Индукционный нагрев, основные принципы и технологии.

1 августа 2013

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.

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

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».

принцип работы проточного бойлера, последовательность изготовления

К экономичным приспособлениям для подогрева относится индукционный водонагреватель. Отличается от других видов отопителей экологической чистотой, современным оформлением, не сушит атмосферу, безопасный в применении прибор. Подогревает проточную воду и энергоноситель в отопительной системе. Устройство покупают в магазине или изготавливают собственноручно. Последний вариант сэкономит средства, хоть и будет выглядеть не так презентабельно.

Высокочастотные нагреватели

Знатоки электротехники скажут, что конструкция представляет собой стандартный трансформатор, но вместо вторичной обвивки применяется теплообменник. Он не преобразовывает электроэнергию, но нагревает жидкость. Устройство характеризуется неприхотливостью в работе и долговечностью. Простой агрегат, содержащий теплообменник из цветных металлов или нержавейки и катушку с витками медной проволоки, редко ломается.

Устройства делятся на две группы:

• устройства индукторного типа вихревого действия используются в отопительном контуре для подогрева воды, антифриза или масла;
• приборы, в конструкцию которых включены различные электронные детали и узлы.

Потери энергии в генераторе при передаче считаются минимальными и не берутся во внимание. При этом показатель полезного действия достигает 98,5%. Узлы агрегата:

• генератор переменного тока, выполненный так, что повышает частоту;
• преобразователь электричества в магнитные потоки, является катушкой с медной обмоткой;
• приемник тепла представляет собой трубу из металла.

Индукционное действие

Заготовка из металла или графита, способная проводить электричество, размещается в индукторе. Последний имеет в составе один или несколько оборотов провода из меди. С помощью мощного генератора продуцируются электрические токи высокой частоты (2−5 МГц). В пространстве вокруг индуктора появляются электромагнитные волны, разогревающие заготовку.

В конструкции другого типа используется трансформатор без сердечника, при этом часть машины для создания магнитного поля (индуктор) является первичной катушкой. В качестве вторичной обвивки применяется токопроводящая заготовка, накоротко замкнутая. Магнитный поток от одной обмотки к другой стыкуется в атмосфере.

При высоких показателях частоты вихревые потоки оттесняются магнитными полями в тонкие пласты на поверхности заготовки. Плотность вышележащих слоев увеличивается и деталь нагревается. Тепло последовательно передается в нижние слои заготовки.

Индуктор греется в процессе работы, по причине восприимчивости собственных волн. Дополнительно он получает тепло от раскаленной детали заготовки. Для понижения температуры индуктора из медных элементов применяется водяное охлаждение. Жидкость поступает методом отсасывания для снижения безопасности в случае разгерметизации устройства или прожога.

Принцип работы

Работа основана на том, что наведенные вихревые токи нагревают деталь, расположенную в области волнового излучения. Разработанные и находящиеся в производстве агрегаты отличаются высокой мощностью, но оборудование регулярно совершенствуется выпускающими предприятиями.

Внешне прибор выглядит как закрытая емкость из металла круглой или прямоугольной конфигурации. Основной составляющей конструкции является катушка индукции. Число витков ее обмотки рассчитываются в зависимости от нужной мощности и производительности. Трубопровод внутри катушки забирает тепло и передает его воде или антифризу из отопительной системы.

В конструкцию обязательно включается понижающий трансформатор и инвертор, способствующий преобразованию бытового электричества в высокочастотный ток. Медь для нагревательной трубы применяется из-за ее высокого коэффициента проводимости тепла.

Отопительный котел на наведенных токах

Индукционный бойлер зарекомендовал себя не только в виде проточного нагревателя. В этом случае включают в схему трансформатор с двумя катушками, а сварочный генератор уже не используют. Агрегат преобразует вихревые потоки на первой обвивке в электромагнитное поле, возникающее на вторичной катушке. В качестве переносчика тепла в трубы заливают не только воду, но и антифриз или масло. Они должны быть токопроводящими.

Положительные и отрицательные характеристики

Обслуживание проточного индукционного водонагревателя отопления будет стоить дешевле, чем эксплуатация газового оборудования или электрического бойлера. Детали высокочастотного агрегата никогда не портятся, его работа не останавливается. При нагревании энергоносителя в системе отопления можно не применять помпу, т. к. ток воды по коллектору осуществляется методом конвенции (нагревание воды превращает ее в пар).

