستمهای منبع (Supply Systems)
در این سیستم‌ها که فرکانس کار آن‌ها بین ۵۰ تا ۶۰ هرتز و ۱۵۰ تا ۵۴۰ هرتز می‌باشد احتیاجی به تبدیل فرکانس نیست و با توجه به فرکانس کار، عمق نفوذ جریان زیاد بوده و حدود ۱۰ تا ۱۰۰ میلیمتر می‌باشد. همچنین مقدار توان لازم تا حدود چندین صد مگا وات نیز میرسد.

ب.) سیستمهای موتورـ ژنراتور (Motor-Generator Systems)
فرکانس این سیستم‌ها از ۵۰۰ هرتز تا ۱۰ کیلو هرتز می‌باشد. در این سیستم‌ها تبدیل فرکانس لازم بوده و این عمل بوسیله ژنراتورهای کوپل شده با موتورهای القایی صورت می‌پذیرد. همچنین در این سیستم‌ها توان به وسیله ماشینهای ۵۰۰ کیلو وات تامین میگردد و برای بدست آوردن توانهای بالاتر، از سری کردن ماشین‌ها استفاده میشود. عمق نفوذ در این سیستم‌ها به خاطر بالاتر بودن فرکانس نسبت به سیستم‌ها منبع، کمتر بوده و در حدود ۱ تا ۱۰ میلیمتر است.

ج.) سیستمهای مبدل نیمه هادی (Solid-State Converter Systems)
در این سیستم‌ها فرکانس در محدوده HZ ۵۰۰ تا KHZ ۱۰۰ بوده و تبدیل فرکانس به طرق گوناگونی صورت میپذیرد. در این سیستم‌ها از سوئیچهای نیمه هادی استفاده میشود و توان مبدل بستگی به نوع کاربرد آن تا حدود MW ۲ میتواند برسد.

د.) سیستمهای فرکانس رادیویی (Radio-Frequency System)
فرکانس کار در این سیستم در محدوده KHZ ۱۰۰ تا MHZ ۱۰ می‌باشد. از این سیستم‌ها برای عمق نفوذ جریان بسیار سطحی، در حدود ۱ / ۰ تا ۲ میلیمتر استفاده می‌گردد و در آن از روش گرمایی متمرکز با سرعت تولید بالا استفاده میگردد

 

 

منبع: مرجع مقالات برق