Индукционные нагреватели


Принцип работы индукционного нагревателя основан на двух физических эффектах: первый заключается в том, что при движении проводящего контура в магнитном поле в проводнике возникает индуцированный ток, а второй основан на выделении тепла металлами, через которые пропускают ток. Первый индукционный нагреватель был реализован в 1900 году, когда был найден способ бесконтактного нагрева проводника – для этого использовали токи высокой частоты, которые индуцировались с помощью переменного магнитного поля.

Достоинства и преимущества

Индукционный нагрев нашёл применение в различных сферах деятельности человека благодаря:

  • быстрому разогреву;
  • возможности работы в различных по физическим свойствам средах (газ, жидкость, вакуум);
  • отсутствию загрязнений продуктами горения;
  • возможности избирательного нагрева;
  • формам и размерам индуктора – они могут быть любыми;
  • возможности автоматизации процесса;
  • высокому проценту КПД – до 99%;
  • экологичности – нет вредных выбросов в атмосферу;
  • длительному сроку службы.

Сфера применения: отопление помещений

В быту схема индукционного нагревателя была реализована для котлов отопления и плит. Первые получили особенно большую популярность и признание у пользователей за счёт отсутствия нагревательных элементов, которые снижают работоспособность в котлах с другим принципом действия, и разъёмных соединений, что даёт экономию на обслуживании систем индукционного отопления.

Примечание: Схема устройства настолько проста, что может быть создана в домашних условиях, и своими руками можно создать самодельный нагреватель.

На практике используются несколько вариантов, где используется разного типа индукторы:

  • нагреватели с электронным управлением для создания токов нужного вида в катушке;
  • вихревые индукционные нагреватели.
Электрическая схема индукционного нагревателя
Электрическая схема индукционного нагревателя

Принцип действия

Последний вариант, наиболее часто используемый в котлах отопления, стал востребован за счёт простоты его реализации. Принцип работы установки индукционного нагрева основан на передаче энергии магнитного поля теплоносителю (воде). Магнитное поле формируется в индукторе. Переменный ток, проходя через катушку, создаёт вихревые потоки, которые трансформируют энергию в тепло.


Принцип работы установки индукционного нагрева
Принцип работы установки индукционного нагрева

Вода, подаваемая через нижний патрубок в котёл, прогревается за счёт передачи энергии, и выходит через верхний патрубок, попадая дальше в систему отопления. Для создания давления используют встроенный насос. Постоянно циркулирующая в котле вода не позволяет элементам перегреваться. Кроме того, во время работы происходит вибрация теплоносителя (при низком уровне шума) за счёт чего невозможно отложение накипи на внутренних стенках котла.

Индукционные нагреватели могут быть реализованы различными способами.

Реализация в бытовых условиях

Индукционное отопление ещё не завоевало в достаточной степени рынок из-за высокой стоимости самой системы обогрева. Так, например, для промышленных предприятий подобная система обойдётся в 100 000 рублей, для бытового использования – от 25 000 руб. и выше. Поэтому вполне понятен интерес к схемам, которые позволяют создать самодельный индукционный нагреватель своими руками

Индукционный котел отопления
Индукционный котел отопления


На базе трансформатора

Основным элементом системы индукционного отопления с трансформатором станет само устройство, у которого есть первичная и вторичная обмотки. Вихревые потоки будут формироваться в первичной обмотке и создадут электромагнитное индукционное поле. Это поле будет воздействовать на вторичную, которая и есть, по сути, индукционный нагреватель, реализованный физически в виде корпуса котла отопления. Именно вторичная короткозамкнутая обмотка передает энергию теплоносителю.

Вторичная короткозамкнутая обмотка трансформатора
Вторичная короткозамкнутая обмотка трансформатора

Главными элементами установки индукционного нагрева являются:

  • сердечник;
  • обмотка;
  • два вида изоляции – тепло- и электроизоляция.

Сердечник – это две ферримагнитные трубки разного диаметра с толщиной стенок не менее 10 мм, вваренные друг в друга. Тороидальная обмотка из медного провода производится по внешней трубке. Необходимо наложить от 85 до 100 витков с равным расстоянием между витками. Переменный ток, изменяясь во времени, создаёт вихревые потоки в замкнутом контуре, которые и нагревают сердечник, следовательно, и теплоноситель, осуществляя индукционный нагрев.

