کوره های القایی

عبور جريان از يك سيم پيچ و استفاده از ميدان مغناطيسي براي ايجاد جريان در هسته سيم پيچ ، اساس كار كوره هاي القايي را تشكيل مي دهد . در اين كوره ها از حرارت ايجاد شده توسط تلفات فوكو و هيسترزيس براي ذوب فلزات يا هرگونه عمليات حرارتي استفاده مي شود .

   نخستين كوره القايي كه مورد بهره برداري قرار گرفت از شبكه اصلي قدرت تغذيه ميشد و هيچگونه تبديل فركانسي صورت نمي گرفت . با توجه به اينكه افزايش فركانس تغذيه كوره موجب كاهش ابعاد آن و بالا رفتن توان (تلفات) مي شود ، براي رسيدن به اين هدف ، در ابتدا منابع تغذيه موتور ژنراتوري مورد استفاده واقع گرديد .

 هر چند با اين منابع مي توان فركانس را تا حدودي بالا برد ، ولي محدوديت فركانس و عدم قابليت تغيير آن و در نهايت عدم تطبيق سيستم تغذيه با كوره ، دو عيب اساسي اين سيستمها به شمار ميرفت . با توجه به اين معايب ورود عناصر نيمه هادي به حيطه صنعت موجب گرديد منابع تغذيه استاتيك جايگزين منابع قبلي شوند .

   در سال 1831 ميلادي مايكل فارادي (Faraday) با ارائه اين مطلب كه اگر از سيم پيچ اوليه اي جريان متغيري عبور كند ، در سيم پيچ ثانويه مجاورش نيز جريان القاء ميشود ، تئوري گرمايش القايي را بنا نهاد . علت اصلي اين پديده القاء ، تغييرات شار در مدار بسته ثانويه است كه از جريان متناوب اوليه ناشي ميشود . نزديك به يكصد سال اين اصل در موتورها، ژنراتورها ، ترانسفورماتور ها ، وسايل ارتباط راديويي و ... بكار گرفته مي شد و هر اثر گرمايي در مدارهاي مغناطيسي به عنوان يك عنصر نا مطلوب شناخته مي شد .

 در راستاي مقابله با اثرات حرارتي در مدارهاي مغناطيسي و الكتريكي از سوي مهندسين گامهاي موثري برداشته شد . آنها توانستند با مورق نمودن هستهِ مغناطيسي موتورها و ترانسفورماتورها ، جريان فوكو(Eddy Current) را كه عامل تلفات حرارتي بود مينيمم نمايند .

   به دنبال آزمايشات فارادي ، قوانين متعددي پيشنهاد شد . قوانين لنز (Lenz) و نيومن (Neuman) نشان دادند كه جريان القاء‌ شده با شار القايي مخالفت كرده و به طور مستقيم با فركتنس متناسب مي باشد . فوكو (Focault) در سال 1863 در مقاله اي تحت عنوان "القاء جريان در هسته" (The Induction Of Current in Cores) كه توسط هويسايد (Heviside) منتشر گرديد نظريه اي راجع به جريان فوكو ارائه داد و در رابطه با انتقال انرژي از يك كويل به يك هسته توپر بحث نمود . علاوه بر افراد فوق ، تامسون (Thomson) نيز در ارائه نظريه گرمايش از طريق القاء سهم بسزايي داشت .

   در اواخر قرن نوزدهم استفاده از تلفات فوكو و هيسترزيس به عنوان منبع گرمايش القائي از طرف مهندسين مطرح شد . همچنين در اوايل قرن اخير در كشورهاي فرانسه ، سوئد و ايتاليا بر اساس استفاده از خازنهاي جبران كننده توان راكتيو پيشنهاداتي براي كوره هاي القايي بدون هسته ارائه شد . در اين پيشنهادات بيشتر ذوب فلزات در فركانسهاي مياني مورد نظر بود .

   دكتر نورث روپ (Northrup) ايده كوره با فركانس مياني را براي موارد صنعتي گسترش داد . در روزهاي نخستين ، بر اثر نبود امكانات از جمله خازنهاي با ظرفيت كافي و قابل اطمينان ، توسعه و پيشرفت متوقف شد . بعدها در سال 1927 كمپاني كوره هاي الكتريكي (Electrical Furnace CO. [EFCO.]) نخستين كوره الكتريكي با فركانس مياني را در شفيلد انگلستان و به منظور آهنگري و گرمادهي موضعي فلزات جهت اتصال به يكديگر ، نصب كرد .