Достоинства индукционных приборов подогрева:

• Долговечность эксплуатации — срок службы определяется производителями до 30 лет. Устройство не требует замены элементов и дорогого обслуживания техническими специалистами. Профилактика прибора в виде общей чистки проводится раз в 7−10 лет.
• При получении сильного тепла использование электрической энергии снижено на 30−40% по сравнению с нагревательными агрегатами на тэнах.
• На внутренних поверхностях и элементах не оседает накипь, т. к. ее образование невозможно в соответствии с принципом работы. А также не наслаиваются труднорастворимые солевые массы.

Несмотря на экономичность и удобство эксплуатации такой прибор имеет некоторые недостатки. Они проявляются в следующем:

• Устройство нагревается не только само, но и захватывает окружающий воздух. Что касается самого корпуса, то его лучше не трогать в процессе работы.
• Из-за высокой эффективности агрегата устанавливают датчик с функцией регулирования и ограничения температуры. Если пренебречь таким прибором, то возможен взрыв индукционного водонагревателя при беспрерывной работе.
• Прибор плохо влияет на организм человека.

Схема агрегата своими руками

При создании прибора следует помнить, что трансформатор имеет первичный контур, работающий для воспроизведения индукции определенного направления. Вторичная деталь нагревается и передает тепло движущейся внутри жидкости.

При изготовлении обмотки в бытовых условиях применяют медный провод. Помимо этого, предусмотрен генератор высокой частоты, иногда ставят насос, но необязательно. Сборка индукционного обогревателя проходит двумя способами.

Вариант первый

Простой прибор с высокой мощностью разрабатывают, взяв за основу печатную схему. В ней присутствуют особенности, которые учитываются при сборке:

• Конструкция является релаксационным агрегатом, выпускающим прямоугольные электрические колебания. Синусоидальные волны характеризуются короткими фронтами. Обычно мультивибратор представлен резистивным усилителем с двумя каскадами.
• Обмотка делается в форме спирали, содержащей 6−8 оборотов медного кабеля. В виде регулятора ставят похожую деталь из питающего блока компьютера.
• Транзисторы располагают на специальных снимающих радиаторах из-за опасности перегрева.

Версия вторая

Работает схема на основе использования электронного трансформаторного устройства. При сборке учитывают следующие моменты:

• если две соединенные сваркой нагревательные трубы расположить так, чтобы они образовывали форму бублика, то эта деталь впоследствии выступит не только нагревательным элементом, но и сыграет роль проводника;
• на поверхности корпуса делают несколько оборотов из медного кабеля;
• для быстрого передвижения и качественного нагревания жидкости к корпусу крепят сваркой два патрубка, для подачи и выпуска воды.

Монтаж оборудования

Сборка идет в определенном порядке. Вначале подготавливается рабочая область и инструменты. После этого делают следующее:

• небольшой кусок трубы из полипропилена с толщиной стенки не меньше 3 мм фиксируют;
• концы сердечника обрезают, чтобы было в запасе 100 мм на отводы;
• на отводе снизу крепят уголок, затем сюда подключают обратный отопительный контур;
• кабель располагают витками вокруг трубы, плотно выполняя более 90 оборотов;
• на верхнем отводе монтируют тройник для организованного выхода жидкости в систему;
• устраивают защитный контур из металла или полимера;
• к выходам водонагревателя подсоединяют медный провод и заполняют стержень водой;
• испытывают индуктор на работоспособность.

Прибор ставят ближе к заготовке. Это повышает плотность поля около детали и нагнетает мощность. Коэффициент нагревания снижается с увеличением частоты. Если для заготовки используют намагниченный материал, то продуцируется дополнительное тепло из-за перемагничивания.

Учитывают индуктивность подводящих шин, которая может иметь граничные значения и превышать аналогичный показатель одновиткового индуктора. В качестве одного из вариантов используется бывший в употреблении радиопередатчик большой мощности. В нем контур антенны меняют на индуктор нагревания.

Популярные модели из магазина

Индукционный проточный водонагреватель WXJR-B6 с наибольшей мощностью до пяти киловатт использует в основе метод нагревания жидкости от магнитного поля катушки. Прибор прямоугольной формы имеет габариты 270 х 200 х 68 мм, экономно потребляет электричество. На выходе получается постоянный ток воды, нагретой до 60 °C. За минуту обрабатывает от 6 до 11 литров, время функционирования не ограничено, используется для больших ванн и бассейнов с объемом около 1 тыс. литров.

