Как сделать индукционную печь из сварочного инвертора: Индукционная печь из сварочного инвертора своими руками

Индукционная печь из сварочного инвертора своими руками

Идея изготовления приборов отопления из готовых элементов и блоков промышленного производства далеко не нова и имеет довольно большое число поклонников. Одним из таких экспериментов, дающий возможность своими руками изготовить индукционную печь из сварочного инвертора можно назвать эталонным по качеству и результативности успеха. При помощи простых устройств в домашних условиях используя сварочный аппарат как источник питания можно собрать не только индукционную печь, но и котел отопления.

Принцип работы индукционного нагрева и устройство индукционных печей

Индукционная печь из сварочного аппарата по своему устройству очень схожа с бытовыми индукционными печами, да и принципы, на которых основывается работа этих устройств, во многом схожи. В основе работы устройства положен принцип электромагнитной индукции. В силовое поле, образуемое вокруг проводника, по которому течет электрический ток, помещается металлический сердечник. В результате действий электрического тока образуется электромагнитное поле, которое воздействует на кристаллическую решетку сердечника. Под действием поля возникают вихревые токи, которые и создают нагрев сердечника до температуры плавления.

Преимущества такой индукционной печи заключается:

• в скоротечном равномерном нагреве металла помещенного в спираль катушки;
• в специфической направленности нагрева – греется только металл, помещенный в установку, а не все оборудование;
• при плавке получается однородный металл без вкрапления примесей и добавок;
• нагрев происходит настолько быстро, что специальные добавки не успевают испаряться. К слову это очень важно при работе с ценными металлами, например, при плавке золота или золотосодержащих сплавов.

Однако, конструкция не может обойтись без источника питания, способного выдавать ток нужных параметров и к тому же снабженного устройствами защиты от перегрева и короткого замыкания. Так что для изготовления печи используется сварочный аппарат как источник питания и изготовленный своими руками индуктор из медной трубки.

Индукционная печь на транзисторах – схема изготовления и подключения

На сегодняшний день существует несколько популярных схем изготовления индукционной печи на полевых транзисторах. Эти схемы во многом схожи со схемами бытовых сварочных инверторов, в них также используются полевые транзисторы и пленочные конденсаторы, а в качестве системы охлаждения медные или латунные радиаторы или кулер для обдува воздухом. Так что для тех кто не ищет легких путей и готов поработать паяльником схема сборки источника питания для индуктора выглядит следующим образом:

• в схеме участвуют два полевых транзистора IRFZ44V;
• два диода UF4007 или UF4001;
• резистор 470 Ом, 1 вт;
• конденсаторы разной мощности – 1 мкФ – 3 шт, 220 нФ – 4 шт, 470 нФ – 1 шт, 330 нФ – 1 шт;
• эмалевый медный провод 1,2 мм – для обмотки ферритовых колец и такие же провода диаметром 2 мм.
• В качестве дроссельных колец можно использовать ферритовые кольца от старых приемников или блоков питания компьютеров.
• В качестве радиаторов используются латунные или медные пластины большой площади и большим количеством оребрения;
• В качестве прокладочных шайб используются резиновые кольца и шайбы из тонкого текстолита или гетинакса.

Первым этапом работы выступает изготовление дросселя – на кольцо из феррита наматывается проволока диаметром 1,2 мм. Оптимальным считается намотка 7-15 витков проволоки с одинаковым расстоянием между витками.

Следующим шагом выступает сборка батареи конденсаторов – при параллельном соединении батарея должна иметь мощность 4,7 мкФ.

Сам индуктор изготавливается из медной проводи диаметром 2 мм и имеет 7-8 полных витков с концами, имеющими длину ½ витка обмотки.

После соединения всех элементов в качестве источника питания используется аккумулятор напряжением 12 вольт и емкостью 7,2а/ч. При включении схемы емкости аккумулятора должно хватить на 30-40 минут работы и при этом он будет выдавать ток силой примерно 10А.

Такое устройство можно собрать самостоятельно, правда при этом, нет гарантии, что оно выдержит непрерывный режим работы, поскольку оно лишено устройства автоматического отключения при перегреве. Именно поэтому индукционная печь из сварочного инвертора намного практичнее и проще, как в изготовлении, так и в обслуживании.

Индукционная печь из сварочного инвертора – приспособление для плавки металла и для нагрева теплоносителя в системе отопления

Идея использования такой индукционной установки в качестве плавильной печи металла во многом позволяет применить ее и в качестве котла отопления для небольшого помещения.

Преимуществом такого применения является:

• В отличие от плавки металла при наличии постоянно циркулирующего теплоносителя система не подвергается перегреву;
• Постоянная вибрация в электромагнитном поле не позволяет оседать на стенках нагревательной камеры отложениям, сужающим просвет;
• Принципиально схема без резьбовых соединений с прокладками и муфтами исключает возможность протечек;
• Установка практически бесшумна в отличие от других типов отопительных котлов;
• Сама установка без традиционных ТЭН-ов, имеет больший ресурс работы и высокую надежность;
• Нет выбросов продуктов сгорания, риск отравления продуктами горения топлива сведен к нулю.

Практическая составляющая процесса создания оборудования для обогрева помещения при помощи индукционной печи из инверторного сварочного аппарата состоит из следующих шагов.

• Для изготовления корпуса подбирается пластиковая труба с толстыми стенками и предназначенную, для использования в трубопроводах с высокой температурой и под высоким давлением;
• Для того чтобы металлический наполнитель постоянно находится в полости нагревателя изготавливаются две крышки с сеткой, чтобы через нее не вываливался наполнитель.
• В качестве наполнителя подбирается стальная проволока диаметром 5-8 мм, и режется кусочками длиной 50-70 мм.
• Отрезками проволоки заполняется корпус трубы и подсоединяется к системе.

Принцип работы этого устройства состоит в следующем:

• Индуктор из медной проволоки диаметром 2-3 мм с 90 – 110 витками устанавливается снаружи корпуса из пластиковой трубы;
• Корпус заполняется теплоносителем;
• При включении инвертора ток поступает на индуктор;
• В спирали индуктора образуются вихревые потоки, которые начинают воздействовать на кристаллическую решетку металла внутри корпуса;
• Отрезки металлической проволоки начинают нагреваться и нагревать теплоноситель;
• Поток теплоносителя после нагревания начинает движение, нагретый теплоноситель замещается холодным.

Такая принципиальная схема системы отопления на индукционном нагревательном элементе в практическом исполнении имеет один существенный недостаток – теплоноситель должен постоянно проталкиваться напором. Для этого в систему должен быть обязательно включен циркуляционный насос. Кроме того, рекомендуется установить и дополнительно датчик температуры это позволит контролировать теплоноситель и защитить котел от перегрева.

Индукционная печь для плавки металла своими руками

Такое практичное оборудование как индукционная печь, используется не только в промышленности, опытные мастера устанавливают приспособление в бытовых помещениях. Сделать подобную конструкцию можно собственными руками, именно поэтому агрегат пользуется большой популярностью.

Прежде чем приступать к реализации задуманного, стоит подробно разобраться в принципе работы, конструктивных особенностях и комплектации. Я затрону несколько типов аппаратов, на лампах, транзисторах, сварочном инверторе, подробно распишу схему охлаждения и приведу несколько полезных советов от экспертов в этом вопросе.

СодержаниеПоказать

Что такое индукционный нагрев и его преимущества

Метод бесконтактного разогрева металла с помощью тока, проходящего через электропроводящие материалы, называют индукционным нагревом.

В процессе используются высокие частоты и большие величины, но чтобы разобраться со всеми мелкими подробностями, необходимо рассматривать функциональность оборудования последовательно. Из преимуществ нужно выделить следующее:

1. Качество конечного продукта.
2. Возможность контроля за счет автоматизации.
3. Процесс энергетически эффективен.
4. КПД индукционного аппарата остается на высоком уровне.

Такой способ плавления стал известен человечеству еще 200 лет назад, дойдя до нашего времени, он усовершенствовался и был тщательно продуман экспертами. Поэтому закупая оборудование, или самостоятельно собирая печь, можно смело рассчитывать на хорошие показатели производительности.

Принцип работы индукционной печи

Нагревание происходит благодаря свойствам вихревых токов, материалы для плавления помещают в специально отведенное место. Создать ток, возможно с помощью индуктора, который достаточно просто устроен. В него входит катушка индуктивности, на которой расположено несколько витков провода, поперечное сечение которого должно в обязательном порядке быть большим.

Подключается агрегат к сети с переменным током, он создает магнитное поле со сменной частотой, благодаря этому фактору, внутреннее пространство индуктора пронизывается. Как только материал попадает в отведенное для процесса место, происходит нагревание тела с дальнейшим расплавлением, за процесс отвечают вихревые токи.

Жидкость, которая находится в системе охлаждения, способна закипать от повышения температур. Индукционные плавильные печи делятся на типы:

1. С наличием магнитопровода.
2. Без магнитопровода.

В первом варианте исполнения индуктор помещен в металл, благодаря чему создается особый эффект, плотность магнитного поля максимально повышается. Нагреть материал получится намного быстрей и качественней. Во втором типе конструкции индуктор располагают снаружи, что лишает возможности воспользоваться дополнительным эффектом.

Виды печей и их устройство

Каждый вариант исполнения имеет свои отличительные свойства, с особенностями работы также следует ознакомиться подробно. Есть виды аппаратов, предназначенных для производства, плавка больших объемов металла, побудила экспертов, внеси некоторые изменения в строение конструкции.

Бытовые агрегаты также обладают отличительными признаками, которые необходимо рассматривать. Я затрону самые распространенные и востребованные образцы, чтобы тщательно разобрать их принцип работы и устройство.

Индукционная печь для плавки алюминия на транзисторах

Полевые транзисторы в таком типе приспособления располагают на радиаторы, этот элемент должен быть соответствующих размеров, ведь в процессе работы схема способна нагреваться до больших температур. На некоторых образцах можно заметить, что транзисторы изолированы от металла, для этого зачастую используют прокладки из пластика или резины в виде шайб.

