Индукционные нагреватели своими руками. Самодельный индукционный нагреватель: схема

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

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

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

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

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

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

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

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

Индукционные отопительные котлы — это приборы, которые отличаются очень высоким КПД. Они позволяют заметно снизить затраты на электроэнергию по сравнению с традиционными приборами, оборудованными ТЭНами.

Модели промышленного производства недешевы. Однако сделать индукционный нагреватель своими руками сможет любой домашний мастер, владеющий нехитрым набором инструментов. Ему в помощь мы предлагаем подробное описание принципа действия и сборки эффективного обогревателя.

Индукционный нагрев невозможен без использования трех основных элементов:

• индуктора;
• генератора;
• нагревательного элемента.

Индуктор представляет собой катушку, обычно выполненную из медной проволоки, с ее помощью генерируют магнитное поле. Генератор переменного тока используют для получения высокочастотного потока из стандартного потока домашней электросети с частотой 50 Гц.

В качестве нагревательного элемента применяется металлический предмет, способный поглощать тепловую энергию под воздействием магнитного поля. Если правильно соединить эти элементы, можно получить высокопроизводительный прибор, который прекрасно подходит для подогрева жидкого теплоносителя и .

С помощью генератора электрический ток с необходимыми характеристиками подается на индуктор, т.е. на медную катушку. При прохождении через нее поток заряженных частиц формирует магнитное поле.

Принцип действия индукционных нагревателей основан на возникновении электротоков внутри проводников, появляющихся под воздействием магнитных полей

Особенность поля состоит в том, что оно обладает способностью на высоких частотах изменять направление электромагнитных волн. Если в это поле поместить какой-нибудь металлический предмет, он начнет нагреваться без непосредственного контакта с индуктором под воздействием созданных вихревых токов.

Высокочастотный электрический ток, поступающий от инвертора к индукционной катушке, создает магнитное поле с постоянно изменяющимся вектором магнитных волн. Помещенный в это поле металл быстро разогревается

Отсутствие контакта позволяет сделать потери энергии при переходе из одного вида в другой ничтожными, чем и объясняется повышенный КПД индукционных котлов.

Чтобы подогреть воду для отопительного контура, достаточно обеспечить ее контакт с металлическим нагревателем. Часто в качестве нагревательного элемента используют металлическую трубу, через которую просто пропускают поток воды. Вода попутно охлаждает нагреватель, что значительно увеличивает срок его службы.

Электромагнит индукционного прибора получают путем намотки проволоки вокруг сердечника из ферромагнита. Полученная в результате катушка индукции разогревается и передает тепло нагреваемому телу или протекающему рядом теплоносителю через теплообменник

Преимущества и недостатки прибора

“Плюсов” у вихревого индукционного нагревателя великое множество. Это простая для самостоятельного изготовления схема, повышенная надежность, высокий КПД, относительно низкие затраты на электроэнергию, длительный срок эксплуатации, малая вероятность возникновения поломок и т.п.

Производительность прибора может быть значительной, агрегаты этого типа успешно используются в металлургической промышленности. По скорости нагрева теплоносителя устройства этого типа уверенно соперничают с традиционными электрическими котлами, температура воды в системе быстро достигает необходимого уровня.

Во время функционирования индукционного котла нагреватель слегка вибрирует. Эта вибрация стряхивает со стенок металлической трубы известковый осадок и другие возможные загрязнения, поэтому в очистке такой прибор нуждается крайне редко. Конечно, отопительную систему следует защитить от этих загрязнений с помощью механического фильтра.

Индукционная катушка нагревает металл (трубу или куски проволоки), помещенные внутри нее, с помощью высокочастотных вихревых токов, контакт не обязателен

Постоянный контакт с водой сводит к минимуму и вероятность перегорания нагревателя, что является довольно частой проблемой для традиционных котлов с ТЭНами. Несмотря на вибрацию, котел работает исключительно тихо, дополнительная шумоизоляция в месте установки прибора не понадобится.

Еще индукционные котлы хороши тем, что они практически никогда не протекают, если только монтаж системы выполнен правильно. Это очень ценное качество для , так как исключает или значительно сокращает вероятность возникновения опасных ситуаций.