Высокочастотный водонагреватель ВИН 7 выпускается для нагревания воды или работы в отопительной системе дома с внутренним объемом до 350 кубометров. Номинал мощности на пределе составляет 7 кВт, оборудование питается от сети 220 В. Прибор круглой формы высотой 615 мм и диаметром снаружи 13 мм. Входные и выходные трубы диаметром 20 мм. Эффективно подогревает большое количество воды в минуту, мощность на выходе составляет 5 тыс. 900 ккал в час.

Индукционный прибор Эдисон 4.7 для нагрева жидкости в водопроводе и отопительной системе вырабатывает в час 3 тыс. 950 ккал, а потребляет 4,7 кВт. Возможно подключение к бытовой электросети. Применяется для строений с внутренним объемом до 240 кубометров. В комплекте продается аппаратура запуска, температурные и уровневые датчики, шкаф для обеспечения управления. Производители говорят о надежной работе в течение 30-летнего срока.

Особенности эксплуатации

Из-за того что используемый прибор относится к источникам тепла повышенной опасности, при работе с ним нужно соблюдать определенные правила техники безопасности. Естественное движение жидкости в контуре требует установки температурных контролирующих датчиков с функцией автоматического прекращения нагрева.

Для подключения котла или водонагревателя к сети нельзя использовать стационарную розетку. Проводят от распределительного щитка отдельную линию и ставят автомат. Последний выключатель перекроет подачу электричества в случае замыкания или другой аварии в системе подогрева.

Все участки открытых проводов и контактов изолируют для устранения опасности поражения током, особенно это касается самодельных агрегатов. Не разрешается запускать индуктор, если в трубах отсутствует жидкость, иначе происходит взрыв. Монтируют прибор на высоте от пола 80 см, при этом до потолка обязательно должно быть 30−35 см. Не располагают агрегат в жилых комнатах, т. к. электромагнитные волны опасны для здоровья.

Обязательно выполняют зануление индуктора, подключая его к щитку, или заземляют прибор в почву (если это первый этаж). Рекомендуется установка предохранительного пропускного клапана для автоматического уменьшения давления в водяном контуре.

Использование индукционного прибора в отопительной системе или водопроводе не регламентируется нормативными актами РФ. Перед покупкой устройства или изготовлением своими руками стоит взвесить все нюансы. Лучше устанавливать его на даче или в подсобном помещении частного строения, т. к. индукция оказывает негативное действие на человека.

Смотрите также

Индукционный нагреватель Low ZVS 12-48 В 20 A

Добрый день, уважаемые читатели. Сегодня рассмотрим необычный предмет — индукционный нагреватель мощностью до 1 кВт.

Несмотря на специфичность этого предмета, обзоры на слабенькие подобные нагреватели мелькали на сайте:
Вот и еще вот.
Обозреваемый нагреватель имеет мощность на порядок большую и его хоть как то можно применить для практических целей, а не для опытов по физике.

Не буду останавливать на теории индукционного нагрева (подробно изложено на вики)
Для тестов изделия нам нужно учесть две основные особенности:

• Нагрев происходит только у токопроводящих магнитных материалов.
• Нагрев происходит в поверхностных слоях.

Промышленные установки закалки ТВЧ имеют приличные габариты, вот, например, наша на заводе:

Закалка зубчатого колеса:

Китайский же кит отлично поместится на верстаке или рабочем столе, а делать будет то же самое, конечно с меньшей мощностью и размерами закаливаемых заготовок.
Где его можно применить практически:

• Закалка инструмента
• Бесконтактный нагрев
• Ювелирка, переплавка

Перейдем непосредственно к предмету обзора.
Доставка была ТК с отслеживаемым треком.

Упаковка

Кит нагревателя упакован в плотную картонную коробку:

Плата в антистатическом пакете, индуктор был обернут в пупырчатую пленку:


Кит индукционного нагревателя состоит из двух частей:

• Медный индуктор
• Плата генератора

Для использования нагревателя нужно добавить блок питания 12-48 В до 20 А и желательно водяное охлаждение индуктора.

