Индукционный нагрев

Индукционный нагрев - это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно - это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла. Система «индуктор-заготовка» представляет собой трансформатор без сердечника, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является как бы вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху. На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ, в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое Δ плотность тока уменьшается в e раз относительно плотности тока на поверхности заготовки, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла (от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки. Если деталь из ферромагнитного материала, то она ещё подвергается перемагничиванию и дополнительному нагреву из-за магнитного гистерезиса. Нагрев детали, вызванный магнитным гистерезистом, длится до тех пор, пока температура детали не достигнет температуры, при которой вещество теряет магнитные свойства (точка Кюри). Выделяющееся в теле при возникновении вихревых токов количество тепла пропорционально квадрату тока в данном участке проводника.

Для немагнитных материалов и материалов, имеющих температуру выше точки Кюри, относительная магнитная проницаемость равна единице. Глубина проникновения Δ возрастает с увеличение удельного электрического сопротивления ρ v (Ом·м) и уменьшается с увеличением частоты f (Гц) и относительной магнитной проницаемости материала μ. При частоте тока более 1 кГц можно получать тонкий нагретый слой, т.е. проводить поверхностную термическую обработку изделия, а используя ток промышленной частоты (50 Гц), - сквозной прогрев изделия.

Форма и размеры индуктора зависят от геометрии нагреваемого изделия. Индуктор изготавливают из медной трубки специального профиля в виде цилиндрической спирали или плоских витков с короткими наклонными переходами между витками. Для охлаждения индуктора по нему пропускают воду.

Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри μ имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице. Формула для вычисления глубины скин-слоя в мм:

где = 4π·10 −7 - магнитная постоянная Гн/м, - удельное электрическое сопротивление материала заготовки при температуре обработки, - частота электромагнитного поля, генерируемого индуктором. Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ≈ 0,001 мм.

Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием.

Достоинствами электроустановок индукционного нагрева являются:

Высокая скорость нагрева, пропорциональная вводимой мощности;

Хорошие санитарно-гигиенические условия труда;

Возможность регулирования зоны действия вихревых токов в про-странстве (ширина и глубина прогрева);

Простота автоматизации технологического процесса;

Неограниченный уровень достигаемых температур, достаточных для нагрева металлов, плавления металлов и неметаллов, перегрева, расплава, испарения материалов и получения плазмы.

Недостатки:

Требуются более сложные источники питания;

Повышенный удельный расход электроэнергии на технологические операции.

К особенностям индукционного нагрева можно отнести возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов.

Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому телу зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении. Глубина нагрева тела увеличивается с ростом его удельного сопротивления и снижается с увеличением частоты тока. Ток индукторов составляет от сотен до нескольких тысяч ампер при средней плотности тока 20 А/мм 2 . Потери мощности в индукторах могут достигать 20-30 % от полезной мощности.

Индукционные нагревательные установки (ИНУ) широко применяются в различных технологических процессах в машиностроительной и других отраслях промышленности. Их подразделяют на два основных типа: установки сквозного и поверхностного нагрева.

Установки для закалки и сквозного нагрева в зависимости от назначения питаются от сетей переменного тока на частоте от 50 Гц до сотен кГц. Питание установок повышенной и высоких частот производится от тиристорных или машинных преобразователей..

По режиму работу установки сквозного нагрева подразделяют на установкипериодического и непрерывного действия.

В установках периодического действия нагревается только одна заготовка или ее часть. При нагреве заготовок из магнитного материала происходит изменение потребляемой мощности: вначале она возрастает, а затем по достижении точки Кюри снижается до 60-70 % от начальной. При нагреве заготовок из цветных металлов мощность в конце нагрева несколько увеличивается за счет роста удельного электрического сопротивления.

В установках непрерывногодействияодновременно находится несколько заготовок, расположенных в продольном или поперечном магнитном поле (рис.3.1). В процессе нагрева они перемещаются по длине индуктора, нагреваясь до заданной температуры. В нагревателях непрерывного действия полнее используется мощность источника питания, поскольку средняя мощность, потребляемая ими от источника питания, выше, чем средняя мощность, потребляемая нагревателем периодического действия.

Индукционные нагреватели непрерывного действия имеют более высокий КПД источника питания. Производительность выше, чем у установок периодического действия. Возможно питание нескольких нагревателей от одного источника, а также подключение нескольких генераторов к одному нагревателю, состоящему из нескольких секций (рис. 3.1, в)

Конструкция индуктора для сквозного нагрева зависит от формы и размеров деталей. Индукторы выполняют круглого, овального, квадратного или прямоугольного сечения. Для нагрева концов заготовок индукторы выполняют щелевыми или петлевыми (рис.3.1, г, д).

