Индукционный нагреватель можно устанавливать в квартире, для этого не нужно никаких согласований и связанных с ними расходов и хлопот. Достаточно желания хозяина. Проект подключения требуется только теоретически. Это и стало одной из причин популярности индукционных нагревателей, даже несмотря на приличную стоимость электроэнергии.

Индукционный способ нагрева

Индукционный нагрев - это нагрев переменным электромагнитным полем проводника, помещенного в это поле. В проводнике возникают вихревые токи (токи Фуко), которые и нагревают его. По сути дела - это трансформатор, первичная обмотка - это катушка, называемая индуктором, а вторичная обмотка - это вкладка или короткозамкнутая обмотка. Тепло не подводится к вкладке, а генерируется в ней самой блуждающими токами. Все, окружающее ее, остается холодным, что является определенным преимуществом устройств такого рода.

Тепло во вкладке распределяется неравномерно, а только в поверхностных ее слоях и далее по объему распространяется за счет теплопроводности материала вкладки. Причем с повышением частоты переменного магнитного поля глубина проникновения уменьшается, а интенсивность увеличивается.

Для работы индуктора с частотой большей, чем в сети (50Гц), применяются транзисторные или тиристорные преобразователи частоты. Тиристорные преобразователи позволяют получать частоты до 8 КГц, транзисторные - до 25КГц. Схемы их подключения можно найти легко.

Планируя установку систем отопления в собственном доме или на даче, кроме прочих вариантов на жидком или твердом топливе, необходимо рассмотреть вариант с применением индукционного нагрева котла. С таким отоплением экономить на электроэнергии не удастся , но отсутствуют опасные для здоровья вещества.

Основное назначение индуктора - выработка тепловой энергии за счет электрической без использования теплоэлектронагревателей принципиально другим способом.

Типовой индуктор состоит из следующих основных деталей и устройств:

Устройство нагревательного прибора

Основные элементы индукционного нагревателя для отопительной системы.

1. Стальная проволока диаметром 5-7 мм.
2. Труба из пластика с толстой стенкой. Внутренний диаметр не менее 50 мм и длина подбирается по месту установки.
3. Медная эмалированная проволока для катушки. Размеры подбираются в зависимости от мощности устройства.
4. Сетка из нержавеющей стали.
5. Сварочный инвертор.

Порядок изготовления индукционного котла

Вариант первый

Стальную проволоку порубить на отрезки длиной не более 50 мм. Рубленой проволокой заполнить пластиковую трубу. Торцы заглушить проволочной сеткой для предотвращения высыпания проволоки.

На концах трубы установить переходники от пластиковой трубы к размеру трубы в месте подключения нагревателя.

Медным эмалированным проводом намотать обмотку на корпусе нагревателя (пластиковой трубе). Для этого понадобится порядка 17 метров провода: количество витков - 90, наружный диаметр трубы порядка 60 мм: 3,14 х 60 х90 = 17 (метров). Длину уточните дополнительно, когда будет точно известен наружный диаметр трубы.

Пластиковую трубку, а теперь уже индукционный котел , врезать в трубопровод в вертикальном положении.

При проверке работоспособности индукционного нагревателя убедитесь, что в котле присутствует теплоноситель. В противном случае корпус (пластиковая труба) расплавится очень быстро.

Подключить котел к инвертору, необходимо заполнить систему теплоносителем и можно включать.

Вариант второй

Конструкция индукционного нагревателя из сварочного инвертора по этому варианту более сложна, требует определенных навыков и умений работать своими руками, однако, она более эффективна. Принцип тот же - индукционный нагрев теплоносителя.

Для начала нужно изготовить сам индукционный нагреватель - котел. Для этого понадобятся две трубки разного диаметра, которые вставляются одна в другую с зазором между ними порядка 20 мм. Длина трубок от 150 до 500 мм, в зависимости от предполагаемой мощности индукционного нагревателя. Нужно вырезать два кольца соответственно зазору между трубками и приварить их герметично по торцам. Получилась емкость тороидальной формы.

Остается вварить в наружную стенку входную (нижнюю) трубку по касательной к корпусу и верхнюю (выходную) трубку параллельно входной на противоположной стороне тороида. Размер трубок - по размеру труб отопительной системы. Расположение входного и выходного патрубков по касательной, обеспечит циркуляцию теплоносителя по всему объему котла без образования застойных зон.

Второй шаг - создание обмотки. Эмалированный медный провод нужно наматывать вертикально, пропуская его внутрь и поднимая наверх по внешнему контуру корпуса. И так 30-40 витков, образуя тороидальную катушку. В таком варианте нагреваться будет одновременно вся поверхность котла, таким образом, значительно повышая его производительность и эффективность.

Изготовить наружный корпус обогревателя из непроводящих материалов, использовав, например, пластиковую трубу большого диаметра или банальное пластиковое ведро, если будет достаточно его высоты. Диаметр наружного корпуса должен обеспечивать выход патрубков котла сбоку. Обеспечить соблюдение правил электробезопасности по всей схеме подключения.

