کوره هاي القايي

   کوره هاي القايي در مقايسه با کوره هاي سوخت فسيلي داراي مزاياي فراواني از جمله دقت بيشتر ، تميزي و تلفات گرمايي کمتر و … است . همچنين در کوره هايي که در آنها از روشهاي ديگر ، غير القاء استفاده مي شود ، اندازه کوره بسيار بزرگ بوده و در زمان راه اندازي و خاموش کردن آنها طولاني است . عبور جريان از يک سيم پيچ و استفاده از ميدان مغناطيسي براي ايجاد جريان در هسته سيم پيچ ، اساس کار کوره هاي القايي را تشکيل مي دهد . در اين کوره ها از حرارت ايجاد شده توسط تلفات فوکو و هيسترزيس براي ذوب فلزات يا هرگونه عمليات حرارتي استفاده مي شود

    کوره هاي القايي در مقايسه با کوره هاي سوخت فسيلي داراي مزاياي فراواني از جمله دقت بيشتر ، تميزي و تلفات گرمايي کمتر و … است . همچنين در کوره هايي که در آنها از روشهاي ديگر ، غير القاء استفاده مي شود ، اندازه کوره بسيار بزرگ بوده و در زمان راه اندازي و خاموش کردن آنها طولاني است . عبور جريان از يک سيم پيچ و استفاده از ميدان مغناطيسي براي ايجاد جريان در هسته سيم پيچ ، اساس کار کوره هاي القايي را تشکيل مي دهد . در اين کوره ها از حرارت ايجاد شده توسط تلفات فوکو و هيسترزيس براي ذوب فلزات يا هرگونه عمليات حرارتي استفاده مي شود .

    نخستين کوره القايي که مورد بهره برداري قرار گرفت از شبکه اصلي قدرت تغذيه ميشد و هيچگونه تبديل فرکانسي صورت نمي گرفت . با توجه به اينکه افزايش فرکانس تغذيه کوره موجب کاهش 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 فرکانس را تا حدودي بالا برد ، ولي محدوديت فرکانس و عدم قابليت تغيير آن و در نهايت عدم تطبيق سيستم تغذيه با کوره ، دو عيب اساسي اين سيستمها به شمار ميرفت . با توجه به اين معايب ورود عناصر نيمه هادي به حيطه صنعت موجب گرديد منابع تغذيه استاتيک جايگزين منابع قبلي شوند .

    در سال 1831 ميلادي مايکل فارادي (Faraday) با ارائه اين مطلب که اگر از سيم پيچ اوليه اي جريان متغيري عبور کند ، 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 که از جريان متناوب اوليه ناشي ميشود . نزديک به يکصد سال اين اصل در موتورها، ژنراتورها ، ترانسفورماتور ها ، وسايل ارتباط راديويي و … بکار گرفته مي شد و هر اثر گرمايي در مدارهاي مغناطيسي به عنوان يک عنصر نا مطلوب شناخته مي شد . در راستاي مقابله با اثرات حرارتي در مدارهاي مغناطيسي و الکتريکي از سوي مهندسين گامهاي موثري برداشته شد . آنها توانستند با مورق نمودن هستهِ مغناطيسي موتورها و ترانسفورماتورها ، جريان فوکو(Eddy Current) را که عامل تلفات حرارتي بود مينيمم نمايند .

    به دنبال آزمايشات فارادي ، قوانين متعددي پيشنهاد شد . قوانين لنز (Lenz) و نيومن (Neuman) نشان دادند که جريان القاء‌ شده با شار القايي مخالفت کرده و به طور مستقيم با فرکتنس متناسب مي باشد . فوکو (Focault) در سال 1863 در مقاله اي تحت عنوان "القاء جريان در هسته" (The Induction Of Current in Cores) که توسط هويسايد (Heviside) منتشر گرديد نظريه اي راجع به جريان فوکو ارائه داد و در رابطه با انتقال انرژي از يک کويل به يک 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 فوکو و هيسترزيس به عنوان منبع گرمايش القائي از طرف مهندسين مطرح شد . همچنين در اوايل قرن اخير در کشورهاي فرانسه ، سوئد و ايتاليا بر اساس استفاده از خازنهاي جبران کننده توان راکتيو پيشنهاداتي براي کوره هاي القايي بدون هسته ارائه شد . در اين پيشنهادات بيشتر ذوب فلزات در فرکانسهاي مياني مورد نظر بود .