Необходимость поддержания высокого электрического и теплового КПД системы индуктор-нагреваемое тело определяет исключительно большое количество форм и размеров индукторов. Схемы некоторых индукторов для поверхностного нагрева показаны на рис.3.2. Между индуктором и огнеупорным цилиндром проложен слой теплоизолирующего материала, что снижает тепловые потери и защищает электрическую изоляцию индуктора.

Электрический КПД системы индукционного нагрева увеличивается с уменьшением зазора индуктором и нагреваемым изделием, а также с увеличением отношения удельных сопротивлений нагреваемого изделия и материала индуктора.

Резистивный нагрев

Нагрев проводящего тела при прохождении через него электрического тока по закону Джоуля-Ленца называют резистивным нагревом. Для выделения тепла в твёрдом проводнике можно использовать постоянный и переменный электрический ток. Применение постоянного тока затруднено и экономически не выгодно из-за отсутствия источников (генераторов) большой силы тока и низкого напряжения, которые необходимы для выделения тепла в твёрдом проводнике, обладающей высокой электропроводностью. Способность переменного тока к трансформации позволяет получать требуемые напряжения. При переменном токе под сопротивлением проводника постоянному току. Это объясняется наличием скин-эффекта, влияние которого возрастает с увеличением частоты, диаметра проводника, магнитной проницаемостью и падает с ростом электрического сопротивления.

Принцип выделения тепла в проводнике при пропускании тока находит применение в печах прямого (контактного) и косвенного нагрева.

В печах сопротивления прямого нагрева ток проводиться непосредственно к нагреваемому изделию. При расчёте электрических параметров нагрева необходимо учитывать изменение в процессе нагрева сопротивления материала.

В качестве материала нагревателей применяют сплавы на основе Fe, Ni, Cr , Mo и Al. В виде проволоки или ленты. Также используют нагреватели из графита. Электронагреватели трубчатые (ТЭН) предназначены для нагрева различных сред путём конвекции, теплопроводности или излучения посредством преобразования электрической энергии в тепловую (рис.3.3). Применяются в качестве комплектующих изделий в промышленных устройствах. ТЭНы используются для следующих целей: нагрев жидкости, воздуха и прочих газов; нагрев воды и слабых растворов кислот и щелочей; нагрев подложек в вакуумных камерах.

Рисунок 3.3 – Конструкция трубчатого электронагревателя

Конструкция двухконцевого трубчатого элетронагревателя круглого сечения представляет собой расположенный внутри металлической оболочки нагревательный элемент 5 (спираль или несколько спиралей из сплава с высоким сопротивлением) с контактными стержнями 1. От оболочки 4 нагревательный элемент изолирован спрессованным электроизоляционным наполнителем 6. Для предохранения от попадания влаги из окружающей среды торцы ТЭН герметизируют. Контактные стержни изолируют от оболочки диэлектрическими изоляторами 3,7. Для присоединения проводов используются гайки с шайбами 2.

Преимущества резистивного нагрева: высокий КПД, простота, и низкая стоимость.Недостатки: загрязнение материалом нагревателя, старение нагревателя.

Индукционный нагреватель состоит из мощного источника высокой частоты и колебательного контура, включающего в себя индуктор (рис. 1). В переменное магнитное поле индуктора помещается нагреваемая заготовка. В зависимости от материала заготовки, её объёма и глубины нагрева, применяется широкий диапазон рабочих частот, от 50 Гц до десятков МГц. При низких частотах порядка 100-10000 Гц в промышленности могут применяются электромашинные преобразователи и тиристорные инверторы. При частотах порятка МГц могут применяться электронные лампы. На средних частотах порядка 10-300 кГц целесообразно применять транзисторы IGBT/MOSFET.

Рисунок 1. Общая схема

Физика

Согласно закону электромагнитной индукции, если проводник находится в изменяющемся (переменном) магнитном поле, то в нём индуцируется (наводится) электродвижущая сила (ЭДС), направление которой перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, пересекающего проводник. При этом амплитуда ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, в котором находится проводник.
Говоря простым языком, если заготовку из проводящего материала рассматривать как бесконечное множество короткозамкнутых контуров, то при помещении её в индуктор, под действием переменного магнитного поля в этих контурах будут индуцироваться токи (т.н. вихревые или токи Фуко). В свою очередь эти токи, согласно закону Джоуля-Ленца, вызовут нагрев заготовки, так как её материал обладает электрическим сопротивлением.

