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!

Индукционный нагреватель лежит в основе нового метода отопления жилых домов. Для обогрева агрегат использует электромагнитную энергию. Как теплоноситель в приборе применяется вода. Индукционный котел можно приобрести готовый заводской или сделать его самостоятельно. Об особенностях прибора и его сборке я и расскажу.

Что такое индукционное нагревание

Работает индукционный прибор на энергии, вырабатываемой электромагнитным полем . Ее вбирает в себя носитель тепла, отдавая его затем помещениям:

1. Создает электромагнитное поле в таком водонагревателе индуктор. Это многовитковая проволочная катушка цилиндрической формы.
2. Протекая сквозь нее, переменный электроток вокруг катушки генерирует магнитное поле.
3. Его линии размещаются перпендикулярно вектору электромагнитного потока. При перемещении они воссоздают замкнутую окружность.
4. Вихревые потоки, создаваемые переменным током, преобразуют энергию электричества в тепло.

Тепловая энергия при индукционном нагревании тратится экономно и при невысокой скорости разогрева. Благодаря этому индукционный прибор доводит воду для системы отопления за небольшой временной период до высокой температуры.

Особенности прибора

Индукционный нагрев осуществляется при помощи трансформатора. Он состоит из пары обмоток:

• внешней (первичной);
• короткозамкнутой внутренней (вторичной).

Вихревые токи возникают в глубинной части трансформатора. Они перенаправляют появляющееся электромагнитное поле на вторичный контур. Тот одновременно исполняет функцию корпуса и выступает, как нагревательный элемент для воды.

С ростом плотности вихревых потоков, направленных на сердечник, сначала разогревается он сам, затем - весь тепловой элемент.

Для подачи прохладной воды и отвода подготовленного теплоносителя в отопительную систему индукционный нагреватель оснащается парой патрубков:

1. Нижний из них устанавливается на входную часть водопровода.
2. Верхний патрубок - на питающий участок отопительной системы.

Из каких элементов состоит прибор, и каким образом работает

Индукционный водонагреватель состоит из таких конструктивных элементов:

Фото	Конструктивный узел
	Индуктор . Он состоит из множества витков медной проволоки. В них и генерируется электромагнитное поле.
	Нагревательный элемент . Это труба из металла или обрезки стальной проволоки, размещаемые внутри индуктора.
	Генератор . Он трансформирует бытовую электроэнергию в высокочастотный электроток. Роль генератора может играть инвертор от сварочного аппарата.

При взаимодействии всех составляющих прибора происходит выработка тепловой энергии и передача ее воде. Схема работы агрегата такова:

1. Генератор продуцирует высокочастотный электроток. Затем он передает его индукционной катушке.
2. Та, восприняв ток, трансформирует его в электрическое магнитное поле.
3. Нагреватель, расположенный внутри катушки, раскаляется от действия вихревых потоков, появляющихся из-за смены вектора магнитного поля.
4. Вода, циркулирующая внутри элемента, нагревается от него. Затем она поступает в систему отопления.

Достоинства и недостатки индукционного метода нагревания

Индукционные нагреватели наделены такими достоинствами :

• высокий уровень КПД;
• не нуждаются в частом техобслуживании;
• они отнимают мало свободного пространства;
• вследствие вибраций магнитного поля, внутри них не оседает накипь;
• приборы бесшумны;
• они безопасны;
• благодаря герметичности корпуса не появляются протечки;
• функционирование нагревателя полностью автоматизировано;
• агрегат экологически чист, не выделяет копоть, сажу угарный газ и пр.

Главный минус прибора - дороговизна его заводских моделей .

Однако данный недостаток можно нивелировать, если собрать индукционный нагреватель своими руками. Монтируется агрегат из легкодоступных элементов, их цена невелика.

Сборка агрегата

Делается самодельный индукционный нагреватель из сварочного инвертора. Кроме него вам понадобятся некоторые материалы и инструменты.