В состав мини индукционного изделия входит два дросселя, выглядят они достаточно просто, провод намотан на круглые детали из ферромагнитного железа порошкового типа, эти составляющие можно найти в корпусе старого системного блока.

А также в комплектацию входит обмотка индуктора, эта деталь цилиндрической формы, именно в ее внутреннем пространстве происходит нагрев металла. Корпус изготавливают из термостойких материалов, чтобы избежать возгорания и продлить срок службы приспособлению.

Устройство для плавки металла на сварочном инверторе

Безопасность такого приспособления находится на высоком уровне, а конструкция достаточно простая, обусловлено это защитами от перегрузок, которые встроены внутри сварочного инвертора. Из основного элемента выходит индуктор, его зачастую создают из тонкостенной медной трубки, диаметр которой составляет 8-10 мм.

Расстояние между витками выдерживается в 5-8 мм, их количество редко превышает 12 штук, эти показатели напрямую зависят от характеристик оборудования и размеров.

Конструируя агрегат своими руками из сварочного инвертора, необходимо предусмотреть общее сопротивление, при перегрузке могут возникать отключения, это обусловлено работой защитных приспособлений. При установке используют корпус из текстолита или графита, можно расположить индуктор на термостойкую поверхность.

Но не стоит забывать, что любые предметы, находящиеся в непосредственной близости, могут замыкать вихревые токи, а это приведет к снижению эффективности агрегата для дома. Корпус заземляют, чтобы обеспечить максимальную безопасность работ, а розетка и кабель рассчитываются с учетом потребляемой энергии.

Индукционная печь на лампах

Электронные составляющие делают этот вид прибора более мощным, плавка металла проходит намного быстрее и эффективнее. Для генерации тока высоких частот зачастую используют 4 лучевые лампы, соединяются такие элементы параллельно. Индуктор создается из медной трубки, ее диаметр не должен быть меньше 10 мм, чтобы регулировать мощность в комплектацию входит подстроечный конденсатор.

Каскады ламп собирают по определенной схеме, во внимание берут конденсаторы и дросселя. За сигнал о готовности схемы отвечает неоновая лампа, она расположена на корпусе оборудования, без такого индикатора работать с агрегатом будет неудобно.

Как организована схема охлаждения

Установки больших размеров оснащают принудительными системами для нормализации температурного режима, такие варианты исполнения достаточно часто встречаются на производствах. Для заправки используется вода или антифриз, в зависимости от интенсивности рабочего процесса.

Существуют агрегаты, которые снабжают воздушным охлаждением, но в такой ситуации вентилятор удаляют на достаточное расстояние, только при организации такого условия получится реализовать задуманное. Если неправильно продумать этот момент, то обмотка и составляющие вспомогательного приспособления вызовут замыкание вихревых токов, а эффективность оборудования упадет.

Индукционная печь своими руками

Благодаря пошаговому руководству можно самостоятельно создать достаточно хорошие и продуктивные агрегаты разных размеров. Для работы с мелкими и крупными деталями потребуется предварительно продумать все нюансы, касающиеся будущего корпуса установки и важных составляющих.

Простая схема индукции

Подготовительные моменты также требуют особого внимания, прежде чем приступать к сборке, стоит закупить все составляющие в специализированных магазинах. Если точно придерживаться алгоритма действий, то печь для плавки металла, получится сконструировать своими руками за короткий промежуток времени.

Конструкция из транзисторов

Из инструмента понадобится паяльник и плоскогубцы, место для работы также нужно подготовить заранее, удобство и скорость создания агрегата напрямую зависит от этого фактора. Питание аппарата предполагает подключение к сети в 220 В, не будет лишним использовать выпрямители. Закупить нужно такие составляющие как:

1. Диоды, в количестве 2 шт.(UF4007).
2. Конденсаторы.
3. Два полевых транзистора.
4. Резистор(470 Ом).
5. Дроссельные кольца(2 штуки).
6. Провод с сечением в 2 мм.

Без специальной схемы не обойтись, на ней наглядно можно увидеть все интересующие нюансы, бумаги лучше держать перед собой и в случае необходимости сразу заглянуть туда.

Транзисторы необходимо расположить на радиаторы, параметры которого должны соответствовать возможным повышениям температур, ведь в момент работы агрегата схема будет греться. После чего переходят к изготовлению дросселя, для этого на кольца наматывают медную проволоку, не стоит делать больше 15 витков.

Конденсаторы следует объединить, чтобы получилась батарея, благодаря параллельному соединению элементов можно достичь показателей в 4,7 мкФ.

Индикатор также обматывается проволокой диаметром 2 мм, 8 витков будет достаточно, концы необходимо оставить длинные, благодаря этому дальнейшее подключение не вызовет проблем.

Нельзя забывать о том, что диаметр внутренней обмотки должен совпасть с размерами тигля, который используется для печи. При необходимости изготавливается корпус устройства, материал нужно подбирать с хорошими показателями термоустойчивости.

С графитовыми щетками

Подобная конструкция отлично подойдет для выплавки сплавов из любого металла, прежде чем приступать к работе потребуется приобрести следующий список составляющих:

1. Щетки.
2. Гранит порошкового типа.
3. Трансформатор.
4. Шамотрые кирпичи.
5. Проволоку из стали.
6. Алюминий тонкого образца.

За основу стоит взять бокс, он конструируется из кирпича, который следует положить на плитку огнеупорного типа. Поверх кладут асбестокартонный лист, чтобы придать элементу нужную форму, стоит только смочить поверхность водой. Размеры конструкции напрямую зависят от мощности, которую будет выдавать трансформатор. Если деталь берется из сварочного аппарата старого образца, то ее следует предварительно перемотать.

Чтобы не допустить перегрева, потребуется обмотать корпус тонким алюминием, который возьмет лишнюю температуру на себя. Глиняная подложка достаточно практична, ее укладывают, чтобы расплавленный металл не растекался по поверхности. На последнем этапе устанавливают графитовые щетки, этот элемент при необходимости можно заменить новым.

Печь на лампах

Я всегда советую перед началом конструирования любого устройства сделать подробную разработку будущей модели, составить схему и спроектировать работу. Без минимального опыта в физике и электричестве лучше не браться за изготовление, а изначально найти хорошую и полезную информацию как сделать индукционную печь.

Аппарат предполагает осторожность, ведь такой вид агрегата очень мощный. Лучевые составляющие в количестве 4 штук способны генерировать ток высоких частот, их соединяют параллельно.

Медную проволоку необходимо согнуть так, чтобы получилась спираль, витки не стоит делать слишком близко, 5 мм считается минимальным показателем. Диаметр готового элемента варьируется от 8 до 16 см. Индуктор следует подбирать так, чтобы тигель достаточно легко помещался.

Схема печи на лампах

Созданную схему обрамляют корпусом из графита или текстолита, материал в обязательном порядке не должен проводить ток. Для удобства большинство экземпляров оснащают лампой-индикатором, а благодаря подстроечному конденсатору получится регулировать мощность.

Как безопасно эксплуатировать

Ожог от конструкции и расплавленного металла получить достаточно легко, поэтому работать с самодельной установкой необходимо аккуратно. Схема лампового образца предполагает использование большого напряжения, без хорошего корпуса, при любом прикосновении можно получить удар током.

На одежде не должно быть металлических вставок, ведь электромагнитное поле будет воздействовать на них. Качественная индукционная печь, сконструированная своими руками, может достаточно эффективно нагревать элементы, это будет удобно при лужении или формовке. Эксперты не рекомендуют работать с оборудованием людям, у которых вживлены кардиостимуляторы.

Индукционная печь своими руками: принцип действия, схемы

Индукционная печь, выполненная своими руками, является отличным решением для обогрева различных помещений.

Кроме обогрева индукционная печь может выполнять следующие функции:

• плавление металла;
• очистку драгоценных металлов;
• нагревание изделий из металла, после чего они проходят через процедуру закалки или через иные процессы.

Однако вышеописанные функции обеспечивают промышленные установки, а если нужно выполнять обогрев дома, то обычно устанавливается печь для кухни, причем можно ее приобрести в готовом виде или сделать самостоятельно. Самодельная индукционная печь создается достаточно просто, и на этот процесс не нужно тратить много времени. Однако важно знать не только правила формирования данной конструкции, но и ее другие особенности, чтобы можно было при необходимости своими силами осуществить ремонт или замену каких-либо основных частей.

Принцип работы оборудования

Важно знать особенности действия данного вида печи, чтобы хорошо разбираться в ее работе и параметрах. Работает оборудование за счет того, что с помощью специальных вихревых токов обеспечивается разогрев материала. Получаются такие токи за счет специального индуктора, являющегося катушкой индуктивности. В ней имеется насколько витков провода, обладающего довольно существенной толщиной.

Индуктор может нагреваться за счет сварочного инвертора или другого оборудования. Принцип работы индукционной печи предполагает, что питание индуктора поступает от сети переменного тока, а также для этого может применяться генератор высокой частоты. Ток, протекая по индуктору, формирует переменное поле, пронизывающее пространство. Если в нем имеются какие-либо материалы, то именно на них наводятся токи, обеспечивая их эффективное нагревание.

Если используется печь для создания системы отопления в доме, то обычно в качестве материала выступает вода, которая нагревается. Если же оборудование предназначено для промышленных целей, то в качестве материала может использоваться металл, который под действием тока начинает плавиться. Таким образом, принцип работы индукционной плиты считается простым и понятным, поэтому создать ее своими силами достаточно просто.

Устройство индукционных печей может быть разным, поскольку можно выделить два совершенно разных вида:

• оборудование, оснащенное магнитопроводом;
• печи без магнитопровода.

В первом случае индуктор находится внутри специального металла, который под действием токов начинает плавиться. Во втором индуктор располагается снаружи. Схема каждого варианта имеет свои специфические отличия.

Считается, что особенности действия конструкции с магнитопроводом является более эффективным, поскольку этот элемент повышает плотность создаваемого магнитного поля, поэтому нагрев более оперативный и качественный.