Рисунок 2. Принцип работы

Как при прохождении по металлическим проводникам переменного тока, так и при нагреве токами высокой частоты металлов, наблюдается поверхностный эффект (скин-эффект). Связано это с тем, что вихревые токи в толще проводника вытесняют основной ток на поверхность. Индукционный нагрев металла интенсивнее у поверхности, чем в центре. Глубина скин-слоя зависит от удельного сопротивления материала, его магнитной проницаемости и обратно пропорциональна частоте поля. Поэтому, в зависимости от частоты, данный метод нагрева может применяться как для плавки металла, так и для поверхностной закалки.

Согласование

Для инвертора, являющегося источником напряжения прямоугольной формы, LC-контур является нагрузкой с низким импедансом. Для согласования применяются высокочастотные трансформаторы или дроссели.
Согласующий дроссель, включенный в разрыв провода между инвертором и контуром, вместе с резонансным конденсатором образует LC-фильтр. Таким образом, отбирая небольшую часть емкости резонансного конденсатора, дроссель в малой степени влияет на частотную характеристику контура. Обычно такой дроссель выполняется на ферритовом сердечнике с воздушным зазором, изменяя величину которого, можно регулировать подводимую к индуктору мощность.
Высокочастотный трансформатор может работать как на параллельный контур, так и последовательный. В первом случае трансформатор сильно повлияет на резонансную частоту контура. Во втором случае последовательный контур в резонансном режиме будет потреблять максимум мощности с пустым индуктором (без нагрузки), т.к. при резонансе напряжений реактивное сопротивление LC-цепи стремится к нулю, а активное в таких цепях - как правило, очень мало. Конструктивно согласующий трансформатор выполняется на ферритовом кольце (либо набирается из нескольких) и надевается на провод индуктора.
Если импедансы не согласованы, то сильно падает КПД такого нагревателя и повышается риск выхода из строя питающего источника. При правильной настройке генератора, его частота должна совпадать с резонансной частотой выходного контура, либо может быть немного выше резонансной. В этом случае ключи питающего преобразователя работают в наиболее благоприятном режиме. Не желательно допускать ситуации, когда частота переключений инвертора будет ниже резонансной, т.е. сопротивление будет иметь емкостной характер.
С изменением массы или материала нагреваемого тела резонансная частота колебательного контура меняется. Для подстройки применяются различные методы: переключение емкости конденсаторной батареи, автоматическая подстройка частоты, ручная регулировка частоты, автогенераторы.
При достижении определенной температуры материала (точка Кюри) материал теряет магнитные свойства, в следствие чего резонансная частота контура резко меняется, а также увеличивается толщина скин-слоя.

Выбирая элементы контура следует учитывать, что при резонансе в контуре достигаются токи и напряжения большой амплитуды, которые могут превышать питающие в десятки раз. Индуктор следует изготавливать из медного провода или трубки достаточного сечения. Даже при небольшой мощности (порядка 200-500 Вт) индуктор начинает сильно нагреваться под действием собственного поля. Работать такой индуктор будет, но сильно перегреется за короткое время.
Для отвода тепла обычно применяется водное охлаждение, тогда индуктор делается из медной трубки.
В качестве контурных конденсаторов следует выбирать высоковольтные конденсаторы с достаточной реактивной мощностью, с низвикми диэлектрическими потерями, присоединять шинами/проводами c наименьшей длиной и индуктивностью, вблизи индуктора. Существуют специальные конденсаторы для работы в таких установках, но при относительно малой мощности (единицы кВт) успешно приметяются батареи полипропилленовых конденсаторов.

Индукционный нагреватель можно устанавливать в квартире, для этого не нужно никаких согласований и связанных с ними расходов и хлопот. Достаточно желания хозяина. Проект подключения требуется только теоретически. Это и стало одной из причин популярности индукционных нагревателей, даже несмотря на приличную стоимость электроэнергии.

Индукционный способ нагрева

Индукционный нагрев - это нагрев переменным электромагнитным полем проводника, помещенного в это поле. В проводнике возникают вихревые токи (токи Фуко), которые и нагревают его. По сути дела - это трансформатор, первичная обмотка - это катушка, называемая индуктором, а вторичная обмотка - это вкладка или короткозамкнутая обмотка. Тепло не подводится к вкладке, а генерируется в ней самой блуждающими токами. Все, окружающее ее, остается холодным, что является определенным преимуществом устройств такого рода.

Тепло во вкладке распределяется неравномерно, а только в поверхностных ее слоях и далее по объему распространяется за счет теплопроводности материала вкладки. Причем с повышением частоты переменного магнитного поля глубина проникновения уменьшается, а интенсивность увеличивается.