 С использованием высокочастотного сварочного инвертора

Индукционный нагреватель может быть создан с использованием сварочного инвертора, где главными компонентами схемы служат генератор переменного тока, индуктор и нагревательный элемент.

Генератор используется для преобразования стандартной частоты в сети электропитания 50 Гц в в ток с более высокой частотой. Этот модулированный ток подаётся на цилиндрическую катушку-индуктор, где в качестве обмотки используется медная проволока.


Медная проволока для обмотки
Медная проволока для обмотки

Катушка создаёт переменное магнитное поле, вектор которого меняется с заданной генератором частотой. Созданные вихревые токи, индуцированные магнитным полем, производят нагрев металлического элемента, который передаёт энергию теплоносителю. Таким образом реализуется ещё одна схема индукционного отопления, выполненная своими руками.

Индукционные нагреватели

Нагревательный элемент тоже может быть создан своими руками из нарезанной металлической проволоки длиной около 5 мм и отрезка полимерной трубы, в которую помещается металл. При установке вентилей сверху и снизу трубы следует проверить плотность наполнения – не должно оставаться свободного пространства. Согласно схеме поверх трубы накладывается около 100 витков медной проводки, которая и является индуктором, подключаемым к клеммам генератора. Индукционный нагрев медной проволоки происходит за счёт вихревых токов, формируемых переменным магнитным полем.

Примечание: Индукционные нагреватели своими руками могут выполнены по любой схеме, главное помнить о том, что важно осуществить надёжную теплоизоляцию, в противном случае КПД системы отопления значительно упадёт.

Правила безопасности

Для систем отопления, где используется индукционный нагрев, важно соблюдать несколько правил во избежание утечек, потерь КПД, расходования электроэнергии, несчастных случаев.


  1. В системах индукционного отопления необходимо наличие предохранительного клапана для сброса воды и пара на случай выхода из строя насоса.
  2. Манометр и УЗО обязательны для безопасной работы отопительной системы, собранной своими руками.
  3. Наличие заземления и электроизоляции всей системы индукционного отопления предупредит поражение электрическим током.
  4. Во избежание пагубного воздействия электромагнитного поля на организм человека подобные системы лучше выносить за пределы жилой зоны, где следует соблюдать правила монтажа, согласно которым устройство индукционного нагрева должно размещаться на расстоянии 80 см от горизонтальных (пола и потолка) и 30 см от вертикальных поверхностей.
  5. Перед включением системы следует обязательно проверять наличие теплоносителя.
  6. Для предотвращения сбоев в работе электросети рекомендуется подключение котла с индукционным нагревом, выполненного своими руками по предложенным схемам, к отдельной питающей линии, сечение кабеля которой будет составлять не менее 5 мм2. Обычная проводка может не выдержать требуемое энергопотребление.


opechi.com

История индукционных нагревателей

В период с 1822 по 1831 год известнейший английский ученый Фарадей провел серию экспериментов, целью которых было добиться преобразования магнетизма в электрическую энергию. Он проводил много времени в своей лаборатории. Пока в один прекрасный день, в 1831 году, Майкл Фарадей все-таки не добился своего. У ученого наконец вышло получить электрический поток в первичной обмотке из проволоки, которая была намотана на железный сердечник. Так была открыта электромагнитная индукция.

Сила индукции

Это открытие стали применять в промышленности, в трансформаторах, различных моторах и генераторах. Однако по-настоящему это открытие стало популярным и необходимым лишь через 70 лет. Во времена подъема и развития металлургической промышленности требовались новые, современные методы плавки металлов в условиях металлургических производств. Кстати, первую плавильню, которая использовала вихревой индукционный нагреватель, запустили в 1927 году. Завод располагался в небольшом английском городке Шеффилде.

И в хвост и в гриву


В 80-х принцип индукции уже стали применять по полной программе. Инженеры сумели создать нагреватели, которые работали на основе того же принципа индукции, что и металлургическая печь для плавки металлов. Такими приборами обогревали цеха заводов. Чуть позже стали выпускать бытовые устройства. А некоторые умельцы не покупали их, а собирали индукционные нагреватели своими руками.

Принцип действия

Если разобрать котел индукционного типа, то там вы найдете сердечник, электрическую и тепловую изоляцию, затем корпус. Отличие этого нагревателя от тех, которые используются в промышленности — это тороидальная обмотка медными проводниками. Она расположена между двух сваренных между собой труб. Эти трубы изготавливаются из ферромагнитной стали. Стенка такой трубы — более 10 мм. В результате такой конструкции нагреватель имеет гораздо меньший вес, более высокий КПД, а также небольшие размеры. В качестве сердечника здесь работает труба с обмоткой. А другая служит непосредственно для нагревания теплоносителя.