Самым популярным примером печи, оснащенной магнитопроводом, является канальная конструкция. Схема данного оборудования состоит из замкнутого магнитопровода, созданного из трансформаторной стали. На этом элементе имеется индуктор, являющийся первичной обмоткой, и тигель, обладающий кольцеобразной формой. Именно в нем находится материал, предназначенный для плавления. Тигель создается из специального диэлектрика, обладающего хорошей устойчивостью к возгоранию. Используются данные конструкции для создания чугуна высокого качества или для плавления цветных металлов.

Разновидности и характеристики различных индукционных печей

Можно выделить несколько видов индукционных печей, принцип действия которых имеет определенные отличия. Некоторые предназначаются только для промышленных работ, а другие могут использоваться в домашних условиях, поэтому часто предназначаются для кухни, где обеспечивают качественный нагрев. Наиболее часто последние варианты формируются из сварочного инвертора, имеют простую конструкцию, за счет чего их обслуживание и ремонт являются простыми работами.

К основным разновидностям индукционных печей относятся:

• Вакуумная индукционная печь. В ней плавка осуществляется в вакууме, что позволяет удалить из различных смесей вредные и опасные примеси. В результате получаются изделия, которые совершенно безопасны для применения, отличаются высоким качеством. Следует отметить, что их ремонт считается сложной работой, а сам процесс создания, обычно, не может осуществиться своими силами без специализированного оборудования и необычных условий.
• Канальная конструкция. Она изготавливается с применением обычного сварочного трансформатора, который работает на частоте, равной 50 Гц. Здесь вторичная обмотка данного устройства заменяется тигелем кольцеобразной формы. Видео создания такой печи можно найти в интернете, причем ее схема не считается сложной. Применяться грамотно сформированное оборудование может для плавки большого количества цветных металлов, причем потребление энергии считается небольшим. Ремонт считается специфическим и сложным.
• Тигельная печь. Схема данной конструкции предполагает установку индуктора и генератора, которые являются самыми основными частями оборудования. Для формирования индуктора может применяться стандартная трубка из меди. Однако должно быть соблюдено необходимое количество витков, которое не должно быть больше 8, но и меньше 10. Схема самого индуктора может быть разной, он может иметь форму восьмерки или другую конфигурацию. Следует отметить, что ремонт данного оборудования считается достаточно простой работой.
• Индукционная печь для обогрева помещения. Как правило, она предназначается для кухни, создается на основе сварочного инвертора. Обычно данная установка применяется в комбинации с водогрейным котлом, который позволяет обеспечить отопление каждого помещения в строении, кроме того, можно будет подвести горячее водоснабжение к сооружению. Принцип работы заключается в том, что индуктор получает питание от сварочного инвертора. Считается, что эффективность данного оборудования является невысокой, однако нередко только оно является единственно возможным для создания отопления в доме.

Процесс формирования печи

Сделать для кухни или другого помещения в доме индукционную печь на основе инвертора можно своими усилиями. Для этого рекомендуется не только изучить теоретическую часть данного процесса, но и просмотреть обучающее видео.

Чтобы сформировать электромагнитное поле, которое будет иметься снаружи индуктора, необходимо применять специальную катушку, в которой будет достаточно большое количество витков. Дополнительно потребуется сгибать трубу, а данная работа обладает определенными сложностями, поэтому более рациональным решением в этом случае будет расположение прямой трубы непосредственно внутри катушки, в результате чего она будет работать в качестве сердечника.

Как правило, используется металлическая труба, однако она считается слабым теплоносителем, поэтому вместо нее может применяться полимерная труба, внутри которой будут находиться небольшие отрезки проволоки из металла. Для генератора тока оптимальным считается применение стандартного инвертора. Его обслуживание и ремонт считаются простыми и понятными работами, поэтому можно будет обеспечить долгий срок службы оборудования.

Таким образом, для создания конструкции потребуется:

• полимерная труба;
• стальная проволока;
• медный провод;
• сетка из проволоки;
• наличие самого инвертора.

Катанка из стали разрезается на мелкие части. Один торец трубы из полимеров закрывается сеткой, а в другой загружаются металлические отрезки проволоки. Второй торец также закрывается сеткой. Сверху трубы создается индукционная обмотка, для чего используется медный провод. Концы данной обмотки хорошо изолируются и подводятся к выходу инвертора. Как только аппарат включается, создается от катушки электромагнитное поле, что обеспечивает появление вихревых токов в сердечнике. Это приведет к его нагреванию, поэтому и вода, протекающая по трубе, начнет греться. Таким образом, получается идеальная конструкция для кухни или другого помещения, причем ее обслуживание и ремонт считаются простыми.

Лучше всего перед работами просмотреть обучающее видео, чтобы не совершить ошибок. После создания оборудования, можно установить его в нужном помещении. Оно может предназначаться не только для топочной, но даже и для кухни. Важно выбрать такое помещение, в котором можно будет легко ухаживать за печкой и осуществлять ее ремонт.

Особенности создания оборудования

Индукционная печь, созданная на основе инвертора, не обладает какими-либо параметрами, которые позволяли бы людям устанавливать нужную температуру воды. Поэтому можно говорить о том, что данное оборудование не является совершенно безопасным для постоянного использования. Поэтому лучше всего во время процесса формирования индукционной печи предусматривать установку автоматики и устройства контроля. В этом случае можно не только повысить безопасность устройства, но и упростить его использование, а ремонт будет требоваться очень редко.

Для этих целей на выходе из трубы необходимо смонтировать специальную группу безопасности, к которой причисляется предохранительный клапан, манометр и воздухоотводчик.

Чтобы во время использования оборудования не возникало перегрева, необходимо выполнить установку элемента аварийного отключения, которым можно управлять с помощью термостата. Может быть установлен терморегулятор, оснащенный датчиком температуры. Можно смонтировать реле, которое обеспечивает размыкание цепи в том случае, если температура теплоносителя достигает определенного уровня.

Таким образом, существует несколько разновидностей индукционных печей, отличающихся принципом работы, внешним видом, конструкцией и параметрами. Для обогрева дома можно даже своими силами сформировать конструкцию, для чего может применяться стандартный сварочный инвертор. Полученная установка при добавлении многочисленных дополнительных элементов будет безопасной, надежной и качественной, а также эффективной и простой в использовании.

Индукционная плавильная печь своими руками: схема изготовления

На протяжении многих лет люди проводят плавку металла. Каждый материал имеет свою температуру плавления, достигнуть которую можно только при применении специального оборудования. Первые печи для плавки металла были довольно большими и устанавливались исключительно в цехах крупных организаций. Сегодня современная индукционная печь может устанавливаться в небольших мастерских при налаживании производства ювелирных изделий. Она небольшая, проста в обращении и обладает высокой эффективностью.

Принцип действия

Плавильный узел индукционной печи применяется для нагрева самых различных металлов и сплавов. Классическая конструкция состоит из следующих элементов:

1. Сливной насос.
2. Индуктор, охлаждающийся водой.
3. Каркас из нержавеющей стали или алюминия.
4. Контактная площадка.
5. Подина из жаропрочного бетона.
6. Опора с гидравлическим цилиндром и подшипниковым узлом.

Принцип действия основан на создании вихревых индукционных токов Фуко. Как правило, при работе бытовых приборов подобные токи вызывают сбои, но в этом случае они применяются для нагрева шихты до требуемой температуры. Практически вся электроника во время работы начинает нагреваться. Этот негативный фактор применения электричества используется на полную мощность.

Преимущества устройства

Печь плавильная индукционная стала применяться относительно недавно. На производственных площадках устанавливаются знаменитые мартены, доменные печи и другие разновидности оборудования. Подобная печь для плавки металла обладает следующими преимуществами:

1. Применение принципа индукции позволяет делать оборудование компактным. Именно поэтому не возникает проблем с их размещением в небольших помещениях. Примером можно назвать доменные печи, которые могут устанавливаться исключительно в подготовленных помещениях.
2. Результаты проведенных исследований указывают на то, что КПД составляет практически 100%.
3. Высокая скорость плавки. Высокий показатель КПД определяет то, что на разогрев металла уходит намного меньше времени, если сравнивать с другими печами.
4. Некоторые печи при плавке могут привести к изменению химического состава металла. Индукционная занимает первое место по чистоте расплава. Создаваемые токи Фуко проводят нагрев заготовки изнутри, за счет чего исключается вероятность попадания в состав различных примесей.

Именно последнее преимущество определяет распространение индукционной печи в ювелирном деле, так как даже небольшая концентрация посторонней примеси может негативно сказаться на полученном результате.

Индукционная печь и сфера её применения

Индукционные печи применяются для выплавки металлов и отличаются тем, что нагрев в них происходит посредством электрического тока. Возбуждение тока происходит в индукторе, а точнее в непеременном поле.

Плавление металлов в индукционных плавильных печах на сегодняшний день получило широкое распространение за счет их энергоэффективности, надежности, простоты в обслуживание, универсальности, возможности получения высококачественных отливок, а также относительно низкой стоимости.

Для нагрева и плавки железной руды и металлов сталелитейная промышленность применяет различные типы печей для переработки металла.

По виду применяемого топлива индукционные печи бывают – пламенные, к ним относятся мартеновские, доменные, шахтные, газовые тигельные, и печи для плавки металла с электрическим нагревом.

Электропечи имеют классификацию, которая зависит от метода конвертации электрической энергии в тепловую.

Одним из таких методов является плавка металлов в среде индуктивного магнитного поля.

К основным характеристикам индукционных печей относятся:

• название металла, подлежащего плавлению;
• емкость в тоннах;
• мощность в киловаттах;
• напряжение и частота питающей сети, номинальное значение тока и число фаз.