Для работы индуктора с частотой большей, чем в сети (50Гц), применяются транзисторные или тиристорные преобразователи частоты. Тиристорные преобразователи позволяют получать частоты до 8 КГц, транзисторные - до 25КГц. Схемы их подключения можно найти легко.

Планируя установку систем отопления в собственном доме или на даче, кроме прочих вариантов на жидком или твердом топливе, необходимо рассмотреть вариант с применением индукционного нагрева котла. С таким отоплением экономить на электроэнергии не удастся , но отсутствуют опасные для здоровья вещества.

Основное назначение индуктора - выработка тепловой энергии за счет электрической без использования теплоэлектронагревателей принципиально другим способом.

Типовой индуктор состоит из следующих основных деталей и устройств:

Устройство нагревательного прибора

Основные элементы индукционного нагревателя для отопительной системы.

1. Стальная проволока диаметром 5-7 мм.
2. Труба из пластика с толстой стенкой. Внутренний диаметр не менее 50 мм и длина подбирается по месту установки.
3. Медная эмалированная проволока для катушки. Размеры подбираются в зависимости от мощности устройства.
4. Сетка из нержавеющей стали.
5. Сварочный инвертор.

Порядок изготовления индукционного котла

Вариант первый

Стальную проволоку порубить на отрезки длиной не более 50 мм. Рубленой проволокой заполнить пластиковую трубу. Торцы заглушить проволочной сеткой для предотвращения высыпания проволоки.

На концах трубы установить переходники от пластиковой трубы к размеру трубы в месте подключения нагревателя.

Медным эмалированным проводом намотать обмотку на корпусе нагревателя (пластиковой трубе). Для этого понадобится порядка 17 метров провода: количество витков - 90, наружный диаметр трубы порядка 60 мм: 3,14 х 60 х90 = 17 (метров). Длину уточните дополнительно, когда будет точно известен наружный диаметр трубы.

Пластиковую трубку, а теперь уже индукционный котел , врезать в трубопровод в вертикальном положении.

При проверке работоспособности индукционного нагревателя убедитесь, что в котле присутствует теплоноситель. В противном случае корпус (пластиковая труба) расплавится очень быстро.

Подключить котел к инвертору, необходимо заполнить систему теплоносителем и можно включать.

Вариант второй

Конструкция индукционного нагревателя из сварочного инвертора по этому варианту более сложна, требует определенных навыков и умений работать своими руками, однако, она более эффективна. Принцип тот же - индукционный нагрев теплоносителя.

Для начала нужно изготовить сам индукционный нагреватель - котел. Для этого понадобятся две трубки разного диаметра, которые вставляются одна в другую с зазором между ними порядка 20 мм. Длина трубок от 150 до 500 мм, в зависимости от предполагаемой мощности индукционного нагревателя. Нужно вырезать два кольца соответственно зазору между трубками и приварить их герметично по торцам. Получилась емкость тороидальной формы.

Остается вварить в наружную стенку входную (нижнюю) трубку по касательной к корпусу и верхнюю (выходную) трубку параллельно входной на противоположной стороне тороида. Размер трубок - по размеру труб отопительной системы. Расположение входного и выходного патрубков по касательной, обеспечит циркуляцию теплоносителя по всему объему котла без образования застойных зон.

Второй шаг - создание обмотки. Эмалированный медный провод нужно наматывать вертикально, пропуская его внутрь и поднимая наверх по внешнему контуру корпуса. И так 30-40 витков, образуя тороидальную катушку. В таком варианте нагреваться будет одновременно вся поверхность котла, таким образом, значительно повышая его производительность и эффективность.

Изготовить наружный корпус обогревателя из непроводящих материалов, использовав, например, пластиковую трубу большого диаметра или банальное пластиковое ведро, если будет достаточно его высоты. Диаметр наружного корпуса должен обеспечивать выход патрубков котла сбоку. Обеспечить соблюдение правил электробезопасности по всей схеме подключения.

Корпус котла отделить от наружного корпуса теплоизолятором, можно использовать как сыпучий термоизоляционный материал (керамзит), так и плиточный (изовер, минплита и тому подобное). Этим предотвращаются потери тепла в атмосферу от конвекции.

Остается заполнить систему своим теплоносителем и подсоединить индукционный нагреватель из сварочного инвертора.

Такой котел совершенно не требует вмешательства и может работать 25 и более лет без ремонта, поскольку в конструкции отсутствуют движущиеся детали, а в схеме подключения предусмотрено использование автоматического управления.

