طراحي، شبيه‌سازي و ساخت يك گرم‌كن الكتريكي القايي تا دماي 300 درجه سانتي‌گراد

Design, Simulation, and Implementation of an Electric Induction Heater up to 300 °C

در اين مقاله، طراحي، شبيه‌سازي و ساخت يك نمونه گرم‌كن القايي با توانايي گرم كردن فلزات تا دماي 300 انجام گرفته است. با استفاده از مدار مربوطه و طراحي صورت گرفته براي ظرفيت خازن و ابعاد سلف، گرم‌كن مربوطه ساخته شده و نتايج حاصل از ساخت، با نتايج شبيه‌سازي همخواني مطلوبي داشته است. در اين مقاله، به روش اجزاي محدود و با كمك نرم‌افزار COMSOL Multiphysics، شبيه‌سازي گرم‌كن القايي انجام شده است. روش اجزاي محدود جهت تحليل‌هاي مغناطيسي و حرارتي، روش مرسومي بوده و توانمندي خود را در حوزه‌هاي فيزيكي مختلف به اثبات رسانيده است، از اين‌رو، براي محاسبه و تحليل ميدان مغناطيسي و حرارت حاصل از گرمايش القايي از نرم‌افزار اِلمان محدود استفاده شده است. در شبيه‌سازي فوق، مدار الكتريكي مورد استفاده و تمامي المان‌ها نيز درنظر گرفته شده‌اند؛ با توجه به مدار الكتريكي و تئوري كنترلي حاكم بر مدار ارائه شده، نمونه آزمايشگاهي متناسب با ابعاد شبيه‌سازي شده در نرم‌افزار اِلمان محدود، پياده‌سازي شده است و شكل موج‌هاي قسمت‌هاي مختلف مدار مورد تحليل و بررسي قرار گرفته‌اند. از اين گرم‌كن‌ها مي‌توان در صنايع كوچك مختلف و در سطح آزمايشگاهي بهره برد. همچنين، به‌عنوان پيش گرم‌كن يا گرم‌كن تا دماي مذكور، براي كاربردهاي مختلف در صنايع متالورژي، مواد و فرآوري فلزات، تست و آزمايش آنها در ابعاد كوچك، قابل استفاده مي‌باشند. قابل ذكر است كه مدار ارائه‌شده در اين مقاله بسيار مقرون به‌صرفه بوده و اعتبارسنجي نتايج شبيه‌سازي با نتايج نمونه حاصل از ساخت در مقياس آزمايشگاهي، نشان‌دهنده صحت تحليل‌ها مي‌باشد.

In this paper, design, simulation, and implementation of an induction heater with the ability of heating metals up to 300°C is carried out. The respective heater is made utilizing the relevant circuit, proper capacitor selection, and inductor design, and the experimental results are in good agreement with simulation results. In this paper, the induction heater simulation is carried out using the finite element method with COMSOL Multiphysics software. The finite element method for magnetic and thermal analysis is a conventional method and its capability has been proven in various physical fields. Therefore, finite element software has been applied to calculate and analyze the magnetic field and heat induced by induction heating. In this simulation, the relevant electric circuit is considered and all the elements are taken into account. According to the proposed electrical circuit and the related control method, a laboratory prototype proportional to the simulated dimensions is implemented in finite element software and the waveforms of the circuit parameters are analyzed. These induction heaters can be utilized in a variety of small and labware industries. In addition, they can be used as a preheater or heater for various applications (e.g., metallurgy industry, materials and metals processing, and testing in small dimensions). It should be noted that the circuit presented in this article is very cost effective and comparison of a laboratory-scale sample with simulation results demonstrates the validation and accuracy of the analysis.