Рекомендации по размещению печи

В зависимости от особенностей конструкции выделяют напольные и настольные индукционные печи. Независимо от того, какой именно вариант был выбран, выделяют несколько основных правил по установке:

1. При работе оборудования на электросеть оказывается высокая нагрузка. Для того чтобы исключить вероятность возникновения короткого замыкания по причине износа изоляции, при установке должно быть проведено качественное заземление.
2. Конструкция имеет водяной охлаждающий контур, который исключает вероятность перегрева основных элементов. Именно поэтому следует обеспечивать надежный подъем воды.
3. Если проводится установка настольной печи, то следует уделить внимание устойчивости используемого основания.
4. Печь для плавки металла представлена сложным электрическим прибором, при установке которого нужно соблюдать все рекомендации производителя. Особое внимание уделяется параметрам источника питания, который должен соответствовать модели аппарата.
5. Не стоит забывать о том, что вокруг печи должно быть довольно много свободного пространства. Во время работы даже небольшой по объему и массе расплав может случайно выплеснуться из формы. При температуре более 1000 градусов Цельсия он нанесет непоправимый вред различным материалам, а также может стать причиной возгорания.

Во время работы устройство может серьезно нагреваться. Именно поэтому поблизости не должно быть никаких легковоспламеняющихся или взрывчатых веществ. Кроме этого, по технике пожарной безопасности вблизи должен быть установлен пожарный щит.

Особенности применения индукционных печей

Индукционная печь — часть индукционной установки, включающая в себя индуктор, каркас, камеру для нагрева или плавки, вакуумную систему, механизмы наклона печи или перемещения нагреваемых изделий в пространстве и др.

Индукционная тигельная печь (индукционная печь без сердечника), представляет собой плавильный тигель цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещённый в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока.

Футеровка индукционной плавильной печи должна обладать следующими свойствами:

• высокой огнеупорностью и шлакоустойчивостью;
• высокой термостойкостью;
• высокой механической прочностью;
• минимальной толщиной.

Конструктивная схема индукционных печей имеет свои особенности, которых нет в других конструкциях печей.

Передача электрической энергии к нагреваемому объекту происходит без контакта с электроустановкой.

Выделение тепла происходит непосредственно в месте нагрева, что позволяет максимально использовать энергию образующегося тепла.

Высокая скорость нагрева объекта, помещенного в индуктор.

Индукционные печи для плавки металлов значительно меньше потребляют электроэнергию.

Так как этот метод нагрева происходит непосредственно в среде металла, это позволяет получать их сплавы различных марок и свойств фактически не имеющих примесей и получать отливки равномерные по химическому составу.

В индукционных печах можно плавить различные типы металлов, это стали различных марок, высококачественный чугун, цветные металлы.

Особенность конструкции нагревателей, это малая масса футеровки индукционной печи по сравнению с массой металла, в связи, с чем снижается тепловая энергия печи, позволяет производить плавку периодически, что исключается в печах других конструкций.

К недостаткам индукционных печей можно отнести следующие факторы:

• дорогое и сложное в изготовление электрическое оборудование;
• наличие «холодных» шлаков, которые затрудняют процесс рафинации металла, этот метод термообработки используется при изготовлении высококачественных сталей;
• от резкого перепада температур, низкая долговечность футеровки.

Применение индукционных нагревательных печей позволяет автоматизировать процессы плавки, получать высоко легирующие металлы, обеспечивать хорошие условия труда для обслуживающего персонала. К тому же максимально снижается загрязнение окружающей среды.

В индукционных печах выплавляют сталь и сплавы из легированных отходов методом переплава, или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления.

После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, защиты его от насыщения газами.

При плавке в кислых печах, после расплавления и удаления плавильного шлака, наводят шлак из боя стекла (SiO2). Для окончательного раскисления перед выпуском металла в ковш вводят ферросилиций, ферромарганец и алюминий.

В основных печах раскисление проводят смесью из порошкообразной извести, кокса, ферросилиция, ферромарганца и алюминия.

В таких печах выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, титана, никеля, алюминия, а в печах с кислой футеровкой – конструкционные, легированные другими элементами стали.

В печах можно получать стали с незначительным содержанием углерода и безуглеродистые сплавы, так как нет науглероживающей среды.

При вакуумной индукционной плавке индуктор, тигель, дозатор шихты и изложницы, помещают в вакуумные камеры. Получают сплавы высокого качества с малым содержанием газов, неметаллических включений и сплавы, легированные любыми элементами.

Разновидности оборудования

Широкое применение получили только два типа печи: тигельные и канальные. Они обладают сходными преимуществами и недостатками, отличия заключаются лишь в применяемом методе работы:

1. В тигельный тип печи приходится проводить загрузку каждой порции шихты отдельно. Принцип работы устройства заключается в следующем: металл загружается внутрь индуктора, после расплавки он сливается и проводится загрузка новой порции. Как правило, подобная модель приобретается для небольших мастерских, когда работа ведется с небольшим количеством сырья.
2. Канальные отличаются тем, что позволяют проводить плавку металла непрерывно. Конструкция позволяет проводить погрузку новой порции металла и слив уже расплавленного во время работы. Недостатком можно назвать лишь то, что трудности возникают на момент слива, так как канал слива должен быть заполнен.

Большей популярностью пользуется тигельная разновидность индукционных печей. Это связано с их высокой производительностью и простотой в эксплуатации. Кроме этого, подобную конструкцию при необходимости можно изготовить самостоятельно.

Самодельные варианты исполнения встречаются довольно часто. Для их создания требуются:

1. Генератор.
2. Тигель.
3. Индуктор.

Опытный электрик при необходимости может сделать индуктор своими руками. Этот элемент конструкции представлен обмоткой из медной проволоки. Тигель можно приобрести в магазине, а вот в качестве генератора используется ламповая схема, собранная своими руками батарея их транзисторов или сварочный инвертор.

Использование сварочного инвертора

Печь индукционная для плавки металла своими руками может быть создана при применении сварочного инвертора в качестве генератора. Этот вариант получил самое широкое распространение, так как прилагаемые усилия касаются лишь изготовления индуктора:

1. В качестве основного материала применяется тонкостенная медная трубка. Рекомендуемый диаметр составляет 8—10 см.
2. Трубка изгибается по нужному шаблону, который зависит от особенностей применяемого корпуса.
3. Между витками должно быть расстояние не более 8 мм.
4. Индуктор располагают в текстолитовом или графитовом корпусе.

После создания индуктора и его размещения в корпусе остается только установить на свое место приобретенный тигель.

Применение транзисторов

Подобная схема довольно сложна в исполнении, предусматривает применение резисторов, нескольких диодов, транзисторов различной емкости, пленочного конденсатора, медного провода с двумя различными диаметрами и колец от дросселей. Рекомендации по сборке следующие:

1. При применении рассматриваемой схемы конструкция будет сильно нагреваться. Именно поэтому следует использовать эффективное охлаждение.
2. Приобретенные конденсаторы собираются в одну схему для получения батареи.
3. В качестве основы для индуктора применяются дроссельные кольца. На них наматывается ранее приобретенная медная трубка диаметром около 1 мм. Количество витков определяет то, какой мощностью будет самодельная печь. Рекомендуемый диапазон от 7 до 15 витков.
4. На предмет цилиндрической формы наматывается вторая медная трубка, диаметр которой должен быть около 2 мм. Стоит учитывать, что концы этой трубки следует оставлять большими, так как они будут использоваться для подключения к источнику питания.
5. В качестве источника питания можно использовать аккумулятор с мощностью 12 В.

Созданная схема помещается в текстолитовый или графитовый корпус, которые являются диэлектриками. Схема, предусматривающая применение транзисторов, довольно сложна в исполнении. Поэтому браться за изготовление подобной печи следует исключительно при наличии определенных навыков работы.

Печь на лампах

В последнее время печь на лампах создают все реже, так как она требует осторожности при обращении. Применяемая схема проще в сравнении со случаем применения транзисторов. Сборку можно провести в несколько этапов:

1. В качестве генератора тока применяются 4 лучевые лампы, которые соединяются при параллельном подключении.
2. Применяемая проволока из меди должна соединяться по спирали. Создаваемые витки должны иметь диаметр от 8 до 16 см, расстояние между ними не менее 5 миллиметров. Стоит учитывать, что понадобится довольно большое количество проволоки, так как внутри витков должен поместиться тигель.
3. Создаваемая спираль помещается в корпус из материала, который не проводит электрический ток.
4. Повысить эффективность схемы можно при дополнительном подключении подстроечного конденсатора.

Применяемые ламы должны быть защищены от механического воздействия.

Необходимые знания

Электромагнитное поле действует на все живое. В качестве примера можно привести мясо в микроволновке. Поэтому стоит позаботиться о безопасности. И, неважно, вы собираете печь и тестируете ее или работаете на ней. Есть такой показатель, как плотность потока энергии. Так вот он зависит от именно от электромагнитного поля. И чем выше частота излучения, тем хуже человеческому организму.

Во многих странах приняты меры безопасности, в которых учитывается плотность потока энергии. Есть разработанные допустимые пределы. Это 1-30 мВт на 1 м² тела человека. Эти показатели действуют, если облучение происходит не больше одного часа в сутки. Кстати, установленный оцинкованный экран снижает плотность потолка в 50 раз.

Охлаждение оборудования

При создании индукционной печи своими руками больше всего проблем возникает с охлаждением. Это связано со следующими моментами:

1. Во время работы нагревается не только расплавляемый металл, но и некоторые элементы оборудования. Именно поэтому для длительной работы требуется эффективное охлаждение.
2. Метод, основанный на применении воздушного потока, характеризуется низкой эффективностью. Кроме этого, не рекомендуется проводить установку вентиляторов вблизи печи. Это связано с тем, что металлические элементы могут оказывать воздействие на генерируемые вихревые токи.

Как правило, охлаждение проводится при подаче воды. Создать водяной охлаждающий контур в домашних условиях не только сложно, но и экономически невыгодно. Промышленные варианты печи имеют уже встроенный контур, к которому достаточно подключить холодную воду.

Особенности работы плит

Индукционными могут быть не только печи, но и плиты. Сегодня на рынке бытовой техники широко представлены различные варианты исполнения. И они успешно ломают представление об электрических плитах, как о блинах или спиралях, которые раскаляются докрасна.