Ток индукции, который генерируется магнитным полем высокой частоты с внешней обмотки на трубу, нагревает теплоноситель. Этот процесс вызывает вибрацию стенок. Благодаря чему на них не откладывается накипь.

Нагрев происходит за счет того, что в процессе работы нагревается сердечник. Его температура повышается из-за вихревых токов. Последние образуются за счет магнитного поля, которое, в свою очередь, генерируется токами высокого напряжения. Так работает индукционный нагреватель воды и многие современные котлы.

Сила индукции своими руками


Нагревательные приборы, которые в качестве энергии используют электричество, максимально удобны и комфортны в использовании. Они намного безопаснее, чем оборудование, работающее на газу. К тому же в этом случае нет ни копоти, ни сажи.

Один из недостатков такого нагревателя — высокий расход электричества. Чтобы как-то экономить, народные умельцы научились собирать индукционные нагреватели своими руками. В итоге получается отличный аппарат, которому для работы нужно гораздо меньше электрической энергии.

Процесс изготовления

Чтобы сделать такое устройство самостоятельно, не нужно обладать серьезными знаниями в электротехнике, и со сборкой конструкции справится любой человек.

Для этого нам понадобится кусок толстостенной пластиковой трубы. Она будет работать как корпус нашего агрегата. Далее нужна стальная проволока диаметром не больше 7 мм. Также, если необходимо подключать нагреватель к отоплению в доме или квартире, желательно приобрести переходники. Еще нужна сетка из металла, которая должна удерживать стальную проволоку внутри корпуса. Естественно, необходима медная проволока, чтобы создать катушку индуктивности. Также практически у каждого в гараже найдется высокочастотный инвертор. Ну уж в частном секторе такое оборудование можно отыскать без труда. Удивительно, но из подручных средств можно без особых затрат делать индукционные нагреватели своими руками.


Сначала необходимо провести подготовительные работы для проволоки. Ее нарезаем кусками длиной 5-6 см. Дно части трубы нужно закрыть сеткой, а внутрь насыпать куски порезанной проволоки. Сверху трубу надо также закрыть сеткой. Нужно сыпать столько проволоки, чтобы снизу доверху заполнить трубу.

Далее изготовим катушку. Основой выступит корпус из пластика. На него нужно намотать 90 витков меди.

Когда деталь будет готова, нужно установить ее в систему отопления. Затем можно подключать катушку к электричеству через инвертор. Считается, что индукционный нагреватель из инвертора — это очень простой и максимально бюджетный прибор.

Не стоит проводить испытания аппарата, если нет подачи воды или антифриза. Вы просто расплавите трубу. Прежде чем запускать эту систему, желательно сделать заземление для инвертора.

Современный нагреватель

Это второй вариант. Он предполагает применение продуктов современных электронных приборов. Такой индукционный нагреватель, схема которого представлена ниже, не нужно настраивать.

Данная схема подразумевает принцип последовательного резонанса и может развивать приличную мощность. Если использовать более мощные диоды и конденсаторы большей емкости, то можно повысить показатели агрегата до серьезного уровня.

Собираем вихревой индукционный нагреватель

Для того чтобы собрать данный аппарат, понадобится дроссель. Его можно найти, если вскрыть блок питания обычного компьютера. Далее нужно намотать провод из ферромагнитной стали, медную проволоку 1,5 мм. В зависимости от необходимых параметров может понадобиться от 10 до 30 витков. Затем нужно подобрать полевые транзисторы. Их выбирают исходя из максимального сопротивления открытого перехода. Что касается диодов, то их нужно брать под обратное напряжение не меньше чем 500 В, при том что ток будет где-то 3-4 А. Также понадобятся стабилитроны, рассчитанные на 15-18 В. А мощность их должна быть порядка 2-3 Вт. Резисторы – до 0,5 Вт.

Далее нужно собрать схему и изготовить катушку. Это основа, на которой базируется весь индукционный нагреватель ВИН. Катушка будет состоять из 6-7 витков медного провода 1,5 мм. Затем деталь нужно включить в схему и подключить к электричеству.