Какие материалы и инструментарий будут нужны

Чтобы собрать индукторный котел самостоятельно, необходим:

1. Инвертор от сварочного аппарата. Это устройство значительным образом упростит сборку водонагревателя.

1. Толстостенная труба из пластика. Она будет играть роль корпуса агрегата.
2. Проволока из стали-нержавейки. Она станет выполнять функцию нагревательного элемента в магнитном поле.
3. Сеточка из металла. В ней будут заключены отрезки проволоки из стали-нержавейки.
4. Водяной насос для циркуляции жидкости.

1. Проволока из меди для установки индуктора.
2. Термический регулятор.
3. Фитинги и шаровые вентили для соединения водонагревателя с отопительной системой.
4. Пассатижи для работы с проволокой.

Этапы работы

Собирая нагреватель, придерживайтесь точной последовательности работ :

1. Сначала закрепите на одной стороне трубы из пластика металлическую сеточку. Она не даст вываливаться проволочным отрезкам нагревательного элемента.
2. В этом же конце корпуса зафиксируйте патрубок для подключения к системе отопления.
3. Пассатижами нарежьте куски проволоки-нержавейки. Их длина должна быть 1–5 см. Плотно уложите отрезки в пластиковый корпус. В трубе при этом не должно остаться свободного места.
4. Другой конец трубы закройте металлической сеткой. Затем установите в нем второй патрубок для отопительной сети.

1. Далее займитесь изготовлением индукционной катушки. Для этого обмотайте трубу проволокой из меди. Инструкция предупреждает, что в намотке должно быть не меньше 80–90 витков.
2. После этого подсоедините концы медной обмотки к инверторным полюсам аппарата для сварки. Обмотайте изолентой все точки соединений.

1. Подключите водонагреватель к отопительной сети.
2. Если обогревательная система еще не была оснащена циркуляционным насосом, то подключите его.

1. К инвертору подсоедините термический регулятор. Он даст возможность автоматизации функционирования водонагревателя.
2. В последнюю очередь проверьте работоспособность собранного прибора.

После включения инвертора, индукторная катушка воссоздает электромагнитное поле. Оно генерирует вихревые потоки. Те быстро нагревают проволочные отрезки проволоки. Они передают тепло циркулирующей воде.

Вывод

Индукционный нагреватель металла из сварочного инвертора - эффективный отопительный прибор. При этом у него простая конструкция, потому его несложно собрать самостоятельно.

Ознакомьтесь с видео в этой статье, где есть дополнительные инструкции. Если у вас остались вопросы, то задавайте их в комментариях.

И устройствах тепло в нагреваемом приборе выделяется токами, возникающими в переменном электромагнитном поле внутри агрегата. Называются они индукционными. В результате их действия происходит повышение температуры. Индукционный нагрев металлов основывается на двух главных физических законах:

• Фарадея-Максвелла;
• Джоуля-Ленца.

В металлических телах при их помещении в переменное поле начинают возникать вихревые электрические поля.

Устройство индукционного нагрева

Все происходит следующим образом. Под действием переменного изменяется электродвижущая сила (ЭДС) индукции.

ЭДС действует так, что внутри тел протекают вихревые токи, которые и выделяют теплоту в полном соответствии с законом Джоуля-Ленца. Также ЭДС генерирует переменный ток в металле. При этом происходит выделение тепловой энергии, что и приводит к повышению температуры металла.

Этот вид нагрева самый простой, так как является бесконтактным. Он позволяет достигать очень высоких температур, при которых можно обрабатывать

Чтобы обеспечить индукционный нагрев, требуется создать в электромагнитных полях определенное напряжение и частоту. Сделать это можно в специальном приборе - индукторе. Питание его производится от промышленной сети в 50 Гц. Можно для этого использовать индивидуальные источники питания - преобразователи и генераторы.

Самое простое устройство индуктора небольшой частоты - спираль (проводник изолированный), который может быть помещен внутрь металлической трубы или намотан на нее. Проходящие токи нагревают трубу, которая, в свою очередь, передает тепло в окружающую среду.