Корпус котла отделить от наружного корпуса теплоизолятором, можно использовать как сыпучий термоизоляционный материал (керамзит), так и плиточный (изовер, минплита и тому подобное). Этим предотвращаются потери тепла в атмосферу от конвекции.

Остается заполнить систему своим теплоносителем и подсоединить индукционный нагреватель из сварочного инвертора.

Такой котел совершенно не требует вмешательства и может работать 25 и более лет без ремонта, поскольку в конструкции отсутствуют движущиеся детали, а в схеме подключения предусмотрено использование автоматического управления.

Вариант третий

Это, наоборот, самый простой вариант обогрева жилища, выполняемый своими руками. На вертикальной части трубы системы отопления нужно выбрать прямой участок длиной не менее метра и очистить его от краски наждачной шкуркой. Затем этот участок трубы изолировать 2-3 слоями электротехнической ткани или плотной стеклоткани. После этого эмалированным медным проводом намотать индукционную катушку. Тщательно изолировать всю схему подключения.

Остается только подключить сварочный инвертор и наслаждаться теплом в своем жилище.

Обратите внимание на несколько моментов.

1. Нежелательно устанавливать такой обогреватель в жилых комнатах, где чаще всего находятся люди. Дело в том, что электромагнитное поле распространяется не только внутри катушки, но и в окружающем пространстве. Чтобы убедиться в этом, достаточно воспользоваться обыкновенным магнитом. Нужно взять его в руку и подойти к катушке (котлу). Магнит начнет ощутимо вибрировать и тем сильнее, чем ближе катушка. Поэтому лучше использовать котел в нежилой части дома или квартиры.
2. Устанавливая катушку на трубе, убедитесь, что на этом участке системы отопления теплоноситель естественным образом течет вверх, чтобы не создавать противотока, иначе система вообще не будет работать.

Можно предложить много вариантов применения индукционного нагрева в жилище. Например, в системе горячего водоснабжения можно вообще отказаться от подачи горячей воды , подогревая ее на выходах из каждого крана. Однако, это тема для отдельного рассмотрения.

Несколько слов о безопасности при использовании индукционных нагревателей со сварочным инвертором:

• для обеспечения электробезопасности необходимо тщательно изолировать токопроводящие элементы конструкций по всей схеме подключения;
• индукционный нагреватель рекомендуется только для закрытых систем отопления, в которых циркуляция обеспечивается водяным насосом;
• рекомендуется размещать индукционную систему на расстоянии не менее 30 см от стен и мебели и в 80 сантиметрах от пола или потолка;
• чтобы обезопасить работу системы нужно оснастить систему манометром, аварийным клапаном и устройством автоматического регулирования.
• установить устройство для стравливания воздуха из системы отопления во избежание образования воздушных пробок.

КПД индукционных котлов и нагревателей близка к 100%, при этом нужно учитывать, что потери электроэнергии в сварочных инверторах и проводке, так или иначе, возвращаются к потребителю в виде тепла.

Прежде чем приступать к изготовлению индукционной системы, посмотрите технические данные промышленных образцов. Это поможет определиться с исходными данными самодельной системы.

Желаем успехов в творчестве и труде на самого себя!

Описание метода

Индукционный нагрев - это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно - это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор , представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла (см. закон Джоуля-Ленца).

Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор , в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ (Поверхностный-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое Δ плотность тока уменьшается в e раз относительно плотности тока на поверхности заготовки, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла (от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки.

Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри μ имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электролиты, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице.

Формула для вычисления глубины скин-слоя в мм:

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

Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ≈ 0,001 мм.

Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием - этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.

Применение

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

Преимущества

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

Недостатки

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

Установки индукционного нагрева

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Недостатки трёхточки:

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

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

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

Замечания

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

См. также

Ссылки

Литература

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

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».

7.1.3. ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ

Начальный период. Индукционный нагрев проводников основан на физическом явлении электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем в 1831 г. Теорию индукционного нагрева начали разрабатывать О. Хэвисайд (Англия, 1884 г.), С. Ферранти, С. Томпсон, Ивинг. Их работы явились основой для создания техники индукционного нагрева. Так как при индукционном нагреве теплота выделяется в проводящем теле - слое, равном глубине проникновения электромагнитного поля, то появляются возможности точного управления температурой для обеспечения качественного нагрева при высокой производительности. Другим преимуществом является бесконтактность нагрева.

Индукционные канальные печи с открытым каналом. Одна из первых известных конструкций индукционной канальной печи (ИКП) была предложена С. Ферранти (Италия) в 1887 г. Печь имела керамический канал, а плоские катушки индуктора были размещены над и под этим каналом. В 1890г. Е.А. Колби (США) предложил конструкцию печи, у которой индуктор охватывает круговой канал снаружи.