Вариант третий

Это, наоборот, самый простой вариант обогрева жилища, выполняемый своими руками. На вертикальной части трубы системы отопления нужно выбрать прямой участок длиной не менее метра и очистить его от краски наждачной шкуркой. Затем этот участок трубы изолировать 2-3 слоями электротехнической ткани или плотной стеклоткани. После этого эмалированным медным проводом намотать индукционную катушку. Тщательно изолировать всю схему подключения.

Остается только подключить сварочный инвертор и наслаждаться теплом в своем жилище.

Обратите внимание на несколько моментов.

1. Нежелательно устанавливать такой обогреватель в жилых комнатах, где чаще всего находятся люди. Дело в том, что электромагнитное поле распространяется не только внутри катушки, но и в окружающем пространстве. Чтобы убедиться в этом, достаточно воспользоваться обыкновенным магнитом. Нужно взять его в руку и подойти к катушке (котлу). Магнит начнет ощутимо вибрировать и тем сильнее, чем ближе катушка. Поэтому лучше использовать котел в нежилой части дома или квартиры.
2. Устанавливая катушку на трубе, убедитесь, что на этом участке системы отопления теплоноситель естественным образом течет вверх, чтобы не создавать противотока, иначе система вообще не будет работать.

Можно предложить много вариантов применения индукционного нагрева в жилище. Например, в системе горячего водоснабжения можно вообще отказаться от подачи горячей воды , подогревая ее на выходах из каждого крана. Однако, это тема для отдельного рассмотрения.

Несколько слов о безопасности при использовании индукционных нагревателей со сварочным инвертором:

• для обеспечения электробезопасности необходимо тщательно изолировать токопроводящие элементы конструкций по всей схеме подключения;
• индукционный нагреватель рекомендуется только для закрытых систем отопления, в которых циркуляция обеспечивается водяным насосом;
• рекомендуется размещать индукционную систему на расстоянии не менее 30 см от стен и мебели и в 80 сантиметрах от пола или потолка;
• чтобы обезопасить работу системы нужно оснастить систему манометром, аварийным клапаном и устройством автоматического регулирования.
• установить устройство для стравливания воздуха из системы отопления во избежание образования воздушных пробок.

КПД индукционных котлов и нагревателей близка к 100%, при этом нужно учитывать, что потери электроэнергии в сварочных инверторах и проводке, так или иначе, возвращаются к потребителю в виде тепла.

Прежде чем приступать к изготовлению индукционной системы, посмотрите технические данные промышленных образцов. Это поможет определиться с исходными данными самодельной системы.

Желаем успехов в творчестве и труде на самого себя!

ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ, нагрев токопроводящих (в основном металлических) тел и ионизированных газов в результате выделения теплоты вихревыми (индукционными) токами, возбуждаемыми переменным электромагнитным полем. Обеспечивает бесконтактный способ передачи энергии от источника электромагнитного поля (индуктора) в нагреваемое тело с преобразованием её в тепловую непосредственно в теле; наиболее эффективный способ нагрева. При индукционном нагреве теплота, выделяющаяся в нагреваемом теле (по Джоуля - Ленца закону), зависит от его размеров и физических свойств, частоты и напряжённости магнитного поля. Особенностью индукционного нагрева является неравномерное распределение мощности в нагреваемом теле, обусловленное диссипацией энергии поля и затуханием электромагнитной волны. Такое затухание характеризуют эквивалентной глубиной δ э (м), т. е. глубиной поверхностного слоя плоского тела, в котором выделяется 86,5% мощности электромагнитной волны: δ э ≈ 500√p/(μ r ∙f), где р - удельное электрическое сопротивление (Ом·м), μ r - относительная магнитная проницаемость тела, f - частота изменения поля (Гц). Для индукционного нагрева используют токи разных частот - промышленной (50 Гц), повышенной (150 и 250 Гц), средней (от 0,5 до 10 кГц), высокой (67 и 440 кГц), сверхвысокой (1,76 и 5,28 МГц).

Индукционный нагрев применяют: в индукционных нагревательных установках - для нагрева заготовок под пластическую обработку (глубинный или сквозной индукционный нагрев) и деталей под химико-термическую обработку (локальный или поверхностный индукционный нагрев), в том числе под поверхностную закалку токами ВЧ; в индукционных печах - для плавки чёрных и цветных металлов и сплавов, а также зонной плавки, плавки во взвешенном состоянии, для получения низкотемпературной плазмы (смотри Плазмотрон). Индуктор (основной элемент конструкции индукционных установок и печей) создаёт переменное магнитное поле (напряжённостью 10 5 -10 6 А/м). Нагреваемый материал может быть в виде твёрдого массивного тела (в индукционных нагревательных установках), жидкого тела (в индукционных плавильных печах) и ионизированного газа (в СВЧ плазмохимических установках). Первая промышленная индукционная печь для подогрева жидкой стали (до 80 кг) в открытом горизонтальном кольцевом канале введена в эксплуатацию в Швеции в 1900 году, в СССР такие печи начали строить в 1930-х годах.