Применение индукционного нагрева на малых частотах - достаточно редко. Более распространена обработка металлов на средней и высокой частоте.

Такие устройства отличаются тем, что магнитная волна попадает на поверхность, где происходит ее затухание. Тело преобразует энергию этой волны в тепло. Для достижения максимального эффекта обе составляющие должны быть близки по форме.

Где используются

Применение индукционного нагрева в современном мире широко распространено. Область использования:

• плавка металлов, их пайка бесконтактным способом;
• получение новые сплавов металлов;
• машиностроение;
• ювелирное дело;
• изготовление небольших деталей, которые могут быть повреждены при применении других методов;
• (причем детали могут быть самой сложной конфигурации);
• термообработка (обработка деталей для машин, закаленных поверхностей);
• медицина (дезинфекция приборов и инструментов).

Индукционный нагрев: положительные характеристики

У такого способа немало преимуществ:

• С его помощью можно быстро нагреть и расплавить любой проводящий ток материал.
• Позволяет производить нагрев в любой среде: в вакууме, атмосфере, жидкости, не проводящей ток.
• За счет того что нагревается только проводящий материал, стенки, слабо поглощающие волны, остаются холодными.
• В специализированных областях металлургии получение сверхчистых сплавов. Это занимательный процесс, ведь металлы перемешиваются в подвешенном состоянии, в оболочке из защитного газа.

• В сравнении с другими типами, индукционный не загрязняет окружающую среду. Если в случае с газовыми горелками загрязнение присутствует, так же как и в дуговом нагреве, то индукционный это исключает, за счет "чистого" электромагнитного излучения.
• Малые размеры прибора индуктора.
• Возможность изготовления индуктора любой формы, это не приведет к локальному нагреву, а будет способствовать равномерному распределению тепла.
• Незаменим, если необходимо нагреть только определенный участок поверхности.
• Не составляет большого труда настроить такое оборудование на нужный режим и регулировать его.

Недостатки

Система имеет такие минусы:

• Самостоятельно установить и наладить тип нагрева (индукционный) и его оборудование довольно непросто. Лучше обратиться к специалистам.
• Необходимость точно сопоставить индуктор и заготовку, иначе недостаточным будет индукционный нагрев, мощность его может достигать малых величин.

Отопление индукционным оборудованием

Для обустройства индивидуального отопления можно рассмотреть такой вариант, как индукционный нагрев.

В качестве агрегата пойдет трансформатор, состоящий из обмоток двух видов: первичной и вторичной (которая, в свою очередь, коротко замкнута).

Как работает

Принцип работы обычного индуктора: вихревые потоки проходят внутри и направляют электрическое поле на второй корпус.

Чтобы через такой котел проходила вода, к нему подводят два патрубка: для холодной, что поступает, и на выходе теплой воды - второй патрубок. За счет давления вода постоянно циркулирует, что исключает возможность нагрева элемента индуктора. Наличие накипи здесь исключено, так как в индукторе происходят постоянные вибрации.

Такой элемент в обслуживании будет недорогим. Главный плюс в том, что прибор работает бесшумно. Устанавливать его можно в любом помещении.

Изготовление оборудования самостоятельно

Установка индукционного нагрева большой сложности не составит. Даже тот, кто не имеет опыта, после тщательного изучения справится с поставленной задачей. Перед началом работы нужно запастись следующими необходимыми элементами:

• Инвертор. Его можно использовать от сварочного аппарата, он недорогой и будет необходимой высокой частоты. Изготовить его можно самостоятельно. Но это затратное занятие по времени.
• Корпус нагревателя (для этого подойдет кусок пластиковой трубы, индукционный нагрев трубы в этом случае будет самым эффективным).
• Материал (сгодится проволока диаметром не более семи миллиметров).
• Приспособления для подключения индуктора к сети отопления.
• Сетка для удержания проволоки внутри индуктора.
• Индукционною катушку можно создать из (она должна быть эмалированной).
• Насос (для того, чтобы вода подавалась в индуктор).