Отсутствие протечек обусловлено бесконтактным способом передачи тепловой энергии нагревателю. Теплоноситель с помощью описанной выше технологии можно разогреть чуть ли не до парообразного состояния.

Это обеспечивает достаточную тепловую конвекцию, чтобы стимулировать эффективное перемещение теплоносителя по трубам. В большинстве случаев отопительную систему не придется оборудовать циркуляционным насосом, хотя все зависит от особенностей и схемы конкретной системы отопления.

Выводы и полезное видео по теме

Ролик #1. Обзор принципов индукционного нагрева:

Ролик #2. Интересный вариант изготовления индукционного нагревателя:

Для установки индукционного нагревателя не нужно получать разрешение контролирующих органов, промышленные модели таких устройств вполне безопасны, они подходят и для частного дома, и для обычной квартиры. Но владельцам самодельных агрегатов не следует забывать о технике безопасности.

Объяснить популярность индукционного нагревателя IR2153 можно тем, что человек все время находится в поисках – бесконечный поиск человеком источников тепла для обогрева своего жилья, которые будут: экономичными, экологичными и функциональными. Многие даже осмелились и не зря сделать индукционный нагреватель своими руками с целью присоединения его к отопительной системе жилища. В статье будет подробно рассказано, как это сделать индуктор обогреватель, чтобы затратить минимум денежных средств и времени.

Схема индукционного нагревателя

Из-за того, что М. Фарадей в далеком 1831 году открыл явление электромагнитной индукции, мир увидел большое количество приспособлений, которые греют воду и прочие среды.

Потому как было реализовано данное открытие люди ежедневно используют в быту :

• Электрочайник с дисковым нагревателем для нагрева воды;
• Печь мультиварка;
• Индукционная варочная панель;
• Микроволновки (плита);
• Калорифер;
• Нагревательная колонка.

Также открытие применяется для экструдера (не механический). Раньше оно широко применялось в металлургии и прочих отраслях промышленности, связанной с обработкой металла. Заводской индуктивный котел функционирует по принципу действия вихревых токов на специальный сердечник, расположенный во внутренне части катушки. Вихревые токи Фуко поверхностные, поэтому лучше брать в качестве сердечника полую трубу из металла, сквозь которую проходит элемент теплоносителя.

Возникновение электротоков происходит из-за подачи на обмотку переменного электронапряжения, вызывающего появление переменного электрического магнитного поля, которое меняет потенциалы 50 раз/сек. при стандартной пром частоте 50 Гц.

При этом индукционная катушка Румкорфа выполнена так, что её можно подключить к электросети переменного тока напрямую. На производстве для такого нагрева применяют высокочастотные электротоки – до 1 МГц, поэтому добиться функционирования устройства при 50 Гц довольно сложно. Толщина проволоки и число обматывающих витков, которую применяет устройство, водонагреватель , рассчитано в отдельности для каждого агрегата по специальному методу под требуемую мощность тепла. Самодельный, мощный агрегат должен функционировать эффективно, быстро греть идущую по трубе воду и при этом не нагреваться.

Организации вкладывают серьезные финансы в разработку и внедрение таких продуктов, поэтому :

• Все задачи разрешаются удачно;
• КПД нагревательный прибор имеет 98%;
• Функционирует без перебоев.

Кроме высочайшей эффективности не может не привлекать скорость, с которой идет нагревание идущей через сердечник среды. На рис. предложена схема функционирования индукционного водонагревателя, созданного на заводе. Такую схему имеет агрегат марки «ВИН», которые производит Ижевский завод.

Насколько долго будет работать агрегат, зависит исключительно от того, насколько герметичен корпус и не повреждена изоляции витков провода, а это довольно значительный период, по заявлению изготовителя – до 30 лет.

За все эти плюсы, которыми 100% обладает аппарат, нужно выложить немалые финансы, индукторный, магнитный водонагреватель – самый дорогой из всех видов установок для отопления. Поэтому многие мастера предпочитают собрать сверхэкономичный агрегат для отопления самостоятельно.