В индукционных нагревательных установках используют в основном индукторы 2 типов: проходные - круглого или квадратного поперечного сечения для нагрева заготовок по всей длине, щелевые и овального сечения для местного нагрева концов длинных заготовок (рис. 1), а также с поперечным магнитным полем (для листового материала) и замкнутым магнитопроводом (для кольцевых заготовок); закалочные - одновитковые (для внешних цилиндрических поверхностей), петлевые, зигзагообразные и в виде плоской спирали (для плоских поверхностей), кольцевые соленоидные (для внутренних цилиндрических поверхностей). Через отверстия в индукторе или с помощью спрейерного устройства на поверхность закаливаемой детали подают охлаждающую жидкость (воду, масло, различные эмульсии).

Индукционные плавильные печи могут быть канальными, работающими на промышленной частоте, вместимостью до 150 тонн и мощностью до 4,0 MBA, и тигельными - вместимостью на средней частоте до 25 тонн и на промышленной частоте (при жидкой завалке) до 60 т. В канальной печи (рис. 2) температура металла в ванне (шахте) повышается за счёт теплопередачи от жидкого металла, находящегося в канале. Один или несколько вертикальных либо горизонтальных каналов (прямоугольного или круглого сечения), расположенных в огнеупорной футеровке - так называемом подовом камне, охватывают замкнутый магнитопровод с многовитковым цилиндрическим индуктором. В канале жидкий металл с более высокой температурой под действием электромагнитных сил и свободной тепловой конвекции интенсивно циркулирует, поступая через устье канала в ванну (шахту). Индукционные канальные печи применяют в основном в цветной металлургии для непрерывных технологических процессов в качестве плавильных агрегатов и миксеров.

Рис. 2. Схема индукционной канальной печи (разрез): 1 - ванна (шахта); 2- цилиндрический индуктор; 3- замкнутый магнитопровод; 4 - футеровка канала (подовый камень); 5 - вертикальный кольцевой канал; 6 - устье канала.

В тигельной печи (рис. 3) металл находится в огнеупорном тигле, расположенном внутри цилиндрического многовиткового индуктора. Отдельные разомкнутые магнитопроводы в качестве ферромагнитных экранов защищают кожух печи от создаваемых индуктором электромагнитных волн. Энергия затрачивается на нагрев металла и его интенсивное перемешивание. В тигле возникает двухконтурная циркуляция металла с образованием выпуклого мениска (высота 5-15% от глубины металла), что затрудняет создание шлакового слоя и ограничивает удельную мощность (не более 300 кВт/т). Тигельные печи взрывоопасны (из-за невысокой стойкости футеровки тигля), их оснащают сигнализатором состояния футеровки. Индукционные тигельные печи широко распространены в сталеплавильном производстве для периодической работы при переплаве легированных сталей; для плавки высококачественных сталей - вакуумные и индукционно-плазменные печи, для выплавки особо чистых металлов и сплавов - печи с водоохлаждаемым («холодным») тиглем в виде электроизолированных секций-труб (так называемый секционированный тигель).

Рис. 3. Схема индукционной тигельной печи (разрез): 1 - тигель; 2 - цилиндрический индуктор; 3 - ферромагнитный экран; 4 - кожух; 5 - сигнализатор состояния футеровки тигля; стрелки - траектория движения жидкого металла.

Лит.: Вайнберг А. М. Индукционные плавильные печи. М., 1967; Теплотехника металлургического производства. М., 2002. Т. 1: Теоретические основы. Т. 2: Конструкции и работа печей; Индукционные тигельные печи. 2-е изд. Екатеринбург, 2002.

Когда перед человеком встает необходимость нагреть металлический объект, ему на ум обязательно приходит огонь. Огонь – старомодный, неэффективный и медленный способ нагреть металл. Он тратит львиную долю энергии на тепло, и от огня всегда идет дым. Как было бы здорово, если бы всех этих проблем можно было избежать.

