Физические принципы работы водонагревателя на индукционном токе и как его собрать своими руками. Как сделать индукционный нагреватель своими руками из сварочного инвертора

Многих привлекает электрическое отопление тем, что оно работает автономно и не надо за ним постоянно присматривать. Негативной стороной таких отопительных котлов является стоимость и технические требования.

В некоторых местах их просто нельзя применить. Но многих владельцев это не пугает, и они считают, что именно простота эксплуатации перекрывает все недостатки.

Особенно тогда, когда на рынках сбыта появились новые типы , имеющих индуктивные катушки, а не ТЕНы. Они с мгновенной скоростью разогревают и экономно отапливают здание, по мнению владельцев агрегатов. Новый тип котлов называют индукционным.

Новый вид нагревателей удобен в эксплуатации. Считаются безопасными, в сравнении с газовыми нагревателями, нет сажи и копоти, что не скажешь о приборах с твёрдым топливом. И самое главное преимущество – нет нужды заготавливать твёрдое топливо (уголь, дрова, ).

И как только появились индукционные нагреватели, сразу нашлись умельцы, которые в целях экономии, пытаются создать такую установку своими руками.

В этой статье мы поможем вам сконструировать нагревательный прибор самостоятельно.

Устройство, где происходит нагревание металла и продуктов ему подобных без контакта, называют индукционным нагревателем. Работой управляет переменное индукционное поле, воздействующее на металл, и токи внутри образуют тепло.

Токи высокой частоты воздействуют на продукцию помимо изоляции, из-за чего конструкция является необыкновенной перед другими видами нагрева.

В сегодняшних индукционных нагревателях присутствуют полупроводниковые редукторы частоты. Такой тип нагревания широко используется в термообработке поверхностей из стали и различных соединений, сплавов.

Компактность оборудования используются в новаторских технологиях, при этом, присутствует огромный экономический эффект. Разнообразные модели помогают внедряться гибким и автоматизированным сочетаниям, включающие в себя транзисторные редукторы частот всестороннего типа и соединительные блоки, когда предпочитается индукционная система.

Описание

В состав типового нагревательного элемента входят следующие узлы:

1. Нагревательный элемент в виде прутка или металлической трубки.
2. Индуктор – это медная проволока, обрамляющая витками катушку. В процессе работы он исполняет роль генератора.
3. Генератор переменного тока. Отдельная конструкция, где происходит преобразование стандартного тока в величину с высокой частотой.

На практике, индукционные установки используются недавно. Теоретические изучения намного опережают. Такое можно объяснить одной преградой – получение высокой частоты магнитных полей. Дело в том, что использовать установки с низкой частотой считается неэффективным. Как только появились с высокой частотой, проблема разрешилась.

Генераторы ТВЧ прошли свой эволюционный период; от ламповых, до современных моделей, выполняющихся на базе IGBT. Теперь они более эффективные, имеют малый вес и размеры. Частотное ограничение их 100 кГц за счёт динамических потерь транзисторов.

Принцип работы и область применения

Генератором повышается частота тока и передаёт свою энергию катушке. Индуктором ведётся преобразование высокочастотного тока в переменное электромагнитное поле. С высокой частотой меняются электромагнитные волны.

Нагревание происходит за счёт разогрева вихревых токов, которые провоцируются переменными вихревыми векторами электромагнитного поля. Почти без потерь передаётся энергия с высоким КПД и энергии достаточно на разогрев теплоносителя и даже больше.

Аккумуляторная энергия передаётся на теплоноситель, который находится внутри трубы. Теплоноситель, в свою очередь, является охладителем нагревательного элемента. За счёт чего, увеличивается срок эксплуатации.

Промышленность является наиболее активным потребителем индукционных нагревателей, так как многие проектирования предусматривают вести с высокой термообработкой. С их использованием повышается прочность продукции.

В высокочастотных кузницах устанавливаются приборы с высокой мощностью.

Кузнечно-прессовые компании, используя такие агрегаты, повышают производительность труда и уменьшают износ штампов, сокращают расход металла. Установки со сквозным нагревом могут охватывать сразу некоторое количество заготовок.

При поверхностном упрочнении деталей, применение такого нагрева позволяет увеличить в несколько раз износостойкость и получить значительный экономический эффект.