Устройство способно греть болты до желтого цвета. Схема предельно проста, однако в работе система выделяет много тепла, поэтому лучше установить радиаторы на транзисторы.

Более сложная конструкция

Для того чтобы собрать данный агрегат, нужно уметь работать со сваркой, а также пригодится трехфазный трансформатор. Конструкция представлена в виде двух труб, которые необходимо вварить друг в друга. Одновременно они будут исполнять роль сердечника и нагревателя. Обмотка наматывается на корпус. Так можно значительно повысить производительность и при этом добиться небольших габаритных размеров и малого веса.

Чтобы выполнить подвод и отвод теплоносителя, необходимо в корпус устройства вварить два патрубка.

Рекомендуется, чтобы максимально исключить возможные потери тепла, а также обезопасить себя от вероятных утечек тока, сделать для котла изоляцию. Она позволит исключить возникновение излишних шумов, особенно во время интенсивной работы.

Основные правила и рекомендации

Подобными системами желательно пользоваться в закрытых отопительных контурах, в которых есть принудительная циркуляция теплоносителя. Разрешается применять такие агрегаты для пластиковых трубопроводов. Котел нужно устанавливать таким образом, чтобы расстояние между ним и стенами, другими электрическими приборами было не меньше 30 см. От пола и потолка желательно тоже соблюдать дистанцию в 80 см. Также рекомендуют смонтировать за выходным патрубком систему безопасности. Для этого подойдет манометр, устройство сброса воздуха, а также подрывной клапан.

Вот так легко и без больших затрат можно собирать индукционные нагреватели своими руками. Это оборудование вполне может служить вам долгие годы и греть ваш дом.

Итак, мы выяснили, как делается своими руками индукционный нагреватель. Схема сборки не очень сложная, так что справиться можно за считаные часы.

www.syl.ru

История индукционного нагрева[править | править код]

Открытие электромагнитной индукции в 1831 году принадлежит Майклу Фарадею. При движении проводника в поле магнита в нём наводится ЭДС, так же как при движении магнита, силовые линии которого пересекают проводящий контур. Ток в контуре называется индукционным. На законе электромагнитной индукции основаны изобретения множества устройств, в том числе определяющих — генераторов и трансформаторов, вырабатывающих и распределяющих электрическую энергию, что является фундаментальной основой всей электротехнической промышленности.

В 1841 году Джеймс Джоуль (и независимо от него Эмиль Ленц) сформулировал количественную оценку теплового действия электрического тока: «Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля» (закон Джоуля — Ленца). Тепловое действие индуцированного тока породило поиски устройств бесконтактного нагрева металлов. Первые опыты по нагреву стали с использованием индукционного тока были сделаны Е. Колби в США.

Первая успешно работающая т. н. канальная индукционная печь для плавки стали была построена в 1900 году на фирме «Benedicks Bultfabrik» в городе Gysing в Швеции. В респектабельном журнале того времени «THE ENGINEER» 8 июля 1904 г. появилась знаменитая публикация, где шведский изобретатель инженер F. A. Kjellin рассказывает о своей разработке. Печь питалась от однофазного трансформатора. Плавка осуществлялась в тигле в виде кольца, металл, находящийся в нём, представлял вторичную обмотку трансформатора, питающегося током 50-60 Гц.

Первая печь мощностью 78 кВт была запущена в эксплуатацию 18 марта 1900 года и оказалась весьма неэкономичной, поскольку производительность плавки составляла всего 270 кг стали в сутки. Следующая печь была изготовлена в ноябре того же года мощностью 58 кВт и ёмкостью 100 кг по стали. Печь показала высокую экономичность, производительность плавки составила от 600 до 700 кг стали в сутки. Однако износ футеровки от тепловых колебаний оказался на недопустимом уровне, частые замены футеровки снижали итоговую экономичность.

Изобретатель пришёл к выводу, что для максимальной производительности плавки необходимо при сливе оставлять значительную часть расплава, что позволяет избежать многих проблем, в том числе износа футеровки. Такой способ выплавки стали с остатком, который стали называть «болото», сохранился до сих пор в некоторых производствах, где применяются печи большой ёмкости.