 بعد از اين ، تعداد و اندازه اين كوره ها رو به افزايش گذاشته است . لازم به ذكر است كه مزيتهاي ديگر كوره هاي القايي همچون دقت زياد براي گرم كردن تا عمق مورد نظر و حرارت دادن نواحي سطحي در طي پيشرفتهاي بعدي ( در سالهاي جنگ جهاني دوم ) بيشتر آشكار شد . در گرمايش القايي عدم نياز به منبع خارجي گرم كننده ، تلفات گرمايي كمتر شده و تميزي شرايط كار تامين ميگردد . در اين روش همچنين نيازي به تماس فيزيكي بار و كويل نبوده و علاوه بر اين چگالي توان بالا در مدت زمان گرمايش كم به آساني قابل دسترس مي باشد .

   در ابتدا كوره هاي القايي مستقيماً از شبكه قدرت تغذيه مي شدند كه بنوبه خود گام موفقي در استفاده از توان الكتريكي جهت عمليات حرارتي بحساب ميآمد .

   از آنجائيكه تلفات فوكو و هيسترزيس با فركانس نسبت مستقيم دارند و اينكه ابعاد كويل كوره با بالا رفتن فركانس كاهش مي يابد ، مهندسين به فكر تغذيه كوره در فركانسهاي بالاتر از فركانس شبكه قدرت افتادند . اولين قدم در اين راه استفاده از فركانسهاي دو برابر و سه برابر كه از هارمونيكهاي دوم و سوم بدست مي آمدند ، بود .

اين هارمونيكها بر خلاف طبيعت مخرب خود در اين نوع كاربرد سودمند تشخيص داده شدند . پائين بودن راندمان در استفاده از هارمونيكهاي فوق موجب گرديد طراحان روش ديگري را مورد استفاده قرار دهند در اين مرحله سيستم موتورـژنراتور توسعه يافت كه با استفاده از اين سيستم توانستند فركانس تغذيه را تا صدها هرتز افزايش دهند . در كوره هاي القايي افزايش فركانس باعث كاهش عمق نفوذ جريان القايي ميگردد لذا در عمليات حرارتي سطحي كه سختكاري سطح فلز ، مورد نظر مي باشد از كوره هاي القايي با فركانس بالا استفاده مي شود .

با ورود عناصر نيمه هادي مانند تريستورها ، ترانزيستورها و موسفت ها به حيطه صنعت محدوديت فركانس و عدم تغيير آن ، در تغذيه كوره ها مرتفع شد .

   از لحاظ سيستم قدرت ميتوان سيستمهاي القايي را به چهار دسته اساسي تقسيم نمود :

الف ) سيستمهاي منبع (Supply Systems)در اين سيستمها كه فركانس كار آنها بين 50 تا 60 هرتز و 150 تا 540 هرتز مي باشد احتياجي به تبديل فركانس نيست و با توجه به فركانس كار ،‌ عمق نفوذ جريان زياد بوده و حدود 10 تا 100 ميليمتر مي باشد . همچنين مقدار توان لازم تا حدود چندين صد مگا وات نيز ميرسد .

ب ) سيستمهاي موتورـژنراتور (Motor-Generator Systems)

فركانس اين سيستمها از 500 هرتز تا 10 كيلو هرتز مي باشد . در اين سيستمها تبديل فركانس لازم بوده و اين عمل بوسيله ژنراتورهاي كوپل شده با موتورهاي القايي صورت مي پذيرد . همچنين در اين سيستمها توان به وسيله ماشينهاي 500 كيلو وات تامين ميگردد و براي بدست آوردن توانهاي بالاتر ،‌ از سري كردن ماشينها استفاده ميشود . عمق نفوذ در اين سيستمها به خاطر بالاتر بودن فركانس نسبت به سيستمها منبع ، كمتر بوده و در حدود 1 تا  10 ميليمتر است .

ج ) سيستمهاي مبدل نيمه هادي (Solid-State Converter Systems)

در اين سيستمها فركانس در محدوده HZ 500 تا  KHZ‌ 100 بوده و تبديل فركانس به طرق گوناگوني صورت ميپذيرد . در اين سيستمها از سوئيچهاي نيمه هادي استفاده ميشود و توان مبدل بستگي به نوع كاربرد آن تا حدود MW 2 ميتواند برسد .

د ) سيستمهاي فركانس راديويي (Radio-Frequency System) فركانس كار در اين سيستم در محدوده KHZ 100 تا MHZ 10 مي باشد . از اين سيستمها براي عمق نفوذ جريان بسيار سطحي، در حدود  1/0 تا 2 ميليمتر استفاده مي گردد و در آن از روش گرمايي متمركز با سرعت توليد بالا استفاده ميگردد