Общепринятой областью применения устройств, являются пайка, плавка, нагрев перед деформацией, закалка ТВЧ. Но есть ещё зоны, где получают монокристаллические полупроводниковые материалы, наращивают эпитаксиальные плёнки, вспенивают материалы в эл. поле, ТВЧ сварка оболочек и труб.

Преимущества и недостатки

Плюсы:

1. Высокое качество нагрева.
2. Высокая точность управления и гибкость.
3. Надёжность. Может работать автономно, имея автоматику.
4. Греет любую жидкость.
5. КПД прибора 90%.
6. Длительный срок службы (до 30 лет).
7. Простота монтирования.
8. Нагревательный прибор не собирает накипь.
9. За счёт автоматики, экономия электроэнергии.

Минусы:

1. Высокая стоимость моделей с автоматикой.
2. Зависимость от электроснабжения.
3. Некоторые модели шумят.

Как сделать своими руками?

Допустим, вы решили сделать лично индукционный нагреватель, для этого подготавливаем трубу, в неё насыпаем небольшие куски стальной проволоки (9 см в длину).

Труба может быть пластиковой или металлической, главное, с толстенными стенками. Затем, она закрывается специальными переходниками со всех сторон.

Далее, на неё накручиваем медную проволоку до 100 витков и располагаем по центральной части трубки. В результате получится индуктор. К этой обмотке подсоединяем выходную часть инвертора. В качестве помощника прибегаем к .

В качестве нагревателя выступает труба.

Подготавливаем генератор и всю конструкцию собираем.

Необходимые материалы и инструменты:

• проволока из нержавеющей стали или катанка (диаметр 7 мм);
• вода;
• провод из эмалированной меди;
• сетка из металла, имеющая маленькие отверстия;
• переходники;
• толстостенная труба из пластика;

Пошаговое руководство:

1. Режим проволоку на кусочки , длиною 50 мм.
2. Подготавливаем оболочку для нагревателя. Используем толстостенную трубу (диаметр 50 мм).
3. Дно и верх корпуса закрываем сеткой.
4. Готовим индукционную катушку. Медным проводом делаем намотку на корпус 90 витков и располагаем их в центре оболочки.
5. Из трубопровода вырезаем часть трубы и устанавливаем индукционный котёл.
6. Катушку соединяем с инвертором и заполняем котёл водой.
7. Заземляем полученную конструкцию.
8. Проверяем систему в работе. Без воды использовать нельзя, так как может расплавиться пластиковая труба.

Из сварочного инвертора

Самым простым бюджетным вариантом является изготовление индукционного нагревателя, используя сварочный инвертор:

1. Для этого берём полимерную трубу , стенки её должны быть толстыми. С торцов монтируем 2 вентиля и подсоединяем разводку.
2. Засыпаем в трубу кусочки (диаметр 5 мм) металлической проволоки и монтируем верхний вентиль.
3. Далее, делаем 90 витков вокруг трубы медной проволокой , получаем индуктор. Нагревательным элементом является труба, генератором используем сварочный аппарат.
4. Прибор должен стоять в режиме переменного тока с высокой частотой.
5. Подсоединяем медную проволоку к полюсам сварочного аппарата и проверяем работу.

Работая индуктором, будет излучаться магнитное поле, при этом, вихревые токи будут раскалять рубленую проволоку, что приведёт к закипанию воды в полимерной трубе

1. Открытые участки конструкции, в целях безопасности, следует изолировать.
2. Применение индукционного нагревателя рекомендовано только в закрытых системах отопления, где обустроен насос для циркуляции теплоносителя.
3. Конструкцию с индукционным нагревателем размещают на 800 мм от потолка, 300 – от мебели и стен.
4. Установка манометра обезопасит вашу конструкцию.
5. Нагревательное устройство желательно оснастить автоматической системой управления.
6. Нагревательный прибор к электросети следует подсоединять специальными переходниками.

Приборы, осуществляющие нагрев за счет электричества, а не газа, безопасны и удобны. Такие нагреватели не производят копоти и неприятного запаха, но потребляют большое количество электроэнергии. Отличный выход - собрать индукционный нагреватель своими руками. Это и экономия средств, и вклад в бюджет семьи. Существует много простых схем, по которым индуктор можно собрать самостоятельно.