Правила изготовления оборудования самостоятельно

Для того чтобы установка индукционного нагрева работала правильно, ток для такого изделия должен соответствовать мощности (составлять он должен не меньше 15 ампер, если требуется, то можно больше).

• Проволока должна быть нарезана на куски не более пяти сантиметров. Это нужно для эффективного нагрева в высокочастотном поле.
• Корпус должен быть по диаметру не меньше, чем подготовленная проволока, и обладать толстыми стенками.
• Для крепления к сети отопления на одну сторону конструкции крепится специальный переходник.
• На дно трубы нужно положить сетку для предотвращения выпадения проволоки.
• Последняя нужна в таком количестве, чтобы она заполнила все внутреннее пространство.
• Конструкция закрывается, ставится переходник.
• Затем сооружают из этой трубы катушку. Для этого обматывают ее уже заготовленной проволокой. Число витков нужно соблюсти: минимум 80, максимум 90.
• После подключения к системе отопления в аппарат заливают воду. Катушку подключают к заготовленному инвертору.
• Устанавливается насос для подачи воды.
• Монтируется регулятор температуры.

Таким образом, расчет индукционного нагрева будет зависеть от следующих параметров: длина, диаметр, температура и время обработки. Обращайте внимание и на индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше показателей самого индуктора.

Про варочные поверхности

Еще одно применение в домашнем обиходе, кроме системы отопления, данный вид нагрева нашел в варочных панелях плит.

Такая поверхность имеет вид обычного трансформатора. Катушка его спрятана под поверхность панели, которая может быть стеклянной или керамической. По ней проходит ток. Это первая часть катушки. А вот второй является та посуда, в которой будет проходить приготовление пищи. На дне посуды создаются вихревые токи. Они и нагревают сначала посуду, а затем продукты в ней.

Тепло будет выделяться только тогда, когда на поверхность панели поставят посуду.

Если она отсутствует, никакого действия не происходит. Индукционная зона нагрева будет соответствовать диаметру поставленной на нее посуды.

Для таких плит нужна специальная посуда. Большинство ферромагнитных металлов могут взамодействовать с индукционным полем: алюминий, нержавеющая и эмалированная сталь, чугун. Не подходят для таких поверхностей только: медная, керамическая, стеклянная и изготовленная из неферромагнитных металлов посуда.

Естественно, что включится только тогда, когда подходящая посуда будет на ней установлена.

Современные плиты снабжены электронным блоком управления, что позволяет распознавать пустую и непригодную для применения посуду. Основными преимуществами варочных являются: безопасность, легкость уборки, быстрота, эффективность, экономичность. Об поверхность панели никогда нельзя обжечься.

Итак, мы выяснили, где используется данный тип нагрева (индукционный).

Описание метода

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 (см. закон Джоуля-Ленца).

Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор , в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является 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 (Поверхностный-эффект), 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.

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, электролиты, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице.

Формула для вычисления глубины скин-слоя в мм:

,

где μ 0 = 4π·10 −7 - магнитная постоянная Гн/м, а ρ - удельное электрическое сопротивление материала заготовки при температуре обработки.

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 - этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.

Применение

• Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.
• Получение опытных образцов сплавов.
• Гибка и термообработка деталей машин.
• Ювелирное дело.
• Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.
• Поверхностная закалка.
• Закалка и термообработка деталей сложной формы.
• Обеззараживание медицинского инструмента.

Преимущества

• Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.
• Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в непроводящей жидкости, в вакууме.
• Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева - эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал - металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п.
• За счёт возникающих МГД усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе - так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле).
• Поскольку разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева, или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование.
• Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора .
• Индуктор можно изготовить особой формы - это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному непрогреву.
• Легко провести местный и избирательный нагрев.
• Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более мягко за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина при этом остаётся вязкой).
• Лёгкая автоматизация оборудования - циклов нагрева и охлаждения, регулировка и удерживание температуры, подача и съём заготовок.