Рассмотрим индуктор:

Похож на кипятильник или змеевик самогонного аппарата, но в данном случае это катушка. 7 витков 6 мм медной трубки.
Внутренний диаметр (куда вносится заготовка) — 46 мм.
Длина намотки 54 мм.
Водяное охлаждение так и просится:

А вот такого размера индуктор в индукционной печи для плавки:

Плата генератора:

Размеры платы: 100х100 мм, есть 4 отверстия диаметром 4 мм для стоек или крепления в корпус. На клеммах подачи напряжения питания обозначен только «-«. Есть зеленый светодиод — индикатор работы.
Снизу:

флюс смывать ленятся.

Примерная схема подобных устройств:

Это двухтактный полумостовой преобразователь в автогенераторном режиме.

С боков платы:

Стойки индуктора латунные шестигранники 6 мм по 3 шт, но сверху хиленькая скоба. Максимальный ток указан 20 А.
Радиаторы мосфетов:

Китайцы такие китайцы, плата выходит за радиаторы на добрый сантиметр, это будет мешать нормальному их обдуву.
Мосфеты IRFP260N в корпусе TO-247AC:

Конденсаторы 0,33 мкф 600 VAC 50 кГц:

На работе электрики помогли составить схему именно этой платы (я далек от этого) и заодно промоделировали частоту генератора:

Осциллограмма генератора:

теоретическая частота 90 кГц.

Теперь перейдем к практической части:
Для удобства подключения индуктора его выводы нужно согнуть, я использовал трубогиб, но все равно плохо получилось, стенки тонкие:

Получилось так:

некоторые в отзывах выводят индуктор на бок, но мне показалось так удобней.

Я когда выбирал нагреватель, рассчитывал на свой БП wanptek KPS305D 30 В 5 А, но он отказался работать с нагревателем, уходит в защиту и скидывает напряжение с 12 до 5 В:

Почему кстати?

Пришлось воспользоваться БП от ноутбука 19 В 4,7 А.
Ток на холостом режиме:

Напряжение на индукторе:

Ток при нагреве сверла:

Частота работы генератора:

Близка к расчетной.
Так как при работе индуктор быстро разогревается (от нагреваемой детали больше всего), опыты я проводил при проточном водном охлаждении:

организовать его просто, две трубки одна к крану с холодной водой, вторая в раковину в слив. Главное разместить надежно, весит плата с индуктором почти полкило.
Опыты:
Классическая проверка на гвозде))

Подкалил китайский зенкер:

на разогрев ушло пару минут, все таки тока 4 А маловато.
Олово с припоем плавится не захотело:

Мелкие сверла разогреваются за минуту:

Извращение с народным кухонным термометром:

Узнать температуру стали для закалки можно по цвету или измерить бесконтактным способом:

Доработка кита нагревателя из отзывов:

• Для плавки в тигле логично упрятать индуктор в изолятор.
• Обдув большим вентилятором платы.
• Усиленные медные прижимные пластины для выводов индуктора.

Это напрашивается при постоянной работе с нагревателем.

Так как получить максимум возможностей от своего БП я не смог, поехал к другу — у него есть техника посерьезней:

24 В и 24 А.
Пробуем на фрезе 6 мм:

Ток холостой 4 А. Ток рабочий около 10 А, нагревается быстро.

А теперь задача посложнее — плавка алюминия (660 С):

так не заработало, там виток, втулка полая.
В стальном тигле дело пошло (на 15 А):

но лопнула керамическая пластинка. Индуктор обувается вентилятором 120 мм, температура его не выше 50 С. Мосфеты примерно так же.
Подложили под тигель керамический патрон:

За 4 минуты алюминиевая втулка толщиной с палец размякла (ток при этом 12 А).


Остывший расплав:

При должном оснащении, этому нагревателю по силам и плавка легкоплавких металлов. Главное иметь мощный блок питания.

Есть купон SJZVS снижающий цену до $27.99 (до 30 августа).

Спасибо за просмотр. Удачных покупок!

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Индукционный нагреватель металла. Принцип работы

Технология индукционного нагрева заготовок востребована не только в цехах горячей объёмной штамповки. Компактные индукторы необходимы, в частности, для автосервиса, занимающегося изготовлением и ремонтом стальных деталей из профилированного проката. Приобретать промышленный индуктор дорого. Есть ли альтернатива?

Как работает индукционный нагреватель?

Для реализации процесса индукционного нагрева используется известный физический принцип, когда для деформирования в горячем состоянии заготовку размещают в магнитном поле кольцеобразного индуктора. Питание такой катушки производится электрическим переменным током частоты, резко выше, чем обычная (50 или 60 Гц).