Делаем индукционный нагреватель своими руками

Изготовление изобретения не сложное, если есть навыки, получится сделать хорошее устройство. Самый простой агрегат, который собирают вручную, состоит из отреза трубы (пластик), внутрь которой устраиваются разные элементы (металл) чтобы создать сердечник.

Это может быть :

• Проволока из нержавейки;
• Скатанная шариками, рубленная небольшими кусками проволока – катанка, диаметр которой 8 мм;
• Сверло по диаметру трубы.

С наружной стороны к ней наклеиваются палочки из стеклотекстолита, а на них нужно намотать провод толщиной 1,7 мм в изоляции. Длина провода – примерно 11 м. Затем индукционный нагреватель надо испытать, наполнив его водой и подключив, например, к индукционной варочной панели марки ORION мощность которой 2 кВт вместо штатного индуктора. Сваренный из нескольких труб из металла вихревой радиатор выступает в роли внешнего сердечника для вихревых электротоков, которые создает катушка той же панели.

В результате можно сделать следующий вывод :

1. Мощность тепла сделанного отопительного устройства выше электромощности панели.
2. Число и размер трубок были выбраны случайно, но создали достаточную поверхность для подачи тепла, которое возникает от вихревых токов.
3. Данная схема водонагревателя оказалась удачной для конкретного случая, когда квартирное помещение окружено другими квартирами, которые отапливаются.

Работает прибор правильно, поэтому если есть желания, опыт и знания можно воплотить эту идею в жизнь. Для сложных моделей может понадобиться применение 3-фазного трансформатора.

Высокоточный индукционный нагрев

Такое нагревание имеет самый простой принцип, так как является бесконтактным. Высокочастотный импульсный нагрев дает возможность достигать высочайшего температурного режима, при котором возможно обрабатывать самые сложные в плавке металлы. Чтобы выполнить индукционный нагрев, нужно создать в электромагнитных полях необходимое напряжение 12В (вольт) и частоту индуктивности.

Сделать это возможно в специальном устройстве – индукторе. Питается оно электричеством от промышленной электросети в 50 Гц.

Возможно, для этого применять индивидуальные источники электропитания – преобразователи/генераторы. Наиболее простое устройство прибора малой частоты – спираль (проводник заизолированный), который может размещаться во внутренней части трубы из металла или наматываться на неё. Идущие токи греют трубку, которая, в дальнейшем, дает тепло в жилое помещение.

Использование индукционного нагрева на минимальных частотах явление не частое. Наиболее распространено обрабатывание металлов на более высокой или средней частоте. Такие приспособления отличаются тем, что магнитная волна идет на поверхность, где затухает. Энергия преобразуется в тепло. Чтобы эффект был лучше обе составные части должны иметь схожую форму. Где применяется нагрев?

Сегодня применение высокочастотного нагрева широко распространено :

• Для плавки металлов, и их пайка бесконтактным методом;
• Машиностроительная промышленность;
• Ювелирное дело;
• Создание небольших элементов (плат), которые могут быть повреждены при использовании других методик;
• Закалка поверхностей деталей, разной конфигурации;
• Термическая обработка деталей;
• Медицинская практика (дезинфекция приборов/инструментов).

С помощью нагрева можно решить множество задач.

Преимущества: индукционный нагрев металла

У нагрева множество преимуществ. При помощи него, возможно, быстро нагреть и расплавить до жидкого состояния любой токопроводимый материал. Дает возможность выполнять нагревание в любой среде, которая не проводит ток, то есть плавильно-рабочую функцию.

Потому как нагревается только проводник, стенки остаются холодными. Этот вид нагрева не загрязняет окружающую среду. Если горелки на газу загрязняют воздух, то индукционный нагрев это исключает, потому как работает электромагнитное излучение. Компактные размеры индуктора. Возможность создания устройства любой формы.

Нагрев незаменим, если нужно нагреть только выбранную область на поверхности. Также устройство настроить такое спецоборудование на требуемый режим и отрегулировать его.

Как сделать индукционный нагреватель из компьютерного блока питания

Нагреватель можно сделать из компьютерного блока питания.