Недостатки

• Повышенная сложность оборудования, необходим квалифицированный персонал для настройки и ремонта.
• При плохом согласовании индуктора с заготовкой требуется бо́льшая мощность на нагрев, чем в случае применения для той же задачи ТЭНов, электрических дуг и т. п.

Установки индукционного нагрева

На установках с рабочей частотой до 300 кГц используют инверторы на IGBT-сборках или MOSFET-транзисторах. Такие установки предназначены для разогрева крупных деталей. Для разогрева мелких деталей используются высокие частоты (до 5 МГц, диапазон средних и коротких волн), установки высокой частоты строятся на электронных лампах .

Также для разогрева мелких деталей строятся установки повышенной частоты на MOSFET-транзисторах на рабочие частоты до 1,7 МГц. Управление транзисторами и их защита на повышенных частотах представляет определённые трудности, поэтому установки повышенной частоты пока ещё достаточно дороги.

Индуктор для нагрева мелких деталей имеет небольшие размеры и небольшую индуктивность, что приводит к уменьшению добротности рабочего колебательного контура на низких частотах и снижению КПД, а также представляет опасность для задающего генератора (добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью слишком хорошо «накачивается» энергией, образует короткое замыкание по индуктору и выводит из строя задающий генератор). Для повышения добротности колебательного контура используют два пути:

1. повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;
2. применение ферромагнитных вставок в индукторе; обклеивание индуктора панельками из ферромагнитного материала.

Так как наиболее эффективно индуктор работает на высоких частотах, промышленное применение индукционный нагрев получил после разработки и начала производства мощных генераторных ламп. До первой мировой войны индукционный нагрев имел ограниченное применение. В качестве генераторов тогда использовали машинные генераторы повышенной частоты (работы В. П. Вологдина) или искровые разрядные установки.

Схема генератора может быть в принципе любой (мультивибратор , RC-генератор, генератор с независимым возбуждением, различные релаксационные генераторы), работающей на нагрузку в виде катушки-индуктора и обладающей достаточной мощностью. Необходимо также, чтобы частота колебаний была достаточно высока.

Например, чтобы «перерезать» за несколько секунд стальную проволоку диаметром 4 мм, необходима колебательная мощность не менее 2 кВт при частоте не менее 300 кГц.

Выбирают схему по следующим критериям: надёжность; стабильность колебаний; стабильность выделяемой в заготовке мощности; простота изготовления; удобство настройки; минимальное количество деталей для уменьшения стоимости; применение деталей, в сумме дающих уменьшение массы и габаритов, и др.

На протяжении многих десятилетий в качестве генератора высокочастотных колебаний применялась индуктивная трёхточка (генератор Хартли , генератор с автотрансформаторной обратной связью, схема на индуктивном делителе контурного напряжения). Это самовозбуждающаяся схема параллельного питания анода и частотно-избирательной цепью, выполненной на колебательном контуре. Она успешно использовалась и продолжает использоваться в лабораториях, ювелирных мастерских, на промышленных предприятиях, а также в любительской практике. К примеру, во время второй мировой войны на таких установках проводили поверхностную закалку катков танка Т-34.

Недостатки трёхточки:

1. Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).
2. Сильное отклонение частоты в момент нагрева заготовок из магнитных материалов выше точки Кюри (≈700С) (изменяется μ), что изменяет глубину скин-слоя и непредсказуемо изменяет режим термообработки. При термообработке ответственных деталей это может быть недопустимо. Также мощные твч-установки должны работать в узком диапазоне разрешённых Россвязьохранкультурой частот, поскольку при плохом экранировании являютcя фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.
3. При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя.
4. При смене одновитковых индукторов на многовитковые, на более крупные или более малогабаритные частота также изменяется.