Сегодня я покажу вам как собрать индукционный нагреватель своими руками с ZVS-драйвером. Это приспособление нагревает большинство металлов с помощью ZVS-драйвера и силы электромагнетизма. Такой нагреватель высокоэффективен, не производит дыма, а нагрев таких небольших металлических изделий, как, допустим, скрепка — вопрос нескольких секунд. Видео демонстрирует нагреватель в действии, но инструкция там представлена другая.

Шаг 1: Принцип работы

Многие из вас сейчас задаются вопросом – что такое этот ZVS-драйвер? Это высокоэффективный трансформатор, способный создавать мощное электромагнитное поле, нагревающее металл, основа нашего нагревателя.

Чтобы стало понятно, как работает наш прибор, я расскажу о ключевых моментах. Первый важный момент — источник питания 24 В. Напряжение должно быть 24В при максимальной силе тока 10А. У меня будут два свинцово-кислотных аккумулятора, соединенных последовательно. Они запитывают плату ZVS-драйвера. Трансформатор дает установившийся ток на спираль, внутрь которой помещается объект, который надо нагреть. Постоянное изменение направления тока создает переменное магнитное поле. Оно создает внутри металла вихревые токи, преимущественно высокой частоты. Из-за этих токов и низкого сопротивления металла выделяется тепло. Согласно закону Ома, сила тока, трансформируемая в тепло, в цепи с активным сопротивлением, будет P=I^2*R.

Очень важен металл, из которого состоит объект, который вы хотите нагреть. У сплавов на основе железа более высокая магнитная проницаемость, они могут использовать больше энергии магнитного поля. Из-за этого они быстрее нагреваются. Алюминий имеет низкую магнитную проницаемость и нагревается, соответственно, дольше. А предметы с высоким сопротивлением и низкой магнитной проницаемостью, например, палец, вообще не нагреются. Сопротивление материала очень важно. Чем выше сопротивление, тем слабее ток пройдет по материалу, и тем, соответственно, меньше выделится тепла. Чем ниже сопротивление, тем сильнее будет ток, и согласно закону Ома, меньше потеря напряжения. Это немного сложно, но из-за связи между сопротивлением и выдачей мощности, максимальная выдача мощности достигается, когда сопротивление равно 0.

Трансформатор ZVS самая сложная часть прибора, я объясню, как он работает. Когда ток включен, он идет через два индукционных дросселя к обоим концам спирали. Дроссели нужны, чтобы убедиться, что устройство не выдаст слишком сильный ток. Далее ток идет через 2 резистора 470 Ом на затворы МДП-транзисторов.

Из-за того, что идеальных компонентов не существует, один транзистор будет включаться раньше, чем другой. Когда это происходит, он принимает на себя весь входящий ток со второго транзистора. Он также будет коротить второй на землю. Из-за этого не только ток потечет через катушку в землю, но и через быстрый диод будет разряжаться затвор второго транзистора, тем самым блокируя его. Из-за того, что параллельно катушке подключен конденсатор, создается колебательный контур. Из-за возникшего резонанса, ток поменяет свое направление, напряжение упадет до 0В. В этот момент затвор первого транзистора разряжается через диод на затвор второго транзистора, блокируя его. Этот цикл повторяется тысячи раз за секунду.

Резистор 10К призван уменьшить избыточный заряд затвора транзистора, действуя как конденсатор, а зенеровский диод должен сохранять напряжение на затворах транзисторов 12В или ниже, чтобы они не взорвались. Этот трансформатор высокочастотный преобразователь напряжения позволяет нагреваться металлическим объектам.
Пришло время собрать нагреватель.

Шаг 2: Материалы

Для сборки нагревателя материалов нужно немного, и большую их часть, к счастью, можно найти бесплатно. Если вы видели где-то валяющуюся просто так электронно-лучевую трубку, сходите и заберите ее. В ней есть большая часть нужных для нагревателя деталей. Если вы хотите более качественных деталей, купите их в магазине электрозапчастей.

Вам понадобятся:

Шаг 3: Инструменты

Для этого проекта вам понадобятся:

Шаг 4: Охлаждение полевых транзисторов

В этом приборе транзисторы выключаются при напряжении 0 В, и нагреваются не очень сильно. Но если вы хотите, чтобы нагреватель работал дольше одной минуты, вам нужно отводить тепло от транзисторов. Я сделал обоим транзисторам один общий поглотитель тепла. Убедитесь, что металлические затворы не касаются поглотителя, иначе МДП-транзисторы закоротит и они взорвутся. Я использовал компьютерный теплоотвод, и на нем уже была полоса силиконового герметика. Чтобы проверить изоляцию, коснитесь мультиметром средней ножки каждого МДП-транзистора (затвора), если мультиметр запищал, то транзисторы не изолированы.

Шаг 5: Конденсаторная батарея

Конденсаторы очень сильно нагреваются из-за тока, постоянно проходящего через них. Нашему нагревателю нужна емкость конденсатора 0,47 мкФ. Поэтому нам нужно объединить все конденсаторы в блок, таким образом, мы получим требуемую емкость, а площадь рассеивания тепла увеличится. Номинальное напряжение конденсаторов должно быть выше 400 В, чтобы учесть пики индуктивного напряжения в резонансном контуре. Я сделал два кольца из медной проволоки, к которым припаял 10 конденсаторов 0,047 мкФ параллельно друг другу. Таким образом, я получил конденсаторную батарею совокупной емкостью 0,47 мкФ с отличным воздушным охлаждением. Я установлю ее параллельно рабочей спирали.

Шаг 6: Рабочая спираль

Это та часть прибора, в которой создается магнитное поле. Спираль сделана из медной проволоки – очень важно, чтобы была использована именно медь. Сначала я использовал для нагревания стальную спираль, и прибор работал не очень хорошо. Без рабочей нагрузки он потреблял 14 А! Для сравнения, после замены спирали на медную, прибор стал потреблять только 3 А. Я думаю, что в стальной спирали возникали вихревые токи из-за содержания железа, и она тоже подвергалась индукционному нагреву. Не уверен, что причина именно в этом, но это объяснение кажется мне наиболее логичным.

Для спирали возьмите медную проволоку большого сечения и сделайте 9 витков на отрезке ПВХ-трубы.

Шаг 7: Сборка цепи

Я сделал очень много проб и совершил много ошибок, пока правильно собрал цепь. Больше всего трудностей было с источником питания и со спиралью. Я взял 55А 12В импульсный блок питания. Я думаю, этот блок питания дал слишком высокий начальный ток на ZVS-драйвер, из-за чего взорвались МДП-транзисторы. Возможно, это исправили бы дополнительные индукторы, но я решил просто заменить блок питания на свинцово-кислотные аккумуляторы.
Потом я мучился с катушкой. Как я уже говорил, стальная катушка не подходила. Из-за высокого потребления тока стальной спиралью взорвались еще несколько транзисторов. В общей сложности у меня взорвались 6 транзисторов. Что ж, на ошибках учатся.

Я переделывал нагреватель множество раз, но здесь я расскажу, как собрал его самую удачную версию.

Шаг 8: Собираем прибор

Чтобы собрать ZVS-драйвер, вам нужно следовать приложенной схеме. Сначала я взял зенеровский диод и соединил с 10К резистором. Эту пару деталей можно сразу припаять между стоком и истоком МДП-транзистора. Убедитесь, что зенеровский диод смотрит на сток. Потом припаяйте МДП-транзисторы к макетной плате с контактными отверстиями. На нижней стороне макетной платы припаяйте два быстрых диода между затвором и стоком каждого из транзисторов.

Убедитесь, что белая линия смотрит на затвор (рис.2). Затем соедините плюс от вашего блока питания со стоками обоих транзисторов через 2 220 Ом резистора. Заземлите оба истока. Припаяйте рабочую спираль и конденсаторную батарею параллельно друг другу, затем припаяйте каждый из концов к разным затворам. Наконец, подведите ток к затворам транзисторов через 2 50 мкгн дросселя. У них может быть тороидальный сердечник с 10 витками проволоки. Теперь ваша схема готова к использованию.

Шаг 9: Установка на основание

Чтобы все части вашего индукционного нагревателя держались вместе, им нужно основание. Я взял для этого деревянный брусок 5*10 см. плата с электросхемой, конденсаторная батарея и рабочая спираль были приклеены на термоклей. Мне кажется, агрегат выглядит круто.

Шаг 10: Проверка работоспособности

Чтобы ваш нагреватель включился, просто подсоедините его к источнику питания. Потом поместите предмет, который вам нужно нагреть, в середину рабочей спирали. Он должен начать нагреваться. Мой нагреватель раскалил скрепку до красного свечения за 10 секунд. Предметы крупнее, как гвозди, нагревались примерно за 30 секунд. В процессе нагревания потребление тока выросло приблизительно на 2 А. Этот нагреватель можно использовать не только для развлечения.

После использования прибора не образуется сажи или дыма, он воздействует даже на изолированные металлические объекты, например, газопоглотители в вакуумных трубках. Также прибор безопасен для человека – с пальцем ничего не случится, если поместить его в центр рабочей спирали. Однако, можно обжечься о предмет, который был нагрет.

Спасибо за чтение!