Первую промышленную печь со стальным сердечником и индуктором, размещенным внутри канала (рис. 7.7), создал в 1900 г. Кьеллин (Швеция). Мощность печи 170 кВт, емкость до 1800 кг, частота 15 Гц. Питание от специального генератора пониженной частоты, что необходимо из-за низкого значения коэффициента мощности. К 1907 г. в эксплуатации находились 14 подобных печей.

Рис. 7.7. Эскиз индукционной печи с открытым каналом, созданной Кьеллииым1 - канал; 2 - индуктор; 3 - магнитопровод

В 1905 г. Рёхелинг-Роденхаузер (Германия) сконструировал многофазные канальные печи (с двумя и тремя индукторами), в которых каналы соединены с ванной, питание от сети 50 Гц. В последующих конструкциях печей использовались также закрытые каналы для плавки цветных металлов. В 1918 г. В. Рон (Германия) построил вакуумную ИКП по типу печи Кьеллина (давление 2–5 мм рт.ст.), что позволило получить металл с лучшими механическими свойствами.

В связи с рядом преимуществ печей с закрытым каналом развитие печей с открытым каналом приостановилось. Однако были продолжены попытки использования таких печей для плавки стали.

В 30-х годах в США для переплава скрапа нержавеющей стали использовалась однофазная ИКП емкостью 6 т с открытым каналом и питанием от генератора мощностью 800 кВт и частотой 8,57 Гц. Печь работала в дуплекс-процессе с дуговой печью. В 40–50-е годы в Италии применялись ИКП с открытым каналом для плавки стали емкостью 4–12 т, изготовленные фирмой «Таглиаферри». В дальнейшем от использования таких печей отказались, так как они уступали по своим характеристикам дуговым и индукционным тигельным сталеплавильным печам.

Индукционные канальные печи с закрытым каналом. С 1916 г. стали разрабатываться вначале опытные, а затем промышленные ИКП с закрытым каналом. Серия ИКП с закрытым каналом разработана фирмой «Аякс - Уатт» (США). Это шахтные однофазные печи с вертикальным каналом для плавки медноцинковых сплавов мощностью 75 и 170 кВ?А и емкостью 300 и 600 кг. Они явились основой для разработок ряда фирм.

В те же годы во Франции были изготовлены шахтные печи с горизонтальной трехфазной индукционной единицей (мощностью 150, 225 и 320 кВт). В Англии фирма «Дженерал электрик лимитед» предложила модификацию печи с двумя каналами на индуктор, при их несимметричном расположении, что вызывает циркуляцию расплава и снижение перегрева.

Печи Э. Русса (Германия) выпускались с двумя и тремя каналами на индуктор (вертикальное и горизонтальное исполнение). Э. Руссом также была предложена конструкция сдвоенной индукционной единицы (ИЕ), подключаемой к двум фазам.

В СССР в 30-е годы ИКП по типу печей фирмы «Аякс - Уатт» стали выпускаться на Московском электрозаводе. В 50-е годы ОКБ «Электропечь» разработало печи для плавки меди и ее сплавов емкостью 0, 4–6,0 т, а затем и 16 т. В 1955 г. на заводе в г. Белая Калитва пущена ИКП для плавки алюминия емкостью 6 т.

В 50-е годы в США и Западной Европе ИКП стали широко применяться в качестве миксеров при плавке чугуна в дуплекс-процессе с вагранкой или дуговой электропечью. Для увеличения мощности и снижения перегрева металла в канале разрабатывались конструкции ИЕ с однонаправленным движением расплава (Норвегия). Тогда же были разработаны отъемные ИЕ. В 70-е годы фирма «Аякс магнетермик» разработала сдвоенные ИЕ, мощность которых в настоящее время достигает 2000 кВт. Подобные разработки в те же годы выполнены и во ВНИИЭТО. В разработках ИКП различных типов активно участвовали Н.В. Веселовский, Э.П. Леонова, М.Я. Столов и др.

В 80-е годы развитие ИКП в нашей стране и за рубежом было направлено на увеличение областей применения и расширение технологических возможностей, например применение ИКП для получения труб из цветных металлов методом вытягивания из расплава.

Индукционные тигельные печи. Так как индукционные тигельные печи (ИТП) малой емкости могут эффективно работать только на частотах выше 50 Гц, то их создание сдерживалось из-за отсутствия соответствующих источников питания - преобразователей частоты. Тем не менее в 1905–1906 гг. ряд фирм и изобретателей предложили и запатентовали ИТП, к ним относятся фирма «Шнейдер - Крезо» (Франция), О. Цандер (Швеция), Герден (Англия). В это же время конструкцию ИТП разработал А.Н. Лодыгин (Россия).