Под руководством Бабата , Лозинского и других учёных были разработаны двух- и трёхконтурные схемы генераторов, имеющих более высокий кпд (до 70 %), а также лучше удерживающие рабочую частоту. Принцип их действия состоит в следующем. За счёт применения связанных контуров и ослабления связи между ними, изменение индуктивности рабочего контура не влечёт сильного изменения частоты частотозадающего контура. По такому же принципу конструируются радиопередатчики.

Современные твч-генераторы - это инверторы на IGBT-сборках или мощных MOSFET-транзисторах, обычно выполненные по схеме мост или полумост. Работают на частотах до 500 кГц. Затворы транзисторов открываются с помощью микроконтроллерной системы управления. Система управления в зависимости от поставленной задачи позволяет автоматически удерживать
а) постоянную частоту
б) постоянную мощность, выделяемую в заготовке
в) максимально высокий КПД.
Например, при нагреве магнитного материала выше точки Кюри толщина скин-слоя резко увеличивается, плотность тока падает, и заготовка начинает греться хуже. Также пропадают магнитные свойства материала и прекращается процесс перемагничивания - заготовка начинает греться хуже, сопротивление нагрузки скачкообразно уменьшается - это может привести к "разносу" генератора и выходу его из строя. Система управления отслеживает переход через точку Кюри и автоматически повышает частоту при скачкообразном уменьшении нагрузки (либо уменьшает мощность).

Замечания

• Индуктор по возможности необходимо располагать как можно ближе к заготовке. Это не только увеличивает плотность электромагнитного поля вблизи заготовки (пропорционально квадрату расстояния), но и увеличивает коэффициент мощности Cos(φ).
• Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты).
• При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев до точки Кюри идет намного эффективнее.
• При расчёте индуктора необходимо учитывать индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше индуктивности самого индуктора (если индуктор выполнен в виде одного витка небольшого диаметра или даже части витка - дуги).
• Иногда в качестве генератора высокой частоты использовали списанные мощные радиопередатчики, где антенный контур заменяли на нагревательный индуктор.

См. также

Ссылки

Литература

• Бабат Г. И., Свенчанский А. Д. Электрические промышленные печи. - М .: Госэнергоиздат, 1948. - 332 с.
• Бурак Я. И., Огирко И. В. Оптимальный нагрев цилиндрической оболочки с зависящими от температуры характеристиками материала // Мат. методы и физ.-мех. поля . - 1977. - В. 5. - С. 26-30.
• Васильев А. С. Ламповые генераторы для высокочастотного нагрева. - Л. : Машиностроение, 1990. - 80 с. - (Библиотечка высокочастотника-термиста; Вып. 15). - 5300 экз. - ISBN 5-217-00923-3
• Власов В. Ф. Курс радиотехники. - М .: Госэнергоиздат, 1962. - 928 с.
• Изюмов Н. М., Линде Д. П. Основы радиотехники. - М .: Госэнергоиздат, 1959. - 512 с.
• Лозинский М. Г. Промышленное применение индукционного нагрева. - М .: Изд-во АН СССР, 1948. - 471 с.
• Применение токов высокой частоты в электротермии / Под ред. А. Е. Слухоцкого. - Л. : Машиностроение, 1968. - 340 с.
• Слухоцкий А. Е. Индукторы. - Л. : Машиностроение, 1989. - 69 с. - (Библиотечка высокочастотника-термиста; Вып. 12). - 10 000 экз. -

Под индукционным, или высокочастотным нагревом понимают нагрев при бесконтактной передаче электроэнергии в заготовку электромагнитным полем, возникающим вокруг проводника, по которому течет переменный ток.

Применение индукционного нагрева пластической и термической обработки высоколегированных сортов стали и цветных металлов целесообразно при массовом производстве. Эффективность метода определяется высокой скоростью нагрева, в результате чего практически полностью исключается окисление металла, позволяет сохранить в стали мелкое зерно, обеспечивающее высокую пластичность заготовки, что снижает расход энергии на обработку ее давлением и увеличивает срок службы кузнечно-прессового оборудования. Непосредственно сами индукционные установки занимают в цехе мало места и легко встраиваются в поточные линии.