Индукционная панель в доме

Важная особенность таких плит – необходимость использовать специальную посуду, поскольку традиционные варианты в большинстве случаев не подходят. Нужны изделия из ферримагнитного сплава. Посуда пропускает через себя магнитное поле, которое в результате физических реакций преобразуется в тепловую энергию, используемую для нагрева продуктов, воды и т. д. При этом сам прибор не нагревается! А когда кастрюля или сковорода убирается с плиты, нагрев прекращается (сердечник размыкается).

В результате можно выделить несколько существенных плюсов индукционных плит:

1. КПД таких устройств высокий – 90%. Это очень хороший показатель, если сравнивать с другими вариантами подогрева пищи. Например, у электрических этот параметр меньше, у газовых – еще меньше.
2. Обеспечивается высокая точность контакта с нагреваемой поверхностью. Достаточно закрыть 70% рабочей поверхности, чтобы устройство самостоятельно определило площадь обогрева и начало действовать.
3. Приготовление блюд на таких плитах ускоряется. Это положительный момент, однако при первом знакомстве нужно учесть этот факт, чтобы еда не пригорела. Пища, вода будет нагреваться моментально.
4. Производители намеренно оснащают подобное оборудование дополнительные функциями, чтобы расширить их применение.
5. Если на такую рабочую поверхность попадает еда, воды или еще что-то, что сопровождает приготовление пищи, ничего не пригорает, не появляется запах.
6. Плита не нагревается, выглядит привлекательно. Может поставляться как отдельно стоящая конструкция, так и встроенная.
7. Не требуется специальных условий ухода. Можно использовать губку и моющее средство.
8. Безопасность эксплуатации на высоте, однако панели рекомендуется располагать на столешнице, но не стиральных, посудомоечных, холодильниках и прочих приборах.

Примечание: Однако нужно помнить, что при работе индукционной печи человеку приходится находиться рядом с ней, а значит, на него действуют вихревые токи, что может иметь нежелательные последствия. И, конечно, для работы с техникой потребуется особая посуда, о чем уже было сказано.

Техника безопасности

При использовании индукционной печи нужно соблюдать определенную технику безопасности. Основные рекомендации:

1. Нагреваемый металл может иметь очень высокую температуру. Попадание даже одной расплавленной капли на кожу может привести к серьезной травме. Именно поэтому при работе следует быть осторожным, использовать защитную одежду.
2. Производители промышленного оборудования в паспорте указывают довольно много различных параметров, среди которых отметим радиус воздействия электромагнитного поля. Стоит учитывать, что электроника, которая попала в этот радиус, может работать неправильно, а при длительном нахождении и вовсе выйдет из строя.
3. При выборе защитной одежды следует отдавать предпочтение варианту без металлических элементов.

При установке оборудования следует рассмотреть то, как будет проводиться погрузка шихты и извлечение расплавленного металла. Рекомендуется отводить отдельное подготовленное помещение для установки индукционной печи.

Преимущества индукционных печей

• Высокая чистота получаемого расплава.

  В других типах металлоплавильных термопечей обычно имеется прямой контакт теплоносителя с материалом, и, как следствие, — загрязнение последнего.

  В индукционных печах нагрев производится поглощением внутренней структурой проводящих материалов электромагнитного поля индуктора. Поэтому такие печи идеальны для ювелирных производств.

• Для термических печей главной проблемой является уменьшение содержания в расплавах черных металлов фосфора и серы, ухудшающих их качество.
• Высокий кпд индукционно плавильных устройств, доходящий до 98%.
• Большая скорость плавки благодаря нагреву образца изнутри и, как следствие высокая производительность ИПП, особенно для маленьких рабочих объемов до 200 кг.
• Разогревание муфельной электропечи с загрузкой 5 кг происходит в течение нескольких часов, индукционной печи — не более часа.
• Аппараты с загрузкой до 200 кг просты в размещении, монтаже и эксплуатации.

Индукционная печка своими руками

Индукционная печь — это печной аппарат, который применяется для плавления цветных (бронзы, алюминия, меди, золота и других) и черных (чугуна, стали и других) металлов за счет работы индуктора. В поле ее индуктора производится ток, он нагревает металл и доводит его до расплавленного состояния.

Вначале на него будет действовать электромагнитное поле, потом электрический ток, а затем уже он пройдет тепловую стадию. Простую конструкцию такого печного устройства можно собрать самостоятельно из различных подручных средств.

Принцип работы

Такое печное устройство является электрическим трансформатором со вторичной короткозамкнутой обмоткой. Принцип действия индукционной печи состоит в следующем:

• при помощи генератора в индукторе создается переменный ток;
• индуктор с конденсатором создает колебательный контур, он настроен на рабочую частоту;
• в случае использования автоколебательного генератора, конденсатор исключается из схемы устройства и в этом случае используется собственный запас емкости индуктора;
• создаваемое индуктором магнитное поле может существовать в свободном пространстве или же замыкаться с использованием индивидуального ферромагнитного сердечника;
• магнитное поле воздействует на находящуюся в индукторе металлическую заготовку или шихту и образует магнитный поток;
• по уравнениям Максвелла он индуцирует в заготовке вторичный ток;
• при цельном и массивном магнитном потоке создаваемый ток замыкается в заготовке и происходит создание тока Фуко или вихревого тока;
• после образования такого тока вступает в действие закон Джоуля-Ленца, и полученная с помощью индуктора и магнитного поля энергия нагревает заготовку металла или шихту.

Несмотря на многоступенчатую работу, устройство индукционной печи может давать в вакууме или воздухе до 100% КПД. Если среда с магнитной проницаемостью, то этот показатель будет расти, в случае со средой из неидеального диэлектрика, он будет падать.

Устройство

Рассматриваемая печь – своеобразный трансформатор, но только в нем нет вторичной обмотки, ее заменяет помещенный в индуктор металлический образец. Он будет проводить ток, а вот диэлектрики в этом процессе не нагреваются, они остаются холодными.

Конструкция индукционных тигельных печей включает в себя индуктор, который состоит из нескольких витков медной трубки, свернутой в виде катушки, внутри нее постоянно передвигается охлаждающая жидкость. Также индуктор вмещает в себе тигель, который может быть из графита, стали и других материалов.

Кроме индуктора в печи установлен магнитный сердечник и подовый камень, все это заключено в корпус печи. В него входят:

• кожух индукционной единицы;
• кожух ванной;
• каркас.

В моделях печей большой мощности кожух ванны обычно выполняется достаточно жестким, поэтому каркас в таком устройстве отсутствует. Крепление корпуса должно выдерживать сильные нагрузки при наклоне всей печи. Каркас чаще всего изготавливается из фасонных балок, выполненных из стали.

Тигельная индукционная печь для плавки металла устанавливается на фундамент, в который вмонтированы опоры, на их подшипники опираются цапфы механизма наклона устройства.

Кожух ванны выполняется из металлических листов, на которые для прочности наваривают ребра жесткости.

Кожух для индукционной единицы используется в качестве соединительного звена между печным трансформатором и подовым камнем. Его для уменьшения потерь тока делают из двух половинок, между которыми предусмотрена изолирующая прокладка.

Стяжка половинок происходит за счет болтов, шайб и втулок. Такой кожух делается литым или сварным, при выборе материала для него отдают предпочтение немагнитным сплавам. Двухкамерная индукционная сталеплавильная печь идет с общим кожухом для ванны и для индукционной единицы.

В небольших печах, в которых не предусмотрено водяного охлаждения имеется вентиляционная установка, она помогает отводить из агрегата излишки тепла. Даже вы случае установки водоохлаждаемого индуктора необходимо вентилировать проем, возле подового камня, чтобы он не перегревался.

В современных печных установках имеется не только водоохлаждаемый индуктор, но и предусмотрено водяное охлаждение кожухов. На каркасе печи могут быть установлены вентиляторы, работающие от приводного двигателя. При значительной массе такого устройства, вентиляционный прибор устанавливают возле печи. Если индукционная печь для производства стали идет со съемным вариантом индукционных единиц, то для каждой из них предусматривается свой вентилятор.

Отдельно стоит отметить механизм наклона, который для малых печей идет с ручным приводом, а для крупных он оснащен гидравлическим приводом, расположенным у сливного носика. Какой бы ни был установлен механизм наклона, он обязан обеспечивать слив полностью всего содержимого ванной.

Расчет мощности

Так как индукционный способ плавки стали менее затратный, чем аналогичных методик, основанных на использовании мазута, угля и других энергоносителей, то расчет индукционной печи начинается с вычисления мощности агрегата.

Мощность индукционной печи подразделяется на активную и полезную, для каждой из них есть своя формула.

В качестве исходных данных нужно знать:

• емкость печи, в рассматриваемом для примера случае она равна 8 тоннам;
• мощность агрегата (берется максимальное ее значение) – 1300 кВт;
• частота тока – 50 Гц;
• производительность печной установки – 6 тонн в час.

Требуется также учитывать расплавляемый металл или сплав: по условию он цинковый. Это важный момент, тепловой баланс плавки чугуна в индукционной печи, также как и других сплавов свой.

Полезная мощность, которая передается жидкому металлу:

• Рпол = Wтеор×t×П,
• Wтеор – удельный расход энергии, он теоретический, и показывает перегрев металла на 1 0 С;
• П – производительность печной установки, т/ч;
• t — температура перегрева сплава или металлической заготовки в ванной печи, 0 С
• Рпол = 0,298×800×5,5 = 1430,4 кВт.

• Р = Рпол/Ютерм,
• Рпол – берется с предыдущей формулы, кВт;
• Ютерм – КПД литейной печи, его пределы от 0,7 до 0,85, в среднем принимают 0,76.
• Р =1311,2/0,76=1892,1кВт, проводится округление значения до 1900 кВт.

На заключительном этапе рассчитывается мощность индуктора:

• Ринд = Р/N,
• Р – активная мощность печной установки, кВт;
• N – количество индукторов, предусмотренных на печи.
• Ринд =1900/2= 950 кВт.