Первую промышленную ИТП с искровым высокочастотным генератором разработал в 1916 г. Э.Ф. Нортруп (США). С 1920 г. эти печи стала выпускать фирма «Аякс электротермию). В это же время ИТП с питанием от вращающегося искрового разрядника разрабатывает Ж. Рибо (Франция). Фирма «Метрополитен - Виккерс» создала ИТП высокой и промышленной частоты. Вместо искровых генераторов использовались машинные преобразователи с частотой до 3000 Гц и мощностью 150 кВ?А.

В.П. Вологдин в 1930–1932 гг. создал промышленные ИТП емкостью 10 и 200 кг с питанием от машинного преобразователя частоты. В 1937 г. он же построил ИТП с питанием от лампового генератора. В 1936 г. А.В. Донской разработал универсальную индукционную печь с ламповым генератором мощностью 60 кВ?А.

В 1938 г. для питания ИТП (мощность 300 кВт, частота 1000 Гц) фирма «Броун - Бовери» использовала инвертор на многоанодном ртутном вентиле. С 60-х годов стали использоваться тиристорные инверторы для питания индукционных установок. С увеличением емкости ИТП стало возможным эффективное применение питания током промышленной частоты.

В 40–60-х годах ОКБ «Электропечь» разработало несколько типов ИТП: повышенной частоты для плавки алюминия емкостью 6 т (1959 г.), чугуна емкостью 1 т (1966 г.). В 1980 г. на заводе в г. Баку изготовлена печь емкостью 60 т для плавки чугуна (разработка ВНИИЭТО по лицензии фирмы «Броун - Бовери»). Большой вклад в разработку ИТП во ВНИИЭТО внесли Э.П. Леонова, В.И. Кризенталь, А.А. Простяков и др.

В 1973 г. фирма «Аякс магнетермик» совместно с исследовательской лабораторией фирмы «Дженерал моторе» разработала и ввела в эксплуатацию горизонтальную тигельную печь непрерывного действия для плавки чугуна емкостью 12 т и мощностью 11 МВт.

Начиная с 50-х годов стали развиваться специальные виды индукционной плавки металлов:

вакуумная в керамическом тигле;

вакуумная в гарнисаже;

вакуумная в холодном тигле;

в электромагнитном тигле;

во взвешенном состоянии;

с использованием комбинированного нагрева.

Вакуумные индукционные печи (ВИП) до 1940 г. применялись только в лабораторных условиях. В 50-х годах некоторые фирмы, в частности «Хереус», стали разрабатывать промышленные ВИП, единичная емкость которых стала быстро возрастать: 1958 г. - 1–3 т, 1961–5 т, 1964–15–27 т, 1970–60 т. В 1947 г. МосЗЭТО изготовил первую вакуумную печь емкостью 50 кг, а с 1949 г. начал серийное производство ВИП емкостью 100 кг. В середине 80-х годов производственное объединение «Сибэлектротерм» по разработкам ВНИИЭТО изготавливало модернизированные ВИП емкостью 160, 600 и 2500 кг для плавки специальных сталей.

Индукционная плавка химически активных сплавов в гарнисажных печах и печах с медным водоохлаждаемым (холодным) тиглем стала применяться в 50-х годах. Печь с порошкообразным гарнисажем была разработана Н.П. Глухановым, Р.П. Жежериным и др. в 1954 г., а печь с монолитным гарнисажем - М.Г. Коганом в 1967 г. Идея индукционной плавки в холодном тигле предложена еще в 1926 г. в Германии фирмой «Сименс - Гальске», но применения не нашла. В 1958 г. В ИМЕТ совместно с ВНИИ токов высокой частоты им. В.П. Вологдина (ВНИ-ИТВЧ) под руководством А.А. Фогеля проведены опыты по индукционной плавке титана в холодном тигле.

Стремление снизить загрязнение металла и тепловые потери в холодном тигле привели к использованию электромагнитных сил для отжатия металла от стенок, т.е. к созданию «электромагнитного тигля» (Л.Л. Тир, ВНИИЭТО, 1962 г.)

Плавка металлов во взвешенном состоянии для получения особо чистых металлов была предложена в Германии (О. Мук) еще в 1923 г., но не получила распространения из-за отсутствия источников питания. В 50-е годы этот метод начал развиваться во многих странах. В СССР много работали в этом направлении сотрудники ВНИИТВЧ под руководством А.А. Фогеля.

Плавильные ИКП и ИТП комбинированного нагрева стали применяться с 50-х годов вначале с использованием мазутных и газовых горелок, например ИКП для переплава алюминиевой стружки (Италия) и ИТП для чугуна (Япония). Позднее получили распространение плазменно-индукционные тигельные печи, например разработанная ВНИИЭТО в 1985 г. серия опытно-промышленных печей емкостью 0,16–1,0 т.