Для того чтобы было легче разобраться в схемах и правильно собрать конструкцию, нелишним будет заглянуть в историю электричества. Способы нагрева металлических конструкций электромагнитным током катушки широко используются в промышленном изготовлении бытовых приборов - котлов, нагревателей и плит. Оказывается, можно сделать рабочий и долговечный индукционный нагреватель своими руками.

Принцип работы устройств

Принцип работы устройств

Знаменитый британский ученый XIX века Фарадей в течение 9 лет проводил исследования, чтобы преобразовать магнитные волны в электричество. В 1931 году наконец было совершено открытие, получившее название электромагнитная индукция. Проволочная обмотка катушки, в центре которой находится сердечник из магнитящегося металла, создает магнитное поле под силой переменного тока. Под действием вихревых потоков сердечник нагревается.

Важный нюанс - нагревание произойдет, если переменный ток, питающий катушку, будет менять вектор и знак поля на высоких частотах.

Открытие Фарадея стали применять как в промышленности, так и при изготовлении самодельных моторов и электронагревателей. Первую плавильню на основе вихревого индуктора открыли в 1928 году в Шеффилде. Позже по тому же принципу обогревали цеха заводов, а для нагрева воды, металлических поверхностей знатоки собирали индуктор своими руками.

Схема устройства того времени действительна и сегодня. Классический пример - индукционный котел, в составе которого имеются:

• металлический сердечник;
• корпус;
• тепловая изоляция.

Меньший вес, размер и более высокий КПД осуществляются за счет тонких стальных труб, служащих основой сердечника. В кухонных плитках индуктором выступает сплющенная катушка, расположенная вблизи варочной панели.

Особенности схемы для ускорения частоты тока следующие:

• промышленная частота в 50 Гц не подходит для самодельных приборов;
• прямое подключение индуктора к сети приведет к гулу и слабому нагреву;
• эффективное нагревание осуществляется при частоте 10 кГц.

Сборка по схемам

Собрать индуктивный нагреватель своими руками может любой человек, знакомый с законами физики. Сложность устройства будет варьироваться от степени подготовленности и опытности мастера.

Существует множество видеоуроков, следуя которым можно создать эффективное устройство. Практически всегда необходимо использовать такие основные составляющие:

• стальная проволока диаметром 6−7 мм;
• медная проволока для катушки индуктивности;
• сетка из металла (для удержания проволоки внутри корпуса);
• переходники;
• трубы для корпуса (из пластика или стали);
• высокочастотный инвертор.

Этого будет достаточно для сборки индукционной катушки своими руками, а ведь именно она находится в основе проточного водонагревателя. После подготовки необходимых элементов можно подходить непосредственно к процессу изготовления аппарата:

• нарезать проволоку на отрезки в 6−7 см;
• металлической сеткой покрыть внутреннюю часть трубы и засыпать проволоку доверху;
• аналогично закрыть отверстие трубы снаружи;
• намотать на пластиковый корпус медную проволоку не менее 90 раз для катушки;
• вставить конструкцию в систему отопления;
• с помощью инвертора подключить катушку к электричеству.

Желательно предварительно заземлить инвертор и приготовить антифриз или воду.

По похожему алгоритму можно легко собрать индукционный котел, для чего следует:

• нарезать заготовки из стальной трубы 25 на 45 мм со стенкой не толще 2 мм;
• сварить их друг с другом, соединяя меньшими диаметрами между собой;
• приварить железные крышки к торцам и просверлить отверстия для патрубков с резьбой;
• сделать крепление для индукционной печки, приварив с одной стороны два уголка;
• вставить варочную панель в крепление из уголков и подключить к электросети;
• внести в систему теплоноситель и включить нагрев.

Многие индукторы работают на мощности не выше 2 - 2,5 кВт. Такие обогреватели рассчитаны на помещение 20 - 25 м². Если генератор используют в автосервисе, можно подключить его к сварочному аппарату, но важно учитывать определенные нюансы:

• Необходим переменный ток, а не постоянный как у инвертора. Сварочный аппарат придется исследовать на наличие точек, где напряжение не имеет прямой направленности.
• Количество витков к проводу большего сечения подбирается математическим вычислением.
• Потребуется охлаждение работающих элементов.