В мае 1902 года была введена в эксплуатацию значительно усовершенствованная печь ёмкостью 1800 кг, слив составлял 1000—1100 кг, остаток 700—800 кг, мощность 165 кВт, производительность плавки стали могла доходить до 4100 кг в сутки! Такой результат по потреблению энергии 970 кВт⋅ч/т впечатляет своей экономичностью, которая мало уступает современной производительности порядка 650 кВт⋅ч/т. По расчётам изобретателя из потребляемой мощности 165 кВт в потери уходило 87,5 кВт, полезная тепловая мощность составила 77,5 кВт, получен весьма высокий полный КПД, равный 47 %. Экономичность объясняется кольцевой конструкцией тигля, что позволило сделать многовитковый индуктор с малым током и высоким напряжением — 3000 В. Современные печи с цилиндрическим тиглем значительно компактнее, требуют меньших капитальных вложений, проще в эксплуатации, оснащены многими усовершенствованиями за сотню лет своего развития, однако КПД повышен несущественно. Правда, изобретатель в своей публикации игнорировал тот факт, что плата за электроэнергию осуществляется не за активную мощность, а за полную, которая при частоте 50-60 Гц примерно вдвое выше активной мощности. А в современных печах реактивная мощность компенсируется конденсаторной батареей.

Своим изобретением инженер F. A. Kjellin положил начало развития промышленных канальных печей для плавки цветных металлов и стали в индустриальных странах Европы и в Америке. Переход от канальных печей 50-60 Гц к современным высокочастотным тигельным длился с 1900 по 1940 г.

Принцип действия[править | править код]

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 бессердечниковый трансформатор, 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 (скин-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 увеличивается в e раз относительно плотности тока в заготовке, 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, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице.

Формула для вычисления глубины скин-слоя в мм:

Δ = 10 3 ρ μ π f {displaystyle Delta =10^{3}{sqrt {frac {rho }{mu pi f}}}}

,

где ρ — удельное электрическое сопротивление материала заготовки при температуре обработки, Ом·м, f — частота электромагнитного поля, генерируемого индуктором, Гц.

Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,047 мм, для железа ≈ 0,0001 мм[источник не указан 131 день].

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[править | править код]

  • 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.
  • Распыление геттера и прогрев (активация и тренировка) катода в процессе производства вакуумных электронных приборов.

Преимущества[править | править код]

  • Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.
  • Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в 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, жидкие металлы и т. п. Например, внутренности радиолампы можно прогревать для обезгаживания прямо через стеклянную колбу. Электролиты (растворы солей) невозможно нагревать индукционным нагревом, так как ионы, в отличие от электронов, обладают большой массой и малой подвижностью.
  • 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 тигеле).
  • 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.
  • Нет загрязнения воздуха, так как отсутствуют продукты горения. Небольшие установки индукционного нагрева можно эксплуатировать в замкнутом и плохо проветриваемом помещении, не оборудованном специальными средствами вентиляции и вытяжками (гаражи, небольшие домашние мастерские, подвалы).
  • 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 медленно за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина детали при этом остаётся вязкой).
  • Лёгкая автоматизация оборудования и конвейерных производственных линий. Простота управления циклами нагрева и охлаждения. Простая регулировка и удерживание температуры, стабилизация мощности, подача и съём заготовок.

Недостатки[править | править код]

  • Повышенная сложность оборудования, необходим квалифицированный персонал для проектирования установок, их 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 электронагревательных спиралей.
  • Требуется мощный источник электроэнергии для питания установки индукционного нагрева, а также насос и бак с охлаждающей жидкостью для охлаждения индуктора (чиллер), которые в полевых условиях могут отсутствовать. В этом случае применение, например, газовых горелок с портативными газовыми баллонами более оправдано.
  • Несмотря на небольшие размеры индуктора, агрегат индукционного нагрева в целом достаточно громоздок и маломобилен и больше подходит для стационарной установки в помещении, чем для выездных работ.

Левитационный нагрев[править | править код]

Устройства индукционного нагрева[править | править код]

Генераторы индукционных токов[править | править код]

Нагревательный индуктор представляет собой катушку индуктивности, входящую в состав рабочего колебательного контура с компенсирующей конденсаторной батареей. Раскачку контура осуществляют либо с помощью электронных ламп, либо с помощью полупроводниковых электронных ключей. 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 (на низких частотах индуктивное сопротивление индуктора (катушки колебательного контура) мало, и возникает короткое замыкание по катушке (индуктору). Добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью очень плохо «накачивается» энергией. 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 (≈700 °С) (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 являются 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.