Установки индукционной поверхностной закалки. Первые опыты по индукционной поверхностной закалке проведены в 1925 г. В.П. Вологдиным по инициативе инженера Путиловского завода Н.М. Беляева, которые были признаны неудачными, так как в то время стремились к сквозной закалке. В 30-х годах В.П. Вологдин и Б.Я. Романов возобновили эти работы и в 1935 г. получили патенты на закалку с использованием токов высокой частоты. В 1936 г. В.П. Вологдин и А.А. Фогель получили патент на индуктор для закалки шестерен. В.П. Вологдин и его сотрудники разрабатывали все элементы закалочной установки: вращающийся преобразователь частоты, индукторы и трансформаторы (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Закалочная установка для последовательной закалки

1 - закаливаемое изделие; 2 - индуктор; 3 - закалочный трансформатор; 4 - преобразователь частоты; 5 - конденсатор

С 1936 г. Г.И. Бабат и М.Г. Лозинский на заводе «Светлана» (Ленинград) исследовали процесс индукционной закалки с использованием высоких частот при питании от лампового генератора. С 1932 г. закалка током средней частоты стала внедряться фирмой ТОККО (США).

В Германии в 1939 г. Г.В. Зойлен осуществил поверхностную закалку коленчатых валов на заводах фирмы АЕГ. В 1943 г. К. Кегель предложил специальную форму индуктирующего провода для закалки зубчатого колеса.

Широкое применение поверхностной закалки началось с конца 40-х годов. За 25 лет с 1947 г. ВНИИТВЧ разработал свыше 300 закалочных устройств, в том числе введены в эксплуатацию автоматическая линия для закалки коленчатых валов и установка для закалки железнодорожных рельсов по всей длине (1965 г.). В 1961 г. пущена первая установка для закалки шестерен из стали пониженной прокаливаемости на автозаводе им. Лихачева (ЗИЛ) (технология разработана К.З. Шепеляковским).

Одним из направлений развития индукционной термообработки в последние годы стали технологии закалки и отпуска труб нефтяного сортамента и газопроводных труб большого диаметра (820–1220 мм), строительных арматурных стержней, а также упрочнения железнодорожных рельсов.

Установки сквозного нагрева. Применение индукционного нагрева металлов для различных целей, кроме плавки, на первом этапе носило поисковый характер. В 1918 г. М.А. Бонч-Бруевич, а затем и В.П. Вологдин применили для нагрева анодов электронных ламп при их вакуумировании (дегазации) токи высокой частоты. В конце 30-х годов в лаборатории завода «Светлана» проводились опыты по использованию индукционного нагрева до температуры 800–900°С при обработке стального вала диаметром 170 и длиной 800 мм на токарном станке. Использовался ламповый генератор мощностью 300 кВт и частотой 100–200 кГц.

С 1946 г. в СССР начались работы по использованию индукционного нагрева при обработке давлением. В 1949 г. введен в эксплуатацию первый кузнечный нагреватель на ЗИЛе (ЗИСе). Эксплуатация первой индукционной кузницы начата на Московском заводе малолитражных автомобилей (МЗМА, позднее АЗЛК) в 1952 г. Интересная двухчастотная установка (60 и 540 Гц) для нагрева стальных заготовок (сечение - квадрат 160x160 мм) под обработку давлением была запущена в Канаде в 1956 г. Подобная же установка разработана в ВНИИТВЧ (1959 г.). Промышленная частота используется при этом для нагрева до точки Кюри.

Для прокатного производства в 1963 г. ВНИИТВЧ изготовил нагреватель слябов (габариты 2,5x0,38x1,2 м) мощностью 2000 кВт на частоту 50 Гц.

В 1969 г. на металлургическом заводе фирмы «Маклаут стил корп.» (США) применен индукционный нагрев стальных слябов массой около 30 т (габариты 7,9x0,3x1,5 м) с использованием шести технологических линий (18 индукторов промышленной частоты общей мощностью 210 МВт).

Индукторы имели специальную форму, обеспечивающую равномерность нагрева сляба. Работы по применению индукционного нагрева в металлургии велись также и во ВНИИЭТО (П.М. Чайкин, С.А. Яицков, А.Э. Эрман).

В конце 80-х годов в СССР индукционный нагрев использовался приблизительно в 60 кузнечных цехах (прежде всего на заводах автотракторной и оборонной промышленности) с общей мощностью индукционных нагревателей до 1 млн. кВт.

Низкотемпературный нагрев на промышленной частоте. В 1927–1930 гг. на одном из уральских оборонных заводов начались работы по индукционному нагреву на промышленной частоте (Н.М. Родигин). В 1939 г. там с успехом работали достаточно мощные индукционные нагревательные установки для термообработки изделий из легированной стали.

В ЦНИИТмаше (В.В. Александров) также проводились работы по применению промышленной частоты для термообработки, нагрева под посадку и т.д. Ряд работ по низкотемпературному нагреву выполнен под руководством А.В. Донского. В НИИжелезобетона (НИИЖБ), Фрунзенском политехническом институте и других организациях в 60–70-х годах проводились работы по термообработке железобетонных изделий с использованием индукционного нагрева на частоте 50 Гц. ВНИИЭТО также разработал ряд промышленных установок низкотемпературного нагрева для подобных целей. Разработки МЭИ (А.Б. Кувалдин) в области индукционного нагрева ферромагнитной стали были использованы в установках для подогрева деталей под наплавку, термообработки стали и железобетона, обогрева химических реакторов, пресс-форм и др. (70–80-е годы).

Высокочастотная зонная плавка полупроводников. Метод зонной плавки был предложен в 1952 г. (В.Г. Пфанн, США). Работы по высокочастотной бестигельной зонной плавке в нашей стране начались в 1956 г., и во ВНИИТВЧ был получен монокристалл кремния диаметром 18 мм. Созданы различные модификации установок типа «Кристалл» с индуктором внутри вакуумной камеры (Ю.Э. Недзвецкий). В 50-е годы изготовление установок для вертикальной бестигельной зонной плавки кремния с индуктором снаружи вакуумной камеры (кварцевой трубы) осуществлялось на заводе «Платиноприбор» (Москва) совместно с Государственным институтом редких металлов (Гиредмет). Начало серийного производства установок «Кристалл» для выращивания монокристаллов кремния относится к 1962 г. (на Таганрогском ЗЭТО). Диаметр получаемых монокристаллов достиг 45 мм (1971 г.), а позднее и свыше 100 мм (1985 г.)

Высокочастотная плавка оксидов. В начале 60-х годов Ф.К. Монфорт (США) провел плавку оксидов в индукционной печи (выращивание монокристаллов ферритов при использовании токов высокой частоты - радиочастот). Тогда же А.Т Чэпмен и Г.В. Кларк (США) предложили технологию переплавления поликристаллического оксидного блока в холодном тигле. В 1965 г. Ж. Рибо (Франция) получил расплавы оксидов урана, тория и циркония при использовании радиочастот. Плавка этих оксидов происходит при высоких температурах (1700–3250 °С), и поэтому требуется большая мощность источника питания.

В СССР технология высокочастотной плавки оксидов разработана в Физическом институте АН СССР (A.M. Прохоров, В.В. Осико). Оборудование разрабатывали ВНИИТВЧ и Ленинградский электротехнический институт (ЛЭТИ) (Ю.Б. Петров, А.С. Васильев, В.И. Добровольская). Созданные ими установки «Кристалл» в 1990 г. имели общую мощность свыше 10 000 кВт, на них производились сотни тонн оксидов высокой степени чистоты в год.

Высокочастотный нагрев плазмы. Явление высокочастотного разряда в газе известно с 80-х годов XIX в. В 1926–1927 гг. Дж.Дж. Томсон (Англия) показал, что безэлектродный разряд в газе создается индуцированными токами, а Дж. Таунсенд (Англия, 1928 г.) объяснял разряд в газе действием электрического поля. Все эти исследования проводились при пониженных давлениях.

В 1940–1941 гг. Г.И. Бабат на заводе «Светлана» при дегазации электронных ламп с использованием высокочастотного нагрева наблюдал плазменный разряд, а затем впервые получил разряд при атмосферном давлении.

В 50-е годы в разных странах проводились работы по высокочастотной плазме (Т.Б. Рид, Ж. Рибо, Г. Баркхофф и др.). В СССР они велись с конца 50-х годов в Ленинградском политехническом институте (А.В. Донской, С.В. Дресвин), МЭИ (М.Я. Смелянский, С.В. Кононов), ВНИТВЧ (И.П. Дашкевич) и др. Исследовались разряды в различных газах, конструкции плазмотронов и технологии с их использованием. Были созданы высокочастотные плазмотроны с кварцевой и с металлической (для мощностей до 100 кВт) водоохлаждаемой (создана в 1963 г.) камерами.

В 80-х годах высокочастотные плазмотроны мощностью до 1000 кВт на частоты 60 кГц - 60 МГц применялись для получения особо чистого кварцевого стекла, пигментного диоксида титана, новых материалов (например, нитридов и карбидов), особо чистых ультрадисперсных порошков и разложения отравляющих веществ.

автора Коллектив авторов

7.1.1. РЕЗИСТИВНЫЙ НАГРЕВ Начальный период. Первые эксперименты по нагреву проводников электрическим током относятся к XVIII в. В 1749 г. Б. Франклин (США) при исследовании разряда лейденской банки обнаружил нагрев и расплавление металлических проволочек, а позднее по его

Из книги автора

7.1.2. ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ НАГРЕВ Начальный период. В 1878–1880 гг. В. Сименс (Англия) выполнил ряд работ, которые легли в основу создания дуговых печей прямого и косвенного нагрева, в том числе однофазной дуговой печи емкостью 10 кг. Им было предложено использовать магнитное поле для

Из книги автора

Из книги автора

7.7.5. ПЛАЗМЕННЫЙ НАГРЕВ Начальный период. Начало работ по плазменному нагреву относится к 20-м годам XX в. Сам термин «плазма» ввел И. Ленгмюр (США), а понятие «квазинейтральная» - В. Шоттки (Германия). В 1922 г. X. Гердиен и А. Лотц (Германия) провели опыты с плазмой, полученной при

Из книги автора

7.1.6. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАГРЕВ Начальный период. Техника электронно-лучевого нагрева (плавка и рафинирование металлов, размерная обработка, сварка, термообработка, нанесение покрытий испарением, декоративная обработка поверхности) создана на основе достижений физики,

Из книги автора

7.1.7. ЛАЗЕРНЫЙ НАГРЕВ Начальный период. Лазер (сокращение английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) создан во второй половине XX в. и нашел определенное применение в электротехнологии.Идею процесса вынужденного излучения высказал еще А. Эйнштейн в 1916 г. В 40-х годах В.А.

Индукционные нагреватели работают по принципу “получение тока из магнетизма”. В специальной катушке генерируется переменное магнитное поле высокой мощности, которое порождает вихревые электрические токи в замкнутом проводнике.

Замкнутым проводником в индукционных плитах является металлическая посуда, которая разогревается вихревыми электрическими токами. В общем, принцип работы таких приборов не сложен, и при наличии небольших познаний в физике и электрике, собрать индукционный нагреватель своими руками не составит большого труда.

Самостоятельно могут быть изготовлены следующие приборы:

1. Приборы для нагрева в котле отопления.
2. Мини-печи для плавки металлов.
3. Плиты для приготовления пищи.

Индукционная плита своими руками, должна быть изготовлена с соблюдением всех норм и правил для эксплуатации данных приборов. Если за пределы корпуса в боковых направлениях будет выделяться опасное для человека электромагнитное излучение, то использовать такой прибор категорически запрещается.

Кроме этого большая сложность при конструировании плиты заключается в подборе материала для основания варочной поверхности, которое должно удовлетворять следующим требованиям:

1. Идеально проводить электромагнитное излучение.
2. Не являться токопроводящим материалом.
3. Выдерживать высокую температурную нагрузку.

В бытовых варочных индукционных поверхностях используется дорогая керамика, при изготовлении в домашних условиях индукционной плиты, найти достойную альтернативу такому материалу – довольно сложно. Поэтому, для начала следует сконструировать что-нибудь попроще, например, индукционную печь для закалки металлов.

Инструкция по изготовлению

Чертежи

Рисунок 1. Электрическая схема индукционного нагревателя
Рисунок 2. Устройство. Рисунок 3. Схема простого индукционного нагревателя

Для изготовления печи понадобятся следующие материалы и инструменты:

• припой;
• текстолитовая плата.
• мини-дрель.
• радиоэлементы.
• термопаста.
• химические реагенты для травления платы.

Дополнительные материалы и их особенности:

1. Для изготовления катушки , которая будет излучать необходимое для нагрева переменное магнитное поле, необходимо приготовить отрезок медной трубки диаметром 8 мм, и длиной 800 мм.
2. Мощные силовые транзисторы являются самой дорогой частью самодельной индукционной установки. Для монтажа схемы частотного генератора необходимо приготовить 2 таких элемента. Для этих целей подойдут транзисторы марок: IRFP-150; IRFP-260; IRFP-460. При изготовлении схемы используются 2 одинаковых из перечисленных полевых транзисторов.
3. Для изготовления колебательно контура понадобятся керамические конденсаторы ёмкостью 0,1 mF и рабочим напряжением 1600 В. Для того, чтобы в катушке образовался переменный ток высокой мощности, потребуется 7 таких конденсаторов.
4. При работе такого индукционного прибора , полевые транзисторы будут сильно разогреваться и если к ним не будут присоединены радиаторы из алюминиевого сплава, то уже через несколько секунд работы на максимальной мощности, данные элементы выйдут из строя. Ставить транзисторы на теплоотводы следует через тонкий слой термопасты, иначе эффективность такого охлаждения будет минимальна.
5. Диоды , которые используются в индукционном нагревателе, обязательно должны быть ультрабыстрого действия. Наиболее подходящими для данной схемы, диоды: MUR-460; UF-4007; HER – 307.
6. Резисторы, которые используются в схеме 3: 10 кОм мощностью 0,25 Вт – 2 шт. и 440 Ом мощностью – 2 Вт. Стабилитроны: 2 шт. с рабочим напряжением 15 В. Мощность стабилитронов должна составлять не менее 2 Вт. Дроссель для подсоединения к силовым выводам катушки используется с индукцией.
7. Для питания всего устройства понадобится блок питания мощностью до 500. Вт. и напряжением 12 – 40 В. Запитать данное устройство можно от автомобильного аккумулятора, но получить наивысшие показания мощности при таком напряжении не получится.