Создание усложненных приборов

Сделать нагревательную установку ТВЧ своими руками сложнее, но это подвластно радиолюбителям, ведь для ее сбора потребуется схема мультивибратора. Принцип работы аналогичен - вихревые токи, возникающие из взаимодействия металлического наполнителя в центре катушки и ее собственного высокомагнитного поля, нагревают поверхность.

Конструирование ТВЧ-установок

Поскольку даже небольшого размера катушки вырабатывают ток около 100 А, вместе с ними потребуется подключить резонирующую емкость для уравновешивания индукционной тяги. Существует 2 вида рабочих схем для нагревательной ТВЧ в 12 В:

• подключенная к питанию сети.

• целенаправленная электрическая;
• подключенная к питанию сети.

В первом случае мини ТВЧ-установку можно собрать за час. Даже при отсутствии сети в 220 В можно использовать такой генератор где угодно, но при наличии автомобильных аккумуляторов как источников питания. Конечно, она недостаточно мощная, чтобы плавить металл, но способна нагреться до высоких температур, необходимых для мелкой работы, например, нагрев ножей и отверток до синего цвета. Для ее создания необходимо приобрести:

• полевые транзисторы BUZ11, IRFP460, IRFP240;
• автомобильный аккумулятор от 70 А/ч;
• высоковольтные конденсаторы.

Ток источника питания 11 А в процессе нагревания снижается до 6 А из-за сопротивления металла, но необходимость в толстых проводах, выдерживающих ток 11−12 А, сохраняется, чтобы избежать их перегрева.

Вторая схема для индукционной установки нагрева в пластиковом корпусе более сложная, на основе драйвера IR2153, но по ней удобнее выстроить резонанс по регулятору в 100к. Управлять схемой необходимо через адаптер сети с напряжением от 12 В. Силовую часть можно подвести напрямую к основной сети в 220 В, используя диодный мост. Частота резонанса получается 30 кГц. Потребуются следующие элементы:

• ферритовый сердечник 10 мм и дроссель 20 витков;
• медная трубка в качестве катушки ТВЧ в 25 витков на оправку 5−8 см;
• конденсаторы 250 V.

Вихревые нагреватели

Более мощную установку, способную греть болты до желтого цвета, можно собрать по простой схеме. Но при работе выделение тепла будет довольно большим, поэтому рекомендуется устанавливать радиаторы на транзисторы. Также потребуется дроссель, позаимствовать который можно из блока питания любого компьютера, и следующие вспомогательные материалы:

• стальной ферромагнитный провод;
• медная проволока в 1,5 мм;
• полевые транзисторы и диоды под обратное напряжение от 500 В;
• стабилитроны мощностью 2−3 Вт с расчетом на 15 В;
• простые резисторы.

В зависимости от желаемого результата, намотка провода на медную основу составляет от 10 до 30 витков. Далее идет сборка схемы и подготовка катушки-основы нагревателя примерно из 7 витков медной проволоки в 1,5 мм. Она подключается к схеме, а затем к электричеству.

Умельцы, знакомые со сваркой и управлением трехфазным трансформатором, способны еще больше повысить КПД устройства при одновременном снижении веса и размера. Для этого нужно сварить основания двух труб, которые послужат как сердечником, так и нагревателем, а в корпус после обмотки вварить два патрубка для осуществления подвода и отвода теплоносителя.

Ориентируясь на схемы, можно достаточно быстро собрать индукторы различной мощности для нагрева воды, металлов, обогрева дома, гаража и автосервиса. Необходимо помнить и о правилах безопасности для эффективной службы нагревателей такого типа, ведь утечка теплоносителя из самодельного устройства может закончиться пожаром.

Есть определенные условия организации работы:

• расстояние между индукционным котлом, стенами, электроприборами должно быть не меньше 40 см, а от пола и потолка лучше отступить 1 м;
• с помощью манометра и устройства по сбросу воздуха обеспечивается система безопасности за выходным патрубком;
• пользоваться устройствами желательно в закрытых контурах с принудительной циркуляцией теплоносителя;
• возможно применение в пластиковых трубопроводах.

Самостоятельная сборка индукционных генераторов обойдется недорого, но и не бесплатно, ведь нужны комплектующие достаточно хорошего качества. Если у человека нет специальных знаний и опыта в радиотехнике и сварке, то не стоит самостоятельно собирать обогреватель для большой площади, ведь мощность нагрева не превысит 2,5 кВт.