Потребление мощности индукционной печью при плавке стали зависит от ее производительности и вида индуктора.

Виды и подвиды

Индукционные печи делятся на два основных вида:

1. Канальный. В нем вторичным витком служит кольцевой короткозамкнутый канал, в который помещается металл. В качестве источника энергии для процесса плавки используется генератор либо переменный ток промышленной частоты. Высокое КПД таких печей обусловлено передачей высокочастотного поля через ферритовый или стальной сердечник. Плавка стали в индукционных печах такого типа отличается непрерывной подачей металлических заготовок и получением расплавленного металла. Единственным недостатком канального агрегата является сложность запуска его работы, так как предварительно необходимо заполнить канал расплавом.
2. Тигельный. В таких печах источником энергии является генератор, который может работать в диапазоне от нескольких десятков до сотен кГц. Металлические заготовки в этом виде печи помещаются в ее термостойкий тигель, который располагается в обмотке индуктора. Как только расплав достигнет нужной температуры, тигель освобождают и заправляют следующей партией сырья. Такое печное устройство отличается высокой скоростью нагрева металла, так как в тигле очень малы потери тепла.

Кроме такого разделения, индукционные печи бывают компрессорными, вакуумными, открытыми и газонаполненными.

Индукционные печи своими руками

Среди имеющихся распространенных методик создания таких агрегатов можно найти пошаговое руководство, как сделать индукционную печь из сварочного инвертора, с нихромовой спиралью или графитовыми щетками, приведем их особенности.

Агрегат из высокочастотного генератора

Она выполняется с учетом расчетной мощности агрегата, вихревых потерь и утечек на гистерезисе. Питание конструкции будет идти от обычной сети в 220 В, но с использованием выпрямителя. Такой вид печи может идти с графитовыми щетками или нихромовой спиралью.

Для создания печи потребуется:

• два диода UF4007;
• пленочные конденсаторы;
• полевые транзисторы в количестве двух штук;
• резистор в 470 Ом;
• два дроссельных кольца, их можно снять со старого компьютерного системщика;
• медный провод Ø сечения 2 мм.

В качестве инструмента используется паяльник и плоскогубцы.

Приведем схему для индукционной печи:

Индукционные портативные плавильные печи такого плана создаются в следующей последовательности:

1. Транзисторы располагаются на радиаторах. Из-за того, что в процессе плавки металла схема устройства быстро греется, радиатор для нее нужно подбирать с большими параметрами. Допустимо устанавливать несколько транзисторов на один генератор, но в этом случае их нужно изолировать от металла при помощи прокладок, сделанных из пластика и резины.
2. Изготавливаются два дросселя. Для них берутся два заранее снятые с компьютера кольца, вокруг них обматывают медную проволоку, количество витков ограничено от 7 до 15.
3. Конденсаторы объединяются между собой в батарею, чтобы на выходе получилась емкость в 4,7 мкФ, их соединение проводится параллельно.
4. Вокруг индуктора обвивается медная проволока, ее диаметр должен быть 2 мм. Внутренний диаметр обмотки должен совпадать с размером используемого для печи тигля. Всего делают 7-8 витков и оставляют длинные концы, чтобы их можно было подключить к схеме.
5. В качестве источника к собранной схеме подсоединяется аккумулятор мощностью 12 В, его хватает примерно на 40 минут работы печи.

Если необходимо, то делается корпус из материала с высокой термоустойчивостью . Если же выполняется индукционная плавильная печь из сварочного инвертора, то защитный корпус должен быть обязательно, но его нужно заземлить.

Конструкция с графитовыми щетками

Такая печь используется для выплавки любого металла и сплавов.

Для создания устройства необходимо заготовить:

• графитовые щетки;
• порошковый гранит;
• трансформатор;
• шамотный кирпич;
• стальная проволока;
• тонкий алюминий.

Технология сборки конструкции заключается в следующем:

1. Выполняется основа – в виде бокса, который изготавливается из шамотного кирпича, его кладут на огнеупорную плитку.
2. Сверху бокса укладывается лист асбестокартона, если ему нужно придать определенную форму, его поверхность нужно смочить водой. Чтобы конструкцию сделать жесткой, нужно обмотать ее проволокой. Размеры бокса зависят от мощности трансформатора. Лучше всего использовать его из сварочного аппарата. Если он большой мощности, то его следует перемотать.
3. Во избежание перегрева трансформатора его обматывают тонким алюминием.
4. На дне кирпичного бокса располагается глиняная подложка, чтобы расплавленный металл не растекался.
5. Устанавливаются графитовые щетки.

к содержанию ↑

Прибор с нихромовой спиралью

Такой прибор используется для выплавки больших объемов металла.

В качестве расходных материалов для обустройства самодельной печи используется:

• нихром;
• асбестовая нить;
• кусок керамической трубы.

После подключения всех составляющих печи по схеме, ее работа состоит в следующем: после подачи электрического тока на нихромовую спираль, она передает тепло металлу и плавит его.

Создание такой печи проводится в следующей последовательности:

1. Навивание спирали, для нее используется проволока диаметром 0,3 мм, длина заготовки должна быть около 11 метров.
2. Проволока наматывается вокруг длинной трубки, ее диаметр – 5 мм.
3. Кусок трубы из керамики выступает в качестве тигля, его подрезают до нужного размера, примерно на 15 см. В один его конец вставляется асбестовая нить, чтобы расплавленный металл не растекался.
4. Укладка спирали вокруг трубы. Между ее витками укладывается асбестовая нить, она ограничит доступ кислорода и тем самым не допустит замыкания в печи.
5. В таком виде катушка помещается в лампу высокой мощности, в ней имеется патрон нужного диаметра, который чаще всего изготовлен из керамики.

Такая конструкция отличается высокой производительностью, она долго остывает и быстро нагревается. Но необходимо учесть, что если спираль будет плохо изолирована, то она быстро перегорит.

Цены на готовые индукционные печи

Самодельные конструкции печей будут стоить гораздо дешевле покупных, но их нельзя создать большими объемами, поэтому без готовых вариантов для массового производства расплава не обойтись.

Цены на индукционные печи для плавки металла зависят от их вместимости и комплектации.

Модель	Характеристики и особенности	Цена, рубли
INDUTHERM MU-200	Печь поддерживает 16 температурных программ, максимальная температура нагрева – 1400 0С, контроль за режимом осуществляется с термопарой типа S. Агрегат производит мощность 3,5 кВт.	820 тыс.
INDUTHERM MU-900	Печь работает от электропитания в 380 Вт, температурный контроль происходит с помощью термопары типа S и может доходить до 1500 0С. Мощность – 15 кВт.	1,7 млн.
УПИ-60-2

Эта индукционная плавильная мини-печь может использоваться для плавки цветных и драгоценных металлов. Заготовки загружаются в графитовый тигель, их нагрев ведется по принципу трансформатора.125 тыс.ИСТ-1/0,8 М5Индуктор печи представляет собой корзину, в которую встроен магнитопровод совместно с катушкой. Агрегат 1 тонну.1,7 млн.УИ-25ППечное устройство рассчитано на загрузку в 20 кг, он оснащен редукторным наклоном плавильного узла. В комплекте к печи идет блок конденсаторных батарей. Мощность установки – 25 кВт. Максимальная t нагрева – 1600 0С.470 тыс.УИ-0,50Т-400Агрегат рассчитан на загрузку в 500 кг, самая большая мощность установки – 525 кВт, напряжение для него должно быть не ниже 380Вт, максимальная рабочая t – 1850 0С.900 тыс.ST 10Печь итальянской компании оснащена цифровым термостатом, в панель управления встроена технология SMD, которая отличается быстродействием. Универсальный агрегат может работать с разной вместительностью от 1 до 3 кг, для этого ее не нужно переналаживать. Она предназначена для драгоценных металлов, ее max температура – 1250 0С.1 млн.ST 12Статическая индукционная печь с цифровым термостатом. Она может быть дополнена вакуумной литьевой камерой, что дает возможность производить литье прямо рядом с установкой. Управление происходит с помощью сенсорной панели. Максимальная температура – 1250 0С.1050 тыс.ИЧТ-10ТНПечь рассчитана на загрузку в 10 тонн, довольно объемный агрегат, для его установки нужно выделить закрытое цеховое помещение.8,9 млн.

к содержанию ↑

Вывод

Самостоятельно сделать индукционную печь увлекательно, но это сопряжено с некоторыми ограничениями и неизвестными последствиями, так как нужно опираться на законы физики и химии, а кто в этом не силен, тот не сможет провести процесс безопасно. Для частого использования такой установки лучше подобрать подходящий вариант из представленных выше.

Индукционная печь уже давно не новинка – это изобретение существует еще с 19-го века, однако лишь в наше время, с развитием технологий и элементной базы, оно наконец-то начинает повсеместно входить в быт. Раньше в тонкостях работы индукторных печей было множество вопросов, не все физические процессы были до конца понятны, а сами агрегаты имели массу недостатков и использовались только в промышленности, в основном для плавки металлов.

Теперь же, с появлением мощных высокочастотных транзисторов и дешевых микроконтроллеров, совершивших прорыв во всех сферах науки и техники, появились и по-настоящему эффективные индукционные печи, которые можно свободно использовать для бытовых нужд (готовка еды, подогрев воды, отопление) и даже собрать своими руками.

Физические основы и принцип действия печи

Прежде чем выбрать или изготовить индукторный нагреватель, следует разобраться, что это такое. В последнее время наблюдается вспышка интереса к данной теме, но мало кто имеет полноценное представление о физике магнитных волн. Это породило множество заблуждений, мифов и массу неработоспособных либо небезопасных самоделок. Сделать индукторную печь своими руками можно, но перед этим стоит получить хотя бы элементарные знания.

Индукционная печка по принципу работы основана на явлении электромагнитной индукции. Ключевой элемент здесь – это индуктор, представляющий собой высокодобротную катушку индуктивности. Индукционные печи широко применяются для нагрева или плавления электропроводящих материалов, чаще всего металлов, за счет термического эффекта от наведения в них вихревого электрического тока. Представленная выше схема иллюстрирует устройство этой печи (рис. 1).