Принцип работы индукционного нагревателя следующий. Создаваемые в электромагнитном поле вихревые токи (у них есть и другое название – токи Фуко) производят нагрев металла. Непосредственное соприкосновение заготовки и нагревательного элемента не обязательно, важно только, чтобы индуктор равномерно охватывал нагреваемую поверхность металла. Используя трансформатор, установка подключается к генератору, который обеспечивает требующиеся значения мощности и частоты.

Индукционным нагревом можно обеспечить сравнительно быстрое повышение температуры поверхностных слоёв. В частности, для нагревания прутковой заготовки сечением 35…40 мм и длиной 140….150 мм потребуется около 20…25 с.

Примерные диапазоны соответствия наилучшей частоты тока и поперечного сечения круглого прутка приведены в таблице.

Диаметр, мм	20…40	40…60	60…80	80…100	100…120
Частота, кГц	100…40	40…10	10…4	4…1	1…0,5

Для полосового металла применять индукционный нагрев менее выгодно, чем для круглого прутка, поскольку расстояние между внутренним диаметром катушки и металлом непостоянно.

Обычно применяется частота от 10 кГц, тогда КПД индукционного нагревателя достигает максимума. Частота регулируется в зависимости от:

• требуемой производительности нагрева;
• температуры нагреваемого металла;
• размеров поперечного сечения.

Конструкции промышленных индукторов снабжаются устройствами для автоматической загрузки-выгрузки нагретых заготовок. Это необходимо потому, чтобы интервал между нагревом и пластическим деформированием металла был минимальным.

Время нагрева стальных заготовок невелико: для сечения 20 мм оно составляет всего 10 с, поэтому потери металла в окалину незначительны.

Индукционный нагреватель своими руками

Известен ряд конструкций индукторов, изготовленных из сварочного инвертора, принцип действия которых может быть использован для наведения в металле вихревых токов Фуко.

Изготовление самодельного индуктора заключается в следующем. Вначале потребуется изготовить прочный корпус, в котором будет находиться узел крепления нагреваемой заготовки. Корпус необходимо подвергнуть закалке, чтобы он не деформировался под воздействием возможных ударов. Ещё лучше, если материал подвергнуть азотированию: в этом случае реализуются два преимущества —  дополнительное увеличение твердости за счет более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит, и улучшение скин-эффекта, когда по внешней стороне заготовки будет протекать более мощный ток. Прочность оценивается по пробе на искру.

Следующей стадией является изготовление нагревающей катушки. Её делают из индивидуально изолированных проводов: в этом случае потери мощности будут минимальными. Подойдёт и медная трубка – она имеет  большую площадь поверхности, по которой будут наводиться вихревые токи, при этом собственный нагрев индуктора из-за высокой электропроводности меди практически отсутствует.

После подключения катушки к системе водяного охлаждения и проверки системы прокачки индуктор готов к работе.

Рабочая схема

В состав нагревателя входят следующие составляющие:

1. Инверторный блок, рассчитанный на напряжение 220…240 В, при токе не менее 10 А.
2. Трёхпроводная кабельная линия (один провод – заземляющий) с нормально разомкнутым переключателем.
3. Система водяного охлаждения (крайне желательно использовать очистные фильтры для воды).
4. Набор катушек, отличающихся внутренними диаметрами и длиной (при ограниченных объёмах работ можно обойтись и одной катушкой).
5. Нагревающий блок (можно применить модуль на силовых транзисторах, которые выпускаются китайскими фирмами Infineon или  IGBT).
6. Демпферная цепь с несколькими конденсаторами Semikron.

Генератор высокочастотных колебаний принимается тот же, что и у базового инвертора. Важно, чтобы его эксплуатационные характеристики полностью соответствовали тем, которые указаны в предыдущих разделах.

После сборки блок заземляется, и с помощью соединительных кабелей нагревательная индукционная катушка присоединяется к блоку питания инвертора.

Примерные эксплуатационные возможности самодельного индукционного нагревателя металла:

• Наибольшая температура нагрева, ^°С – 800.
• Минимальная мощность инвертора – 2 кВА.
• Продолжительность включения ПВ, не менее – 80.
• Рабочая частота, кГц (регулируемая) — 1,0…5,0.
• Внутренний диаметр катушки, мм – 50.

Следует отметить, что такой индуктор потребует специально подготовленного рабочего места – бака для отработанной воды, насоса, надёжного заземления.