Однако самостоятельная сборка индуктора может рассматриваться как самообразование и повышение квалификации хозяина дома на практике. Можно начать с небольших приборов по простым схемам, а поскольку принцип действия в более сложных устройствах тот же, только добавляются дополнительные элементы и преобразователи частоты, то и освоить его поэтапно будет легко и вполне бюджетно.

Вконтакте

Индукционный нагрев - это процесс, который используется для нагрева металлов или иных проводящих материалов. Для многих современных производственных процессов индукционный нагрев предлагает достаточное сочетание скорости, последовательности и контроля процесса.

Основные принципы индукционного нагрева применяются с 1920 года. Во время второй мировой войны технология быстро развивается в связи с военными потребностями для быстрого и надежного процесса упрочнения металлических частей двигателей.

В наиболее распространенных методах используется факел или открытое пламя непосредственно применяемое к металлической части. Но при индукционном нагреве тепло фактически «индуцируется» в пределах циркулирующего электрического тока.

Индукционный нагрев опирается на уникальные характеристики радиочастотной энергии — это часть электромагнитного спектра ниже инфракрасной и микроволновой энергии. Так как тепло передается в продукт через электромагнитные волны, оно никогда не вступает в непосредственный контакт с пламенем. При этом нет никакого загрязнения продукта, а этот процесс становится очень повторяемым и контролируемым.

Как работает индукционный нагрев

Как происходит индукционный нагрев?

Когда к трансформатору прикладывается переменный электрический ток, создается переменное магнитное поле. Согласно закону Фарадея, если вторичная обмотка трансформатора находится в магнитном поле, будет индуцирован электрический ток.

Индуктор представляет из себя трансформатор. Когда металлическая часть помещается в индуктор циркулирующие вихревые токи индуцируются в пределах детали.

Дополнительное тепло производится в магнитных частях через гистерезис – внутренние трения, которые создаются, когда магнитный материал проходит через индуктор. Материал для разогревания может быть расположен в условиях изоляции от источника питания, погружен в жидкости, охватываемые изолированные вещества в газообразных средах или даже в вакууме.

Эффективность индукционной системы нагрева зависит от нескольких факторов: конструкции индуктора, емкости блока питания, количества необходимого изменения температуры.

Характеристики нагреваемого материала

МЕТАЛЛ ИЛИ ПЛАСТИК

Во-первых, индукционным нагревом подлежат только проводящие материалы, обычно металлы. Пластмассы и других непроводящие материалы могут быть нагреты только косвенно через токопроводящие металлы находящиеся вместе с пластиком.

МАГНИТНЫЕ И НЕМАГНИТНЫЕ

Нагрев лучше у магнитных материалов. Для тепла, вызванного вихревыми токами магнитные материалы производят тепло через эффект гистерезиса. Этот эффект прекращается при температурах выше точки «Кюри» — температура, при которой магнитный материал теряет свои магнитные свойства. Относительная устойчивость магнитных материалов оценивается по шкале «проницаемостью» от 100 до 500. Хотя не магнетные материалы имеют проницаемость 1, магнитные материалы могут иметь проницаемость до 500.

ТОЛСТЫЕ ИЛИ ТОНКИЕ

На проводящих материалах около 85% эффекта нагрева происходит на поверхности материала. Интенсивность нагрева уменьшается, как расстояние от поверхности увеличивается. Так малые или тонкие части обычно греются быстрее, чем большие и толстые части, особенно если большие части необходимо нагреть полностью.

Исследования показали связь между частотой и глубиной проникновения: чем выше частота, тем меньшая глубина. Частота от 100 до 400 кГц сравнительно высоких энергий идеально подходит для быстрого разогрева мелких деталей или поверхности больших частей. Для глубокого проникновения тепла необходимы более низкие частоты от 5 до 30 кГц.

УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Если использовать точно такой же процесс индукции и того же размера деталь из стали и меди, результаты будут совершенно разные. Почему? Сталь – наряду с углеродом, оловом и вольфрамом – имеет высокое удельное сопротивление. Потому что металлы противостоят текущему потоку. Металлы с низким удельным сопротивлением: медь, латунь и алюминий нагреются лучше. Удельное сопротивление увеличивается с температурой, поэтому очень горячий кусок стали будет более восприимчив к индукционному нагреву чем холодной кусок.

