Как сделать индукционный нагреватель своими руками из сварочного инвертора. Индукционный нагреватель — что это и как собрать прибор самостоятельно

И устройствах тепло в нагреваемом приборе выделяется токами, возникающими в переменном электромагнитном поле внутри агрегата. Называются они индукционными. В результате их действия происходит повышение температуры. Индукционный нагрев металлов основывается на двух главных физических законах:

Фарадея-Максвелла;
Джоуля-Ленца.

В металлических телах при их помещении в переменное поле начинают возникать вихревые электрические поля.

Устройство индукционного нагрева

Все происходит следующим образом. Под действием переменного изменяется электродвижущая сила (ЭДС) индукции.

ЭДС действует так, что внутри тел протекают вихревые токи, которые и выделяют теплоту в полном соответствии с законом Джоуля-Ленца. Также ЭДС генерирует переменный ток в металле. При этом происходит выделение тепловой энергии, что и приводит к повышению температуры металла.

Этот вид нагрева самый простой, так как является бесконтактным. Он позволяет достигать очень высоких температур, при которых можно обрабатывать

Чтобы обеспечить индукционный нагрев, требуется создать в электромагнитных полях определенное напряжение и частоту. Сделать это можно в специальном приборе - индукторе. Питание его производится от промышленной сети в 50 Гц. Можно для этого использовать индивидуальные источники питания - преобразователи и генераторы.

Самое простое устройство индуктора небольшой частоты - спираль (проводник изолированный), который может быть помещен внутрь металлической трубы или намотан на нее. Проходящие токи нагревают трубу, которая, в свою очередь, передает тепло в окружающую среду.

Применение индукционного нагрева на малых частотах - достаточно редко. Более распространена обработка металлов на средней и высокой частоте.

Такие устройства отличаются тем, что магнитная волна попадает на поверхность, где происходит ее затухание. Тело преобразует энергию этой волны в тепло. Для достижения максимального эффекта обе составляющие должны быть близки по форме.

Где используются

Применение индукционного нагрева в современном мире широко распространено. Область использования:

плавка металлов, их пайка бесконтактным способом;
получение новые сплавов металлов;
машиностроение;
ювелирное дело;
изготовление небольших деталей, которые могут быть повреждены при применении других методов;
(причем детали могут быть самой сложной конфигурации);
термообработка (обработка деталей для машин, закаленных поверхностей);
медицина (дезинфекция приборов и инструментов).

Индукционный нагрев: положительные характеристики

У такого способа немало преимуществ:

С его помощью можно быстро нагреть и расплавить любой проводящий ток материал.
Позволяет производить нагрев в любой среде: в вакууме, атмосфере, жидкости, не проводящей ток.
За счет того что нагревается только проводящий материал, стенки, слабо поглощающие волны, остаются холодными.
В специализированных областях металлургии получение сверхчистых сплавов. Это занимательный процесс, ведь металлы перемешиваются в подвешенном состоянии, в оболочке из защитного газа.

В сравнении с другими типами, индукционный не загрязняет окружающую среду. Если в случае с газовыми горелками загрязнение присутствует, так же как и в дуговом нагреве, то индукционный это исключает, за счет "чистого" электромагнитного излучения.
Малые размеры прибора индуктора.
Возможность изготовления индуктора любой формы, это не приведет к локальному нагреву, а будет способствовать равномерному распределению тепла.
Незаменим, если необходимо нагреть только определенный участок поверхности.
Не составляет большого труда настроить такое оборудование на нужный режим и регулировать его.

Недостатки

Система имеет такие минусы:

Самостоятельно установить и наладить тип нагрева (индукционный) и его оборудование довольно непросто. Лучше обратиться к специалистам.
Необходимость точно сопоставить индуктор и заготовку, иначе недостаточным будет индукционный нагрев, мощность его может достигать малых величин.

Отопление индукционным оборудованием

Для обустройства индивидуального отопления можно рассмотреть такой вариант, как индукционный нагрев.

В качестве агрегата пойдет трансформатор, состоящий из обмоток двух видов: первичной и вторичной (которая, в свою очередь, коротко замкнута).

Как работает

Принцип работы обычного индуктора: вихревые потоки проходят внутри и направляют электрическое поле на второй корпус.