Способ имеет и недостатки, заключающиеся в повышенном расходе электроэнергии и высокой стоимости оборудования.

Теорию, индукционного нагрева и первые промышленные установки создал В. П. Вологдин.

Основная часть любой индукционной установки - индуктор - проводник электрического тока, которому может быть придана любая форма. Обычно его изготовляют из прямоугольных медных трубок в виде цилиндрической спирали. Индуктор может быть одно- и многовитковым. На рис. 6.5 представлен (по В. Н. Богданову и С. Е. Рыскину) индуктор для нагрева цилиндрических заготовок. Нагреваемые изделия 3 располагаются внутри спирали 1, изготовленной из медных трубок. Она имеет тепловую защиту 2 из шамотных трубок. Нагреваемые заготовки перемещаются внутри индуктора по водоохлаждаемым направляющим 4. Снаружи спираль удерживается деревянными брусками 5, зажатыми между асбоце­ментными плитами 6. Спираль охлаждается водой, протекающей внутри нее.

Рис. 6.5. Индуктор для нагрева целиндрических заготовок

При прохождении переменного тока через трубки внутри спирали возникает переменное электромагнитное поле. В заготовке, помещенной в индуктор, наводятся (индуктируются) переменные токи (токи Фуко), имеющие одинаковую частоту с частотой тока в спирали. Эти токи нагревают заготовку. В ней электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Переменный ток в сечении проводника распределяется неравномерно, поэтому в проводе индуктора и заготовке максимальная плотность тока будет на поверхности. В глубь проводника плотность тока уменьшается по экспоненте. Условно принято считать, что ток распространяется в пределах определенной толщины, которую называют глубиной проникания тока , где выделяется 90 % тепла. Значение зависит от частоты тока, магнитной проницаемости и удельной электропроводимости материала.

Все металлы и сплавы по магнитным свойствам подразделяют на две группы: ферромагнитные и парамагнитные. Ферромагнитные материалы (углеродистые стали, железо, никель и кобальт) обладают высокой магнитной проницаемостью. Парамагнитные материалы (жаропрочные и нержавеющие стали, латунь, мельхиор, и др.) имеют магнитную проницаемость, близкую к магнитной проницаемости вакуума.

При достижении нагреваемым материалом температуры, соответствующей точке магнитного превращения (критической точке или точке Кюри), значение магнитной проницаемости ферромагнитных материалов уменьшается в 100-200 раз и снижается до величины магнитной проницаемости вакуума, что сопровождается увеличением глубины проникания тока . Критической точке того или иного материала отвечает вполне определенная температура тела. Для стали она равна 768 °С. Поэтому различают две глубины проникания тока: до точки Кюри и после нее («горячую» глубину проникания тока), м. Для меди, нагретой до 60 °С, . Для стали при температурах 1100 - 1200 °С .

Подводимая к индуктору электрическая энергия частично передается в нагреваемые заготовки, а меньшая часть расходуется на нагрев провода индуктора. Отношение количества энергии, передаваемой в заготовку, ко всему количеству энергии, подводимой к индуктору, называют электрическим КПД индуктора . Его значение зависит главным образом от отношения диаметра заготовки к глубине проникания тока , т. е. определяется частотой тока. Электрический КПД растет с увеличением частоты и достигает предельного значения при .