Сам процесс изготовления электронного генератора и катушки занимает немного времени и осуществляется в такой последовательности:

1. Из медной трубы делается спираль диаметром 4 см. Для изготовления спирали следует медную трубку накрутить на стержень с ровной поверхностью диаметром 4 см. Спираль должна иметь 7 витков, которые не должны соприкасаться. На 2 конца трубки припаиваются крепёжные кольца для подключения к радиаторам транзистора.
2. Печатная плата изготавливается по схеме. Если есть возможность поставить полипропиленовые конденсаторы, то благодаря тому, что такие элементы обладают минимальными потерями и устойчивой работой при больших амплитудах колебания напряжений, устройство будет работать намного стабильнее. Конденсаторы в схеме устанавливаются параллельно образуя с медной катушкой колебательный контур.
3. Нагрев металла происходит внутри катушки, после того как схема будет подключена к блоку питания или аккумулятору. При нагреве металла необходимо следить за тем, чтобы не было короткого замыкания обмоток пружины. Если коснуться нагреваемым металлом 2 витка катушки одновременно, то транзисторы выходят из строя моментально.

Нюансы

1. При проведении опытов по нагреву и закалке металлов , внутри индукционной спирали температура может быть значительна и составляет 100 градусов Цельсия. Этот теплонагревательный эффект можно использовать для нагрева воды для бытовых нужд или для отопления дома.
2. Схема нагревателя рассмотренного выше (рисунок 3) , при максимальной нагрузке способна обеспечить излучение магнитной энергии внутри катушки равное 500 Вт. Такой мощности недостаточно для нагрева большого объёма воды, а сооружение индукционной катушки высокой мощности потребует изготовление схемы, в которой необходимо будет использовать очень дорогие радиоэлементы.
3. Бюджетным решением организации индукционного нагрева жидкости , является использование нескольких устройств описанных выше, расположенных последовательно. При этом, спирали должны находиться на одной линии и не иметь общего металлического проводника.
4. В качестве используется труба из нержавеющей стали диаметром 20 мм. На трубу «нанизываются» несколько индукционных спиралей, таким образом, чтобы теплообменник оказался в середине спирали и не соприкасался с её витками. При одновременном включении 4 таких устройств, мощность нагрева будет составлять порядка 2 Квт, что уже достаточно для проточного нагрева жидкости при небольшой циркуляции воды, до значений позволяющих использовать данную конструкцию в снабжении тёплой водой небольшого дома.
5. Если соединить такой нагревательный элемент с хорошо изолированным баком , который будет расположен выше нагревателя, то в результате получится бойлерная система, в которой нагрев жидкости будет осуществляться внутри нержавеющей трубы, нагретая вода будет подниматься вверх, а её место будет занимать более холодная жидкость.
6. Если площадь дома значительна , то количество индукционных спиралей может быть увеличено до 10 штук.
7. Мощность такого котла можно легко регулировать путём отключения или включения спиралей. Чем больше одновременно включённых секций, тем больше будет мощность работающего таким образом отопительного устройства.
8. Для питания такого модуля понадобится мощный блок питания. Если есть в наличии инверторный сварочный аппарат постоянного тока, то из него можно изготовить преобразователь напряжения необходимой мощности.
9. Благодаря тому, что система работает на постоянном электрическом токе , который не превышает 40 В, эксплуатация такого устройства относительно безопасна, главное обеспечить в схеме питания генератора блок предохранителей, которые в случае короткого замыкания обесточат систему, там самым исключив возможность возникновения пожара.
10. Можно таким образом организовать “бесплатное” отопление дома , при условии установки для питания индукционных устройств аккумуляторных батарей, зарядка которых будет осуществляться за счёт энергии солнца и ветра.
11. Аккумуляторы следует объединить в секции по 2 шт., подключённые последовательно. В результате, напряжение питания при таком подключении будет не менее 24 В., что обеспечит работу котла на высокой мощности. Кроме этого, последовательное подключение позволит снизить силу тока в цепи и увеличить срок эксплуатации аккумуляторов.

1. Эксплуатация самодельных устройств индукционного нагрева , не всегда позволяет исключить распространение вредного для человека электромагнитного излучения, поэтому индукционный котёл следует устанавливать в нежилом помещении и экранировать оцинкованной сталью.
2. Обязательно при работе с электричеством следует соблюдать правила техники безопасност и, особенно это касается сетей переменного тока напряжением 220 В.
3. В качестве эксперимента можно изготовить варочную поверхность для приготовления пищи по схеме указанной в статье, но эксплуатировать данный прибор постоянно не рекомендуется по причине несовершенства самостоятельного изготовления экранирования данного устройства, из-за этого возможно воздействие на организм человека вредного электромагнитного излучения, способного негативно сказаться на здоровье.