Чтобы через такой котел проходила вода, к нему подводят два патрубка: для холодной, что поступает, и на выходе теплой воды - второй патрубок. За счет давления вода постоянно циркулирует, что исключает возможность нагрева элемента индуктора. Наличие накипи здесь исключено, так как в индукторе происходят постоянные вибрации.

Такой элемент в обслуживании будет недорогим. Главный плюс в том, что прибор работает бесшумно. Устанавливать его можно в любом помещении.

Изготовление оборудования самостоятельно

Установка индукционного нагрева большой сложности не составит. Даже тот, кто не имеет опыта, после тщательного изучения справится с поставленной задачей. Перед началом работы нужно запастись следующими необходимыми элементами:

Инвертор. Его можно использовать от сварочного аппарата, он недорогой и будет необходимой высокой частоты. Изготовить его можно самостоятельно. Но это затратное занятие по времени.
Корпус нагревателя (для этого подойдет кусок пластиковой трубы, индукционный нагрев трубы в этом случае будет самым эффективным).
Материал (сгодится проволока диаметром не более семи миллиметров).
Приспособления для подключения индуктора к сети отопления.
Сетка для удержания проволоки внутри индуктора.
Индукционною катушку можно создать из (она должна быть эмалированной).
Насос (для того, чтобы вода подавалась в индуктор).

Правила изготовления оборудования самостоятельно

Для того чтобы установка индукционного нагрева работала правильно, ток для такого изделия должен соответствовать мощности (составлять он должен не меньше 15 ампер, если требуется, то можно больше).

Проволока должна быть нарезана на куски не более пяти сантиметров. Это нужно для эффективного нагрева в высокочастотном поле.
Корпус должен быть по диаметру не меньше, чем подготовленная проволока, и обладать толстыми стенками.
Для крепления к сети отопления на одну сторону конструкции крепится специальный переходник.
На дно трубы нужно положить сетку для предотвращения выпадения проволоки.
Последняя нужна в таком количестве, чтобы она заполнила все внутреннее пространство.
Конструкция закрывается, ставится переходник.
Затем сооружают из этой трубы катушку. Для этого обматывают ее уже заготовленной проволокой. Число витков нужно соблюсти: минимум 80, максимум 90.
После подключения к системе отопления в аппарат заливают воду. Катушку подключают к заготовленному инвертору.
Устанавливается насос для подачи воды.
Монтируется регулятор температуры.

Таким образом, расчет индукционного нагрева будет зависеть от следующих параметров: длина, диаметр, температура и время обработки. Обращайте внимание и на индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше показателей самого индуктора.

Про варочные поверхности

Еще одно применение в домашнем обиходе, кроме системы отопления, данный вид нагрева нашел в варочных панелях плит.

Такая поверхность имеет вид обычного трансформатора. Катушка его спрятана под поверхность панели, которая может быть стеклянной или керамической. По ней проходит ток. Это первая часть катушки. А вот второй является та посуда, в которой будет проходить приготовление пищи. На дне посуды создаются вихревые токи. Они и нагревают сначала посуду, а затем продукты в ней.

Тепло будет выделяться только тогда, когда на поверхность панели поставят посуду.

Если она отсутствует, никакого действия не происходит. Индукционная зона нагрева будет соответствовать диаметру поставленной на нее посуды.

Для таких плит нужна специальная посуда. Большинство ферромагнитных металлов могут взамодействовать с индукционным полем: алюминий, нержавеющая и эмалированная сталь, чугун. Не подходят для таких поверхностей только: медная, керамическая, стеклянная и изготовленная из неферромагнитных металлов посуда.

Естественно, что включится только тогда, когда подходящая посуда будет на ней установлена.

Современные плиты снабжены электронным блоком управления, что позволяет распознавать пустую и непригодную для применения посуду. Основными преимуществами варочных являются: безопасность, легкость уборки, быстрота, эффективность, экономичность. Об поверхность панели никогда нельзя обжечься.

Итак, мы выяснили, где используется данный тип нагрева (индукционный).

Индукционный нагрев – это процесс, который используется для закалки, сварки или плавления металлов или других проводящих материалов. В современных произодственных процессах индукционный нагрев предлагает привлекательное сочетание скорости, постоянства результатов, контроля и энергетической эффективности.

Основные принципы индукционного нагрева применяются в производстве с 20-х годов. Во время Второй мировой войны технология быстро развилась, отвечая срочным требованиям, возникшим в связи с войной: создать надежные и быстрые процессы, позволяющие сделать более прочными металлические детали двигателя.

В последние годы нацеленность на поиск эффективных технологий в производстве («Бережливое производство») и на повышенный контроль качества привела к возрождению технологии индукции параллельно с развитием системы точного контроля мощности для индукции в твердых телах.

Как работает индукционный нагрев?

Когда переменный ток воздействует на первичную обмотку трансформатора, создается электромагнитное поле. Согласно закону Фарадея, если вторичная обмотка трансформатора помещается внутрь магнитного поля, возникает электрический ток.

В стандартной конфигурации индукционного нагрева источник питания генерирует переменный ток, проходящий через индуктор (обычно медная катушка), а нагреваемая деталь помещается внутрь индуктора. Индуктор действует как первичный контур трансформатора, а деталь – как вторичный. Когда через металлическую деталь проходит магнитное поле, в ней индуцируются токи Фуко.

Как показано на рисунке выше, токи Фуко направлены против электрического сопротивления металла, создавая локализованную теплоту без прямого контакта между деталью и индуктором. Данный нагрев происходит в магнитных и немагнитных деталях и известен как «Эффект Джоуля», относящийся к первому закону Джоуля (научная формула, выражающая соотношение между произведенной теплотой и электрическим током, проходящим через проводник).

Преимущества индукционного нагрева

Какие преимущества имеет индукционный нагрев в сравнении с другими методами, такими как конвекция, радиация или пламя?

Ниже приводятся основные преимущества индукционного нагрева в производстве:

Максимальная производительность

Уровень производительность может вырасти, поскольку индукция является очень быстрым процессом: теплота возникает мгновенно прямо в детали (например, в некоторых случаях более 1000ºC менее чем за секунду). Нагрев происходит практически мгновенно, без необходимости предварительного нагрева и охлаждения. Процесс индукционного нагрева проводится на производстве, в непосредственной близости от машины горячей или холодной штамповки, вместо того чтобы отправлять партии деталей в отдельно стоящую.

Энергетическая эффективность

С энергетической точки зрения данный процесс является единственным по-настоящему эффективным. Он превращает потребленную энергию в полезную теплоту до 90%; в печах обычно достигается лишь 45%. К тому же, поскольку нет необходимости производить предварительный нагрев и охлаждение в рабочие циклы, потери теплоты в режиме ожидания сводятся к минимуму.

Контроль и автоматизация процесса

Индукционный нагрев устраняет недостатки и проблемы с качеством продукции, газовой горелкой или другими методами. После калибровки и запуска системы отклонений не возникнет: параметры нагрева стабильны и надежны.

При помощи высокочастотных преобразователей GH достигается температура с высокой точностью, что обеспечивает равномерный результат; преобразователь можно включать и выключать мгновенно. Благодаря закрытому контуру регулирования температуры передовые системы индукционного нагрева способны измерять температуру каждой детали индивидуально. Скорость роста, поддержания и снижения температуры может устанавливаться отдельно для каждого конкретного случая, а данные по каждой обрабатываемой детали заносятся в память.

Качество продукта

При индукционном нагреве обрабатываемая деталь никогда не вступает в прямой контакт с пламенем или с другим нагревающим элементом; теплота возникает прямо внутри детали под действием переменного тока. В результате, деформации, искажения и брак продукта сводится к минимуму. Для достижения максимального качества продукта деталь можно изолировать в закрытой камере с контролируемой атмосферой – в вакууме, инертной или разреженной атмосфере – для устранения окисления.

«Зеленая» энергия

Системы индукционного нагрева не сгорают, как традиционные ископаемые горючие. Индукция – это чистый незагрязняющий процесс, помогающий защитить окружающую среду. Система индукции помогает улучшить условия труда работников, поскольку не производит дыма, чрезмерной жары, токсичных выбросов и шума. Нагрев безопасен, поскольку не создает опасности для оператора, и, так как не применяется открытый огонь, не задымляет процесс. На непроводящие материалы не оказывается никакого воздействия, поэтому они могут располагаться в непосредственной близости от зоны нагрева. Использование решений, предлагаемых Группой GH, позволяет улучшить эксплуатацию и обслуживание индукционной системы, поскольку они сводят к минимуму приостановки производства, уменьшают потребление энергии и увеличивают контроль качества деталей.

Индукционный нагреватель состоит из мощного источника высокой частоты и колебательного контура, включающего в себя индуктор (рис. 1). В переменное магнитное поле индуктора помещается нагреваемая заготовка. В зависимости от материала заготовки, её объёма и глубины нагрева, применяется широкий диапазон рабочих частот, от 50 Гц до десятков МГц. При низких частотах порядка 100-10000 Гц в промышленности могут применяются электромашинные преобразователи и тиристорные инверторы. При частотах порятка МГц могут применяться электронные лампы. На средних частотах порядка 10-300 кГц целесообразно применять транзисторы IGBT/MOSFET.

Рисунок 1. Общая схема

Физика

Согласно закону электромагнитной индукции, если проводник находится в изменяющемся (переменном) магнитном поле, то в нём индуцируется (наводится) электродвижущая сила (ЭДС), направление которой перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, пересекающего проводник. При этом амплитуда ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, в котором находится проводник.
Говоря простым языком, если заготовку из проводящего материала рассматривать как бесконечное множество короткозамкнутых контуров, то при помещении её в индуктор, под действием переменного магнитного поля в этих контурах будут индуцироваться токи (т.н. вихревые или токи Фуко). В свою очередь эти токи, согласно закону Джоуля-Ленца, вызовут нагрев заготовки, так как её материал обладает электрическим сопротивлением.

Рисунок 2. Принцип работы

Как при прохождении по металлическим проводникам переменного тока, так и при нагреве токами высокой частоты металлов, наблюдается поверхностный эффект (скин-эффект). Связано это с тем, что вихревые токи в толще проводника вытесняют основной ток на поверхность. Индукционный нагрев металла интенсивнее у поверхности, чем в центре. Глубина скин-слоя зависит от удельного сопротивления материала, его магнитной проницаемости и обратно пропорциональна частоте поля. Поэтому, в зависимости от частоты, данный метод нагрева может применяться как для плавки металла, так и для поверхностной закалки.

Согласование

Для инвертора, являющегося источником напряжения прямоугольной формы, LC-контур является нагрузкой с низким импедансом. Для согласования применяются высокочастотные трансформаторы или дроссели.
Согласующий дроссель, включенный в разрыв провода между инвертором и контуром, вместе с резонансным конденсатором образует LC-фильтр. Таким образом, отбирая небольшую часть емкости резонансного конденсатора, дроссель в малой степени влияет на частотную характеристику контура. Обычно такой дроссель выполняется на ферритовом сердечнике с воздушным зазором, изменяя величину которого, можно регулировать подводимую к индуктору мощность.
Высокочастотный трансформатор может работать как на параллельный контур, так и последовательный. В первом случае трансформатор сильно повлияет на резонансную частоту контура. Во втором случае последовательный контур в резонансном режиме будет потреблять максимум мощности с пустым индуктором (без нагрузки), т.к. при резонансе напряжений реактивное сопротивление LC-цепи стремится к нулю, а активное в таких цепях - как правило, очень мало. Конструктивно согласующий трансформатор выполняется на ферритовом кольце (либо набирается из нескольких) и надевается на провод индуктора.
Если импедансы не согласованы, то сильно падает КПД такого нагревателя и повышается риск выхода из строя питающего источника. При правильной настройке генератора, его частота должна совпадать с резонансной частотой выходного контура, либо может быть немного выше резонансной. В этом случае ключи питающего преобразователя работают в наиболее благоприятном режиме. Не желательно допускать ситуации, когда частота переключений инвертора будет ниже резонансной, т.е. сопротивление будет иметь емкостной характер.
С изменением массы или материала нагреваемого тела резонансная частота колебательного контура меняется. Для подстройки применяются различные методы: переключение емкости конденсаторной батареи, автоматическая подстройка частоты, ручная регулировка частоты, автогенераторы.
При достижении определенной температуры материала (точка Кюри) материал теряет магнитные свойства, в следствие чего резонансная частота контура резко меняется, а также увеличивается толщина скин-слоя.

Выбирая элементы контура следует учитывать, что при резонансе в контуре достигаются токи и напряжения большой амплитуды, которые могут превышать питающие в десятки раз. Индуктор следует изготавливать из медного провода или трубки достаточного сечения. Даже при небольшой мощности (порядка 200-500 Вт) индуктор начинает сильно нагреваться под действием собственного поля. Работать такой индуктор будет, но сильно перегреется за короткое время.
Для отвода тепла обычно применяется водное охлаждение, тогда индуктор делается из медной трубки.
В качестве контурных конденсаторов следует выбирать высоковольтные конденсаторы с достаточной реактивной мощностью, с низвикми диэлектрическими потерями, присоединять шинами/проводами c наименьшей длиной и индуктивностью, вблизи индуктора. Существуют специальные конденсаторы для работы в таких установках, но при относительно малой мощности (единицы кВт) успешно приметяются батареи полипропилленовых конденсаторов.

Под индукционным, или высокочастотным нагревом понимают нагрев при бесконтактной передаче электроэнергии в заготовку электромагнитным полем, возникающим вокруг проводника, по которому течет переменный ток.

Применение индукционного нагрева пластической и термической обработки высоколегированных сортов стали и цветных металлов целесообразно при массовом производстве. Эффективность метода определяется высокой скоростью нагрева, в результате чего практически полностью исключается окисление металла, позволяет сохранить в стали мелкое зерно, обеспечивающее высокую пластичность заготовки, что снижает расход энергии на обработку ее давлением и увеличивает срок службы кузнечно-прессового оборудования. Непосредственно сами индукционные установки занимают в цехе мало места и легко встраиваются в поточные линии.

Способ имеет и недостатки, заключающиеся в повышенном расходе электроэнергии и высокой стоимости оборудования.

Теорию, индукционного нагрева и первые промышленные установки создал В. П. Вологдин.

Основная часть любой индукционной установки - индуктор - проводник электрического тока, которому может быть придана любая форма. Обычно его изготовляют из прямоугольных медных трубок в виде цилиндрической спирали. Индуктор может быть одно- и многовитковым. На рис. 6.5 представлен (по В. Н. Богданову и С. Е. Рыскину) индуктор для нагрева цилиндрических заготовок. Нагреваемые изделия 3 располагаются внутри спирали 1, изготовленной из медных трубок. Она имеет тепловую защиту 2 из шамотных трубок. Нагреваемые заготовки перемещаются внутри индуктора по водоохлаждаемым направляющим 4. Снаружи спираль удерживается деревянными брусками 5, зажатыми между асбоцементными плитами 6. Спираль охлаждается водой, протекающей внутри нее.

Рис. 6.5. Индуктор для нагрева целиндрических заготовок

При прохождении переменного тока через трубки внутри спирали возникает переменное электромагнитное поле. В заготовке, помещенной в индуктор, наводятся (индуктируются) переменные токи (токи Фуко), имеющие одинаковую частоту с частотой тока в спирали. Эти токи нагревают заготовку. В ней электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Переменный ток в сечении проводника распределяется неравномерно, поэтому в проводе индуктора и заготовке максимальная плотность тока будет на поверхности. В глубь проводника плотность тока уменьшается по экспоненте. Условно принято считать, что ток распространяется в пределах определенной толщины, которую называют глубиной проникания тока , где выделяется 90 % тепла. Значение зависит от частоты тока, магнитной проницаемости и удельной электропроводимости материала.

Все металлы и сплавы по магнитным свойствам подразделяют на две группы: ферромагнитные и парамагнитные. Ферромагнитные материалы (углеродистые стали, железо, никель и кобальт) обладают высокой магнитной проницаемостью. Парамагнитные материалы (жаропрочные и нержавеющие стали, латунь, мельхиор, и др.) имеют магнитную проницаемость, близкую к магнитной проницаемости вакуума.

При достижении нагреваемым материалом температуры, соответствующей точке магнитного превращения (критической точке или точке Кюри), значение магнитной проницаемости ферромагнитных материалов уменьшается в 100-200 раз и снижается до величины магнитной проницаемости вакуума, что сопровождается увеличением глубины проникания тока . Критической точке того или иного материала отвечает вполне определенная температура тела. Для стали она равна 768 °С. Поэтому различают две глубины проникания тока: до точки Кюри и после нее («горячую» глубину проникания тока), м. Для меди, нагретой до 60 °С, . Для стали при температурах 1100 - 1200 °С .

Подводимая к индуктору электрическая энергия частично передается в нагреваемые заготовки, а меньшая часть расходуется на нагрев провода индуктора. Отношение количества энергии, передаваемой в заготовку, ко всему количеству энергии, подводимой к индуктору, называют электрическим КПД индуктора . Его значение зависит главным образом от отношения диаметра заготовки к глубине проникания тока , т. е. определяется частотой тока. Электрический КПД растет с увеличением частоты и достигает предельного значения при .

Рис.6.6. Зависимость электрического(/), термического (2) и полного (3) КПД"

индуктора от соотношения диаметра заготовки и глубины проникания в нагретую сталь

Отношение количества энергии, затраченной на нагрев заготовок, к количеству энергии, переданной ей индуктором, называют термическим или тепловым КПД г\ т. Он зависит не только от температуры и продолжительности нагрева, но и от размеров теплоотдающей поверхности. С увеличением величина снижается. Полный КПД индуктора

Характер изменения всех трех коэффициентов приведен на рис. 6.6. Полный КПД индуктора зависит от частоты тока. Ниже приведены рекомендуемые частоты для нагрева стальных заготовок различного диаметра.

f, Гц 50 500 1000 2500 8000 Более 1000

Мм 150 70-160 50-120 30-80 15-40 20

Видно, что цилиндрические заготовки одного и того же диаметра, возможно, нагревать током двух или трех смежных частот. Заготовки диаметром более 50-60 мм до точки Кюри целесообразно нагревать током промышленной частоты, а выше этой точки током повышенной частоты. Нагрев токами двух частот позволяет получать достаточно высокие значения электрического КПД.

Известно два режима нагрева на этих установках: при постоянной температуре на поверхности (методический) и обычный.

Рис. 6.7. Схема индукционной установки с машинным генератором:

1 - магнитный пускатель;

2- автотрансформатор;

3 - двигатель;

4 - выпрямитель;

5 - реостат;

6 - генератор повышенной частоты;

7 - автотрансформатор;

8 - трансформатор;

9 - конденсатор;

10 - индуктор

Для реализации первого режима в начале нагрева к заготовке подводят повышенную мощность, и когда металл будет прогрет до заданной температуры на всю глубину проникания тока, мощность снижают до значения, достаточного для сохранения температуры поверхности постоянной. Плотность теплового потока и, следовательно, мощность на поверхности заготовки пропорциональны квадрату числа ампер-витков, отнесенных к единице длины индуктора. Поэтому при методическом способе нагрева число витков индуктора изменяют по длине. В «холодном» конце индуктора, куда подают заготовки, шаг спирали индуктора минимальный, а в «горячем» - максимальный. Сила тока в индукторе и темп проталкивания заготовки в этом режиме остаются неизменными. Мощность, подводимая к неподвижным заготовкам в обычном режиме нагрева, регулируется изменением силы тока в индукторе путем изменения напряжения с помощью трансформатора. Продолжительность нагрева заготовок зависит от подводимой мощности и частоты тока. Она вычисляется с использованием законов нестационарной теплопроводности или принимается по опытным данным. Ниже приведены данные о продолжительности нагрева стальных заготовок различных диаметров под обработку металлов давлением током частотой 1000 и 2500 Гц, обозначенные соответственно и :

Мм 60 90 120

С 60/45 180/115 450/215

С 100/50 300/130 540/240

Цифры в числителе соответствуют обычному нагреву, а в знаменателе - ускоренному, при постоянной температуре поверхности.

В качестве источников тока повышенной частоты для питания индукционных установок используют электромашинные генераторы и статические преобразователи частоты.

Электромашинные преобразователи состоят из индукторного генератора повышенной частоты, ротор которого приводится во вращение трехфазным двигателем. Генераторы выпускают на частоту 800, 1000, 2500, 8000, 10000 Гц и мощностью до 2500 кВт. Они позволяют осуществить групповое питание нескольких установок. Их обычно устанавливают в специальных помещениях. Это самая дорогостоящая часть индукционной установки.

Ламповые генераторы преобразуют ток промышленной частоты в высокочастотный (от 60 кГц до нескольких мегагерц). Преобразование тока в генераторе проводят дважды: сначала ток промышленной частоты выпрямляют, а затем постоянный ток преобразуют в переменный высокой частоты. Простейшие преобразователи состоят из выпрямителя с анодным трансформатором, генераторной лампы (триода) и колебательного контура. Мощности таких генераторов измеряются десятками киловатт. Их обычно используют для закалки стальных изделий.

К статическим преобразователям частоты относят тиристорные и ионные преобразователи, позволяющие получать ток с частотой до 10 кГц.

В тиристорных преобразователях частоты совмещаются два процесса: выпрямление и инвертирование (преобразование постоянного тока в ток повышенной частоты). Чаще всего выпрямление и инвертирование осуществляют разные группы тиристоров.

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».