    دکتر نورث روپ (Northrup) ايده کوره با فرکانس مياني را براي موارد صنعتي گسترش داد . در روزهاي نخستين ، بر اثر نبود امکانات از جمله خازنهاي با ظرفيت کافي و قابل اطمينان ، توسعه و پيشرفت متوقف شد . بعدها در سال 1927 کمپاني کوره هاي الکتريکي (Electrical Furnace CO. [EFCO.]) نخستين کوره الکتريکي با فرکانس مياني را در شفيلد انگلستان و به منظور آهنگري و گرمادهي موضعي فلزات جهت اتصال به يکديگر ، نصب کرد . بعد از اين ، تعداد و اندازه اين کوره ها رو به افزايش گذاشته است . لازم به ذکر است که مزيتهاي ديگر کوره هاي القايي همچون دقت زياد براي گرم کردن تا عمق مورد نظر و حرارت دادن نواحي سطحي در طي پيشرفتهاي بعدي ( در سالهاي جنگ جهاني دوم ) بيشتر آشکار شد . در گرمايش القايي عدم نياز به منبع خارجي گرم کننده ، تلفات گرمايي کمتر شده و تميزي شرايط کار تامين ميگردد . در اين روش همچنين نيازي به تماس فيزيکي بار و کويل نبوده و علاوه بر اين چگالي توان بالا در مدت زمان گرمايش کم به آساني قابل دسترس مي باشد .

    در ابتدا کوره هاي القايي مستقيماً از شبکه قدرت تغذيه مي شدند که بنوبه خود گام موفقي در استفاده از توان الکتريکي جهت عمليات حرارتي بحساب ميآمد .

    از آنجائيکه تلفات فوکو و هيسترزيس با فرکانس نسبت مستقيم دارند و اينکه ابعاد کويل کوره با بالا رفتن فرکانس کاهش مي يابد ، مهندسين به فکر تغذيه کوره در فرکانسهاي بالاتر از فرکانس شبکه قدرت افتادند . اولين قدم در اين راه استفاده از فرکانسهاي دو برابر و سه برابر که از هارمونيکهاي دوم و سوم بدست مي آمدند ، بود .

 اين هارمونيکها بر خلاف طبيعت مخرب خود در اين نوع کاربرد سودمند تشخيص داده شدند . پائين بودن راندمان در استفاده از هارمونيکهاي فوق موجب گرديد طراحان روش ديگري را مورد استفاده قرار دهند در اين مرحله سيستم موتورـژنراتور توسعه يافت که با استفاده از اين سيستم توانستند فرکانس تغذيه را تا صدها هرتز افزايش دهند . در کوره هاي القايي افزايش فرکانس باعث کاهش عمق نفوذ جريان القايي ميگردد لذا در عمليات حرارتي سطحي که سختکاري سطح فلز ، مورد نظر مي باشد از کوره هاي القايي با فرکانس بالا استفاده مي شود . با ورود عناصر نيمه هادي مانند تريستورها ، ترانزيستورها و موسفت ها به حيطه صنعت محدوديت فرکانس و عدم تغيير آن ، در تغذيه کوره 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 که فرکانس کار آنها بين 50 تا 60 هرتز و 150 تا 540 هرتز مي باشد احتياجي به تبديل فرکانس نيست و با توجه به فرکانس کار ،‌ 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) 
فرکانس اين سيستمها از 500 هرتز تا 10 کيلو هرتز مي باشد . در اين سيستمها تبديل فرکانس لازم بوده و اين عمل بوسيله ژنراتورهاي کوپل شده با موتورهاي القايي صورت مي پذيرد . همچنين در اين سيستمها توان به وسيله ماشينهاي 500 کيلو وات تامين ميگردد و براي بدست آوردن توانهاي بالاتر ،‌ از سري کردن ماشينها استفاده ميشود . عمق نفوذ در اين سيستمها به خاطر بالاتر بودن فرکانس نسبت به سيستمها منبع ، کمتر بوده و در حدود 1 تا 10 ميليمتر است .

 ج ) سيستمهاي مبدل نيمه هادي (Solid-State Converter Systems) 
در اين سيستمها فرکانس در محدوده HZ 500 تا KHZ‌ 100 بوده و تبديل فرکانس به طرق گوناگوني صورت ميپذيرد . در اين سيستمها از سوئيچهاي نيمه هادي استفاده ميشود و توان مبدل بستگي به نوع کاربرد آن تا حدود MW 2 ميتواند برسد .

 د ) سيستمهاي فرکانس راديويي (Radio-Frequency System)
فرکانس کار 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 متمرکز با سرعت توليد بالا استفاده ميگردد