Недостаток многоконтурных систем — повышенная сложность и возникновение паразитных колебаний УКВ-диапазона, которые бесполезно рассеивают мощность и выводят из строя элементы установки. Также такие установки склонны к затягиванию колебаний — самопроизвольному переходу генератора с одной из резонансных частот на другую.

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:

  1. постоянную частоту;
  2. постоянную мощность, выделяемую в заготовке;
  3. 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.

Проблема индукционного нагрева заготовок из магнитных материалов[править | править код]

Если инвертор для индукционного нагрева не является автогенератором, не имеет схемы автоподстройки частоты (ФАПЧ) и работает от внешнего задающего генератора (на частоте, близкой к резонансной частоте колебательного контура «индуктор — компенсирующая батарея конденсаторов»). В момент внесения заготовки из магнитного материала в индуктор (если размеры заготовки достаточно крупны и соизмеримы с размерами индуктора), индуктивность индуктора резко увеличивается, что приводит к скачкообразному уменьшению собственной резонансной частоты колебательного контура и отклонению её от частоты задающего генератора. Контур выходит из резонанса с задающим генератором, что приводит к увеличению его сопротивления и скачкообразному уменьшению передаваемой в заготовку мощности. Если мощность установки регулируется внешним источником питания, то естественной реакцией оператора является увеличить напряжение питания установки. При разогреве заготовки до точки Кюри, её магнитные свойства исчезают, собственная частота колебательного контура возвращается обратно к частоте задающего генератора. Сопротивление контура резко уменьшается, резко возрастает потребляемый ток. Если оператор не успеет снять повышенное напряжение питания, то установка перегревается и выходит из строя. Если установка оборудована автоматической системой управления, то система управления должна отслеживать переход через точку Кюри и автоматически уменьшать частоту задающего генератора, подстраивая его в резонанс с колебательным контуром (либо уменьшать подаваемую мощность, если изменение частоты недопустимо).

Если производится нагрев немагнитных материалов, то вышесказанное значения не имеет. Внесение в индуктор заготовки из немагнитного материала практически не меняет индуктивность индуктора и не сдвигает резонансную частоту рабочего колебательного контура, и необходимости в системе управления нет.

Если размеры заготовки много меньше размеров индуктора, то она тоже не сильно сдвигает резонанс рабочего контура.

Индукционные плиты[править | править код]

Индукционная плита — кухонная электрическая плита, разогревающая металлическую посуду индуцированными вихревыми токами, создаваемыми высокочастотным магнитным полем, частотой 20-100 кГц.

Такая плита обладает большим КПД по сравнению с ТЭН электроплитками, так как меньше тепла уходит на нагрев корпуса, а кроме того отсутствует период разгона и остывания (когда зря тратится выработанная, но не поглощенная посудой энергия).

Индукционные плавильные печи[править | править код]

Индукционные (бесконтактные) плавильные печи — электрические печи для расплавления и перегрева металлов, в которых нагрев происходит за счет вихревых токов, возникающих в металлическом тигеле (и металле), либо только в металле (если тигель изготовлен не из металла; такой способ нагрева более эффективен, если тигель плохо теплоизолирован).

Применяется в литейных цехах металлургических заводов, а также в цехах точного литья и ремонтных цехах машиностроительных заводов для получения стальных отливок высокого качества. Возможна плавка цветных металлов (бронзы, латуни, алюминия) и их сплавов в графитовом тигле. Индукционная печь работает по принципу трансформатора, у которого первичной обмоткой является водоохлаждаемый индуктор, вторичной и одновременно нагрузкой — находящийся в тигле металл. Нагрев и расплавление металла происходят за счёт протекающих в нём токов, которые возникают под действием электромагнитного поля, создаваемого индуктором.

Замечания[править | править код]

  • 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 {displaystyle operatorname {cos} varphi }

    .

  • Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты).
  • При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев идёт намного эффективнее (до точки Кюри).
  • 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.
  • Индукционный нагрев можно проводить в воде, даже солёной. Так как ионы растворённых в воде солей тяжёлые и обладают большой инерционностью, высокочастотное электромагнитное поле не может их «раскачать» и загрязнённая вода не нагревается.

См. также[править | править код]

  • Индуктор нагревательный
  • Диэлектрический нагрев
  • Индукционная тигельная печь
  • Индукционная плита
  • Вихревые токи
  • Токи высокой частоты

Ссылки[править | править код]

  • Простой самодельный индукционный нагреватель
  • Форум, посвященный индукционному нагреву

ru.wikipedia.org


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.