Понадобится :

• Дроссель от компьютерного блока;
• Паяльник;
• Сварочный аппарат;
• Кусачки;
• Проволока из нержавеющей стали 6 мм;
• Эмалированный плоский медный провод 2 мм;
• Трубы из стали 25 мм;
• Труба из пластика 50 мм;
• Прочная сантехническая фурнитура;
• Взрывной клапан;
• Детали для сборки схемы.

Состоит котел из катушки, теплообменника, клеммной коробки, шкафа управления, входного и выходного патрубков. Установка простая, главное действовать по схеме. Хороший лабораторный блок питания можно разработать за день и реализовать тоже за день. Подключаются устройства через трансформаторный пункт.

Простой индуктор своими руками

В домашнем быту часто может пригодиться индуктор ТВЧ.

Это устройство часто используют для нагревания прикипевших :

• Гаек/болтов;
• Рамок и балок авто;
• Деталей для автосервиса, включая подшипники и разнообразные втулки.

Такие приборы можно купить в специализированном магазине, так же, как и любое другое оборудование, например, инверторный китайский кондиционер, сейсмодатчик, но стоят они очень дорого. Однако выход есть, вполне реально создать индукционный нагреватель дома. Для сборки потребуется трансформатор, его возможно сделать из 2-х колец. Марку феррита можно применить М 2000 НМ.

В первичной обмотке должно присутствовать примерно 26 витков провода диаметр, которого 0,75 мм. Первичная обмотка присоединяется там, где выходит инвертор. Вторую обмотку составляет одна петля из медной трубки диаметра 6 мм, она же является и отводом индуктора-трубки, которая проходит через центр кольцевой части трансформатора.

Сам индуктор представляет из себя катушку из нескольких витков трубки из меди – 4 мм.

Конденсатор вместе с устройством выполняет работу контура колебаний, создающего частоту резонанс (резонансный), на которую настроен инвертор. Если в центральной части медной спирали устроить заготовку, то она будет обеспечивать активное сопротивление. В самой катушке возникают ТВЧ, поэтому трубка с витками очень сильно нагревается, а значит, её необходимо в обязательном порядке охладить, для этого возможно использовать обычную воду из трубопроводов.

Для подвода к индуктору необходимо применить диэлектрические трубки, так как в контуре развивается высокое напряжение. За проточной водой, что охлаждает индуктор, нужен постоянный контроль, поэтому в слив устраивается специальная вставка, к которой крепятся термопара и тестер, чтобы контролировать температурный режим. В устройстве следует использовать мощнейший конденсатор, его можно собрать из сорока высоковольтных конденсаторов на 0,033 мкФ каждый.

Индукционный нагреватель своими руками (видео)

Как видите сделать индуктор своими руками несложно, главное следовать схеме, также можно создать индукционный горн или собрать схему на тиристорах или любую другую, к примеру, внутреннее содержимое транзистора.

Индукционный нагрев (Induction Heating) - метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH - radio-frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов.

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.

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.

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:
- повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;
- 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 трёх точки:

Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).

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 являются фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.

При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя.

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).

Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов.
Параллельный колебательный контур – резонанс токов.
В этом случае на катушке и на конденсаторе напряжение такое же, как у генератора. При резонансе, сопротивление контура между точками разветвления становится максимальным, а ток (I общ) через сопротивление нагрузки Rн будет минимальным (ток внутри контура I-1л и I-2с больше чем ток генератора).

В идеальном случае полное сопротивление контура равно бесконечности - схема не потребляет тока от источника. При изменение частоты генератора в любую сторону от резонансной частоты полное сопротивление контура уменьшается и линейный ток (I общ) возрастает.

Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений.

Главной чертой последовательного резонансного контура является то, что его полное сопротивление минимально при резонансе. (ZL + ZC – минимум). При настройке частоты на величину, превышающую или лежащую ниже резонансной частоты, полное сопротивление возрастает.
Вывод:
В параллельном контуре при резонансе ток через выводы контура равен 0, а напряжение максимально.
В последовательном контуре наоборот - напряжение стремится к нулю, а ток максимален.

Статья взята с сайта http://dic.academic.ru/ и переработана в более понятный для читателя текст, компанией ООО «Проминдуктор».

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.