Рис.6.6. Зависимость электрического(/), термического (2) и полного (3) КПД"

индуктора от соотношения диаметра заготовки и глубины проникания в нагретую сталь

Отношение количества энергии, затраченной на нагрев заготовок, к количеству энергии, переданной ей индуктором, называют термическим или тепловым КПД г\ т. Он зависит не только от температуры и продолжительности нагрева, но и от размеров теплоотдающей поверхности. С увеличением величина снижается. Полный КПД индуктора

Характер изменения всех трех коэффициентов приведен на рис. 6.6. Полный КПД индуктора зависит от частоты тока. Ниже приведены рекомендуемые частоты для нагрева стальных заготовок различного диаметра.

f, Гц 50 500 1000 2500 8000 Более 1000

Мм 150 70-160 50-120 30-80 15-40 20

Видно, что цилиндрические заготовки одного и того же диаметра, возможно, нагревать током двух или трех смежных частот. Заготовки диаметром более 50-60 мм до точки Кюри целесообразно нагревать током промышленной частоты, а выше этой точки током повышенной частоты. Нагрев токами двух частот позволяет получать достаточно высокие значения электрического КПД.

Известно два режима нагрева на этих установках: при постоянной температуре на поверхности (методический) и обычный.

Рис. 6.7. Схема индукцион­ной установки с машинным генератором:

1 - магнитный пускатель;

2- автотрансформатор;

3 - двигатель;

4 - выпрямитель;

5 - реостат;

6 - генератор повышенной частоты;

7 - автотрансформатор;

8 - трансформатор;

9 - конденсатор;

10 - индуктор

Для реализации первого режима в начале нагрева к заготовке подводят повышенную мощность, и когда металл будет прогрет до заданной температуры на всю глубину проникания тока, мощность снижают до значения, достаточного для сохранения температуры поверхности постоянной. Плотность теплового потока и, следовательно, мощность на поверхности заготовки пропорциональны квадрату числа ампер-витков, отнесенных к единице длины индуктора. Поэтому при методическом способе нагрева число витков индуктора изменяют по длине. В «холодном» конце индуктора, куда подают заготовки, шаг спирали индуктора минимальный, а в «горячем» - максимальный. Сила тока в индукторе и темп проталкивания заготовки в этом режиме остаются неизменными. Мощность, подводимая к неподвижным заготовкам в обычном режиме нагрева, регулируется изменением силы тока в индукторе путем изменения напряжения с помощью трансформатора. Продолжительность нагрева заготовок зависит от подводимой мощности и частоты тока. Она вычисляется с использованием законов нестационарной теплопроводности или принимается по опытным данным. Ниже приведены данные о продолжительности нагрева стальных заготовок различных диаметров под обработку металлов давлением током частотой 1000 и 2500 Гц, обозначенные соответственно и :

Мм 60 90 120

С 60/45 180/115 450/215

С 100/50 300/130 540/240

Цифры в числителе соответствуют обычному нагреву, а в знаменателе - ускоренному, при постоянной температуре поверхности.

В качестве источников тока повышенной частоты для питания индукционных установок используют электромашинные генераторы и статические преобразователи частоты.

Электромашинные преобразователи состоят из индукторного генератора повышенной частоты, ротор которого приводится во вращение трехфазным двигателем. Генераторы выпускают на частоту 800, 1000, 2500, 8000, 10000 Гц и мощностью до 2500 кВт. Они позволяют осуществить групповое питание нескольких установок. Их обычно устанавливают в специальных помещениях. Это самая дорогостоящая часть индукционной установки.

Ламповые генераторы преобразуют ток промышленной частоты в высокочастотный (от 60 кГц до нескольких мегагерц). Преобразование тока в генераторе проводят дважды: сначала ток промышленной частоты выпрямляют, а затем постоянный ток преобразуют в переменный высокой частоты. Простейшие преобразователи состоят из выпрямителя с анодным трансформатором, генераторной лампы (триода) и колебательного контура. Мощности таких генераторов измеряются десятками киловатт. Их обычно используют для закалки стальных изделий.

К статическим преобразователям частоты относят тиристорные и ионные преобразователи, позволяющие получать ток с частотой до 10 кГц.

В тиристорных преобразователях частоты совмещаются два процесса: выпрямление и инвертирование (преобразование постоянного тока в ток повышенной частоты). Чаще всего выпрямление и инвертирование осуществляют разные группы тиристоров.