Дизайн индуктора

Дизайн и конструкция индуктора является одним из наиболее важных аспектов системы в целом. Хорошо продуманная конструкция обеспечивает надлежащее нагревание и максимизирует эффективность индукционного нагрева.

Степень изменения температуры

Наконец эффективность индукционного нагрева для конкретной детали зависит от количества необходимых изменений температуры. Для широкого спектра изменений температуры требуется больше индукционного нагрева питания.

Индукционный нагрев January 16th, 2018

В индукционных печах и устройствах тепло в электропроводном нагреваемом теле выделяется токами, индуктированными в нем переменным электромагнитным полем. Таким образом, здесь осуществляется прямой нагрев.

Индукционный нагрев металлов основан на двух физических законах:

Законе электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла и законе Джоуля-Ленца. Металлические тела (заготовки, детали и др.) помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в них вихревое электрическое поле. ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока. Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые (замкнутые внутри тел) токи, выделяющие теплоту по закону Джоуля-Ленца. Эта ЭДС создает в металле переменный ток, тепловая энергия, выделяемая данными токами, является причиной нагрева металла. Индукционный нагрев является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов.

Индукционный нагрев и закалка металловИнтенсивный индукционный нагрев возможен лишь в электромагнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создают специальными устройствами — индукторами. Индукторы питают от сети 50 Гц (установки промышленной частоты) или от индивидуальных источников питания — генераторов и преобразователей средней и высокой частоты.

Простейший индуктор устройств косвенного индукционного нагрева низкой частоты — изолированный проводник (вытянутый или свернутый в спираль), помещенный внутрь металлической трубы или наложенный на ее поверхность. При протекании по проводнику-индуктору тока в трубе наводятся греющие ее вихревые токи. Теплота от трубы (это может быть также тигель, емкость) передается нагреваемой среде (воде, протекающей по трубе, воздуху и т. д.).

Наиболее широко применяется прямой индукционный нагрев металлов на средних и высоких частотах. Для этого используют индукторы специального исполнения. Индуктор испускает электромагнитную волну, которая падает на нагреваемое тело и затухает в нем. Энергия поглощенной волны преобразуется в теле в теплоту. Для нагрева плоских тел применяют плоские индукторы, цилиндрических заготовок — цилиндрические (соленоидные) индукторы. В общем случае они могут иметь сложную форму, обусловленную необходимостью концентрации электромагнитной энергии в нужном направлении.

Особенностью индукционного ввода энергии является возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов. Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади, охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела. Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит, кроме других факторов, от частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается с повышением частоты). Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении.

Индукционный нагрев применяют для поверхностной закалки стальных изделий, сквозного нагрева под пластическую деформацию (ковку, штамповку, прессование и т. д.), плавления металлов, термической обработки (отжиг, отпуск, нормализация, закалка), сварки, наплавки, пайки металлов.

Косвенный индукционный нагрев применяют для обогрева технологического оборудования (трубопроводы, емкости и т. д.), нагрева жидких сред, сушки покрытий, материалов (например, древесины). Важнейший параметр установок индукционного нагрева — частота. Для каждого процесса (поверхностная закалка, сквозной нагрев) существует оптимальный диапазон частот, обеспечивающий наилучшие технологические и экономические показатели. Для индукционного нагрева используют частоты от 50Гц до 5Мгц.

Преимущества индукционного нагрева

1) Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело позволяет осуществить прямой нагрев проводниковых материалов. При этом повышается скорость нагрева по сравнению с установками косвенного действия, в которых изделие нагревается только с поверхности.

2) Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело не требует контактных устройств. Это удобно в условиях автоматизированного поточного производства, при использовании вакуумных и защитных средств.

3) Благодаря явлению поверхностного эффекта максимальная мощность, выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия. Поэтому индукционный нагрев при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверхностного слоя изделия. Это позволяет получить высокую твердость поверхности детали при относительно вязкой середине. Процесс поверхностной индукционной закалки быстрее и экономичнее других методов поверхностного упрочнения изделия.

4) Индукционный нагрев в большинстве случаев позволяет повысить производительность и улучшить условия труда.

Вот еще один необычный эффект.

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.