Генератором G вырабатывается напряжение переменной частоты. Под действием его электродвижущей силы в катушке индуктора L протекает переменный ток I₁. Индуктор L совместно с конденсатором C представляет собой колебательный контур, настроенный в резонанс с частотой источника G, благодаря чему эффективность работы печи существенно возрастает.

В соответствии с физическими законами в пространстве вокруг индуктора L возникает переменное магнитное поле H. Это поле может существовать и в воздушной среде, но для улучшения характеристик иногда применяют специальные ферромагнитные сердечники, имеющие лучшую магнитную проводимость в сравнении с воздухом.

Силовые линии магнитного поля проходят сквозь объект W, помещенный внутрь индуктора, и наводят в нем магнитный поток Ф. Если материал, из которого сделана заготовка W, является электропроводным, в ней возникает наведенный ток I₂, замыкающийся внутри и формирующий вихревые индукционные потоки. В соответствии с законом теплового воздействия электричества вихревые токи разогревают объект W.

Изготовление индуктивного нагревателя

Индукционная печь состоит из двух основных функциональных блоков: индуктора (нагревающая индукционная катушка) и генератора (источника переменного напряжения). Индуктор представляет собой оголенную медную трубку, свернутую в спираль (рис. 2).

Для изготовления своими руками печи мощностью не более 3 кВт индуктор должен быть сделан со следующими параметрами:

• диаметр трубки – 10 мм;
• диаметр спирали – 8-15 см;
• количество витков катушки – 8-10;
• расстояние межу витками – 5-7 мм;
• минимальный просвет в экране – 5 см.

Нельзя допускать соприкосновения соседних витков катушки, соблюдайте указанное расстояние. Индуктор никаким образом не должен соприкасаться с защитным экраном печи, зазор между ними должен быть не меньше указанного.

Изготовление генератора

Стоит отметить, что индукционная печь для своего изготовления требует хотя бы средних радиотехнических навыков и умений. Особенно важно обладать ими для создания второго ключевого элемента – высокочастотного генератора тока. Ни собрать, ни воспользоваться сделанной своими руками печью не получится без этих знаний. Более того, это может быть опасно для жизни.

Для тех же, кто берется за это дело со знанием и пониманием процесса, существуют различные способы и схемы, по которым может быть собрана индукционная печь. Выбирая подходящую схему генератора, рекомендуется отказываться от вариантов с жестким спектром излучения. К ним относится широко распространенная схема с использованием тиристорного ключа. Высокочастотное излучение от такого генератора способно создать мощнейшие помехи для всех окружающих радиоприборов.

Еще с середины 20 века среди радиолюбителей большим успехом пользовалась индукционная печь, собранная на 4-х лампах. Ее качество и КПД далеко не самые лучшие, а радиолампы в наше время труднодоступны, тем не менее многие продолжают собирать генераторы именно по этой схеме, так как у нее есть большое преимущество: мягкий, узкополосный спектр генерируемого тока, благодаря которому такая печь излучает минимум помех и максимально безопасна (рис. 3).

Настройка режима работы этого генератора производится при помощи переменного конденсатора C. Конденсатор обязательно должен быть с воздушным диэлектриком, зазор между его пластинами должен составлять не менее 3 мм. На схеме также присутствует неоновая лампа Л, служащая индикатором.

Схема универсального генератора

Современные индукционные печи работают на более совершенных элементах – микросхемах и транзисторах. Большим успехом пользуется универсальная схема двухтактного генератора, развивающая мощность до 1 кВт. Принцип работы основан на генераторе независимого возбуждения, при этом индуктор включен в режиме моста (рис. 4).

Достоинства двухтактного генератора, собранного по такой схеме:

1. Возможность работать на 2-й и 3-й моде помимо основной.
2. Присутствует режим поверхностного нагрева.
3. Диапазон регулирования 10-10000 кГц.
4. Мягкий спектр излучения во всем диапазоне.
5. Не нуждается в дополнительной защите.

Перестройка частоты осуществляется с помощью переменного резистора R₂. Рабочий диапазон частот задается конденсаторами C₁ и C₂. Межкаскадный согласующий трансформатор должен быть с кольцевым ферритовым сердечником сечением не менее 2 кв.см. Намотка трансформатора делается из эмалированного провода сечением 0,8-1,2 мм. Транзисторы нужно усадить на общий радиатор площадью от 400 кв.см.

Заключение по теме

Излучаемое индукторной печкой электромагнитное поле (ЭМП) оказывает воздействие на все проводники вокруг. В том числе происходит влияние на организм человека. Внутренние органы под действием ЭМП равномерно прогреваются, повышается общая температура тела во всем объеме.

Поэтому при работе с печью важно соблюдать определенные меры предосторожности во избежание негативных последствий.

Прежде всего, корпус генератора должен быть экранирован при помощи кожуха из листов оцинкованного железа или сетки с мелкими ячейками. Это снизит интенсивность облучения в 30-50 раз.

Также следует иметь в виду, что в непосредственной близости от индуктора плотность энергетического потока будет выше, особенно вдоль оси намотки. Поэтому индукционная катушка должна быть расположена вертикально, а за нагревом лучше наблюдать издалека.

Домашняя индукционная печь справляется с плавкой относительно небольших порций металла. Однако такой горн не нуждается ни в дымоходе, ни в мехах, подкачивающих воздух в зону плавки. А всю конструкцию подобной печи можно разместить на письменном столе. Поэтому разогрев с помощью электрической индукции является оптимальным способом плавки металлов в домашних условиях. И в этой статье мы рассмотрим конструкции и схемы сборки подобных печей.

В заводских цехах можно встретить канальные индукционные печи для плавки цветных и черных металлов. У этих установок очень высокая мощность, задаваемая внутренним магнитопроводом, который повышает плотность электромагнитного поля и температуру в тигле печи.

В промышленных масштабах производятся канальные индукционные печи для плавки цветных и черных металлов

Однако канальные конструкции расходуют большие порции энергии и занимают много места, поэтому в домашних условиях и небольших мастерских применяется установка без магнитопровода – тигельная печь для плавки цветного/черного металла. Такую конструкцию можно собрать даже своими руками, ведь тигельная установка состоит из трех основных узлов:

• Генератора, выдающего переменный ток с высокими частотами, которые необходимы для повышения плотности электромагнитного поля в тигле. Причем, если диаметр тигля можно будет сопоставить с длинной волны частоты переменного тока, то такая конструкция позволит трансформировать в тепловую энергию до 75 процентов электричества, потребляемого установкой.
• Индуктора – медной спирали, созданной на основе точного просчета не только диаметра и количества витков, но и геометрии проволоки, используемой в этом процессе. Контур индуктора должен быть настроен на усиление мощности в результате возникновения резонанса с генератором, а точнее с частотой питающего тока.
• Тигля – тугоплавкого контейнера, в котором и происходит вся плавильная работа, инициируемая за счет возникновения в структуре металла вихревых токов. При этом диаметр тигля и прочие габариты этого контейнера определяются строго по характеристикам генератора и индуктора.

Такую печь может собрать любой радиолюбитель. Для этого ему нужно найти правильную схему и запастить материалами и деталями. Перечень всего этого вы сможете найти ниже по тексту.

В основе конструкции самодельной тигельной печи лежит простейший лабораторный инвертор Кухтецкого. Схема этой установки на транзисторах имеет следующий вид:

Схема установки на транзисторах

На основе этого рисунка-схемы вы сможете собрать индукционную печь, используя следующие компоненты:

• два транзистора – желательно полевого типа и марки IRFZ44V;
• медный провод диаметром 2 миллиметра;
• два диода марки UF4001, еще лучше – UF4007;
• два дроссельных кольца – их можно извлечь из старого блока питания от десктопа;
• три конденсатора емкостью по 1 мкФ каждый;
• четыре конденсатора емкостью по 220нФ каждый;
• один конденсатор с емкостью 470 нФ;
• один конденсатор с емкостью 330 нФ;
• один резистор на 1 ватт (или 2 резистора по 0,5 ватта каждый), рассчитанный на сопротивление 470 Ом;
• медный провод диаметром 1,2 миллиметра.

Кроме того, вам понадобится пара радиаторов – их можно снять со старых материнских плат или кулеров для процессоров, и аккумуляторная батарея емкостью не менее 7200 мАч от старого источника бесперебойного питания на 12 В. Ну а емкость-тигель в данном случае фактически не нужна – в печи будет плавиться прутковый металл, который можно удерживать за холодный торец.

Распечатайте и повесьте над рабочим столом чертеж лабораторного инвертора Кухтецкого. После этого разложите все радиодетали по сортам и маркам и разогрейте паяльник. Закрепите два транзистора на радиаторах. А если вы будете работать с печью дольше 10-15 минут подряд, закрепите на радиаторах кулеры от компьютера, подключив их к рабочему блоку питания. Схема распиновки транзисторов из серии IRFZ44V выглядит следующим образом:

Схема распиновки транзисторов

Возьмите медную проволоку на 1,2 миллиметра и намотайте на ее на ферритовые кольца, сделав по 9-10 витков. В итоге у вас получатся дроссели. Расстояние между витками определяется диаметром кольца, исходя из равномерности шага. В принципе все можно сделать «на глаз», варьируя число витков в пределах от 7 до 15 оборотов. Соберите батарею из конденсаторов, соединяя все детали параллельно. В итоге у вас должна получиться батарея на 4,7 мкФ.

Теперь сделайте индуктор из медной 2-миллиметровой проволоки. Диаметр витков в этом случае может равняться диаметру фарфорового тигля или 8-10 сантиметрам. Число витков не должно превышать 7-8 штук. Если в процессе испытаний мощность печи покажется вам недостаточной – переделайте конструкцию индуктора, меняя диаметр и число витков. Поэтому на первых парах контакты индуктора лучше сделать не паянными, а разъемными. Далее соберите все элементы на плате из текстолита, опираясь на чертеж лабораторного инвертора Кухтецкого. И подключите к контактам питания аккумулятор на 7200 мАч. Вот и все.

Теперь вы можете проводить испытания печи, подбирая правильные параметры индуктора для каждой разновидности металла или тигля. Однако во время испытаний или плавки нужно помнить о мерах безопасности при работе с электропечами.

Индукционная установка генерирует очень высокую температуру, достаточную для расплавления металла массой до 10-20 грамм. Поэтому при работе с тиглем нужно использовать фартук из плотного материала и такие же рукавицы. Они уберегут вас от ожогов при случайном пролитии металла из емкости.

Собранную конструкцию печи лучше упрятать в изолированный корпус, оставив за его стенами только индуктор. Это убережет и пользователя, и хрупкие радиодетали. А для вентиляции в корпусе необходимо нарезать или насверлить несколько отверстий, обеспечив приток и отток воздуха.

Остаточное магнитное поле может нагреть металлические детали на одежде пользователя, которые обожгут кожу. Поэтому к тиглю лучше подходить в простой одежде, без молний или металлических пуговиц. Кроме того, все электроприборы лучше удалить от индуктора, как минимум, на метровое расстояние.

Индукционная печь — устройство и принципы работы индукционных плавильных печей, изготовление своими руками индукционный печи из сварочного инвертора, фото и видео.

При необходимости расплавить небольшую массу металла в домашних условиях можно использовать индукционную печь.  Это несложное устройство, работающее от бытовой сети, доступно для изготовления своими руками. Используется оно для нагрева почти всех металлов, но, чаще всего, для железа и его сплавов.

Принцип работы и устройство индукционных печей

Работу индукционной печи обеспечивают токи, вырабатываемые переменным магнитным полем. Создать плавильную печь своими руками можно, пользуясь проверенной на опыте, рабочей электрической схемой.

Основные элементы конструкции этого теплогенератора:

• Тигель – ёмкость, в которой происходит расплавление металла. В самодельных индукционных установках применяют тигли, которые можно извлекать из печи.
• Тигель помещают в индуктор, который представляет собой спираль, состоящую из небольшого числа витков проводника. Если устройство планируется для частой работы, то в качестве проводника рекомендуется использовать медную трубку. Для печей, предназначенных для эпизодического кратковременного использования, вполне достаточно медной проволоки.
• С помощью генератора в индукторе создаются мощные токи, благодаря чему вокруг индукционной катушки возникает электромагнитное поле. Это поле, в свою очередь, создаёт вихревые токи, которые разогревают тигель и помещённый в него металл. Генератор состоит из четырёх, параллельно соединённых, электронных ламп.

Внимание! Для ускорения процесса тигель рекомендуется изготавливать из неметаллических материалов – шамота, кварцита, графита.

• Скорость нагрева регулируют конденсатором переменной ёмкости. Ёмкостью конденсатора управляют с помощью выведенной наружу ручки. При максимальном значении ёмкости металл нагревается до красного цвета за несколько секунд.

Помимо тигельных, существуют канальные индукционные печитеплогенераторы. В таких установках металл помещают в кольцевой жёлоб, расположенный вокруг индуктора. Внутри индуктора находится сердечник.

В промышленности применяют и тигельные, и канальные индукционные печи:

• Тигельные печи предназначены для расплавления сплавов на основе железа, меди, магния, алюминия, драгметаллов. Ёмкость тигля промышленных установок может достигать сотен тонн.
• Канальные индукционные установки используются, в основном, для расплавления чугуна и цветных металлов.

Эффективность работы данного теплогенератора определяется мощностью и частотой генератора, количеством потерь в вихревых токах, скоростью и количеством потерь тепла в окружающее пространство.

Преимущества и недостатки индукционных теплогенераторов

Установки данного типа обладают определёнными преимуществами:

• Благодаря активному перемещению металла расплав обладает однородностью.
• При нагреве сплавов в индукционной печи легирующие элементы не выгорают.
• В таком теплогенераторе возможно фокусирование энергии.
• При изготовлении такой печи можно самостоятельно выбрать способ футеровки, рабочую частоту, ёмкость установки, при работе – точно выбрать температуру расплава.
• Печь очень быстро готовится к работе, а расплавление металла происходит с достаточно высокой скоростью.

Внимание! Важным плюсом индукционных печей является экологичность происходящего в них процесса расплавления металла.

К минусам этого оборудования можно отнести следующие факторы:

• Нагрев шлака в индукционных теплогенераторах происходит за счёт тепла металла. Поэтому шлакам присуща более низкая температура, по сравнению с расплавляемым металлом.
• Из-за вязкости холодных шлаков из металлов затруднено удаление фосфора и серы.
• В пространстве между индуктором и металлом происходит рассеивание магнитного потока, что делает необходимым снижение толщины футеровки тигля. Это приводит к уменьшению эксплуатационного периода футеровочного слоя.

Как изготовить индукционную печь из сварочного инвертора

Однако индукционное оборудование применимо не только для расплавления металлов, но и для работы в системах отопления домостроений.

Преимуществами индукционных котлов являются следующие факторы:

• Система с таким теплогенератором не перегревается, благодаря постоянному движению теплоносителя. Испытывать такую установку без теплоносителя запрещено.
• Благодаря вибрациям в индукционной системе на стенках оборудования накипь не оседает.
• Разъёмных соединений в данном оборудовании нет, поэтому опасность протечек отсутствует.
• Малое количество шума при работе.
• Благодаря отсутствию традиционных нагревательных элементов система с индукционным теплогенератором имеет длительный рабочий ресурс.
• При работе индукционного отопительного оборудования не происходит выброса вредных компонентов.

Многие домовладельцы заинтересованы в использовании перспективного оборудования для обогрева своих помещений. Самостоятельно изготовить индукционный котёл для обеспечения работы отопительной системы можно с применением комплектующих сварочного инвертора.

Краткая схема изготовления индукционного теплогенератора своими руками на базе сварочного инвертора:

• В качестве корпуса нагревателя используют кусок толстостенной пластиковой трубы, для которого изготавливают две сетчатых крышки.
• Стальную проволоку диаметром до 7 мм нарезают кусками длиной примерно по 50 мм. Корпус должен быть заполнен проволокой полностью.

Совет! Оптимальный материал для проволоки – коррозионностойкая легированная сталь.

• Индукционная катушка изготавливается из пластикового корпуса, заполненного отрезками проволоки и закрытого с двух сторон сетчатыми крышками. На подготовленный корпус наматывают 90 витков проволоки из меди.
• С помощью переходников индукционную катушку присоединяют к отопительному контуру.
• К сети катушку подсоединяют через сварочный инвертор.

Внимание! Индукционные котлы разрешены к использованию только в закрытых отопительных системах, в которых движение теплоносителя осуществляется в принудительном порядке с помощью циркуляционного насоса.

Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 1.

Кухтецкий С.В., [email protected]

В статье подробно описана схема, конструкция и приведены советы по изготовлению лабораторного инвертора, предназначенного для индукционного нагрева и плавки. Инвертор может быть легко интегрирован в существующее оборудование лабораторных установок (трубчатые печи, прогреваемые трубопроводы, нагрев электропроводных тиглей и т.п.). Он может также использоваться автономно для закалки и плавки (в том числе — во взвешенном состоянии) небольших образцов металлов и сплавов (несколько грамм). Мощность инвертора регулируется от 0 до 2 кВт, диапазон рабочих частот – от 60 кГц до 300 кГц, питание – от сети 220В.
 

Введение

Инверторами называют устройства, обратные выпрямителям, т.е. — преобразователи постоянного напряжения в переменное. Обычно термин «инвертор» используется более узко: генератор переменного напряжения, используемый в качестве источника питания. Выходное напряжение инвертора может быть как промышленной частоты (50 Гц), так и повышенной (десятки, сотни кГц и выше). Одно из важнейших преимуществ источников питания повышенной частоты это резкое уменьшение массогабаритных параметров трансформаторов. Другой положительный момент связан с тем, что переключающие силовые элементы инверторов работают в ключевом режиме, т.е. основная часть потерь энергии происходит лишь в моменты переключения. Таким образом, современные быстродействующие полупроводниковые ключи позволяют существенно увеличить кпд преобразователей, приближая его для некоторых конструкций к 100%.

Быстрое развитие и удешевление элементной базы силовой электроники привело к тому, что некоторые классы инверторов прочно заняли свои ниши уже даже в быту. Это мощные импульсные блоки питания современных персональных компьютеров, электронные балласты для люминесцентных ламп, сварочные инверторы и бытовые индукционные электроплитки. Доступность и умеренная цена транзисторных инверторов также могли бы способствовать более широкому их внедрению и в практику физико-химического эксперимента. Вот далеко не полный список возможных приложений инверторов в экспериментальной лаборатории.

• 1. Источники питания для печей с низкоомными трубчатыми нагревателями.
  2. Источники питания дуговых разрядов (плазмохимические реакторы с дуговым разрядом, электродуговая плавка).
  3. Источники питания высоковольтных неравновесных разрядов (импульсные разряды, высокочастотные коронные и дуговые разряды, барьерные разряды (озонаторы)).
  4. Индукционный нагрев (индукционные печи, закалка, плавка).

К сожалению, приобрести за разумную цену универсальный инвертор мощностью несколько киловатт с регулируемой частотой преобразования до двух-трех сотен килогерц – задача практически неразрешимая. Таких просто нет в продаже по вполне понятным причинам. Во-первых, очень непроста разработка такого универсального инвертора, пригодного к серийному производству. Во-вторых, у таких унифицированных инверторов нет непосредственного применения в быту. Поэтому производителям бытовой техники проще и дешевле использовать специализированные решения для каждого класса задач (сварка, электропитание, балласты и т.д.).

С другой стороны, для исследовательской лаборатории универсальность и гибкость оборудования – обычно один из самых важнейших критериев, часто перевешивающий остальные. Это несколько смещает акценты в сторону универсальных решений. Конечно, в ряде случаев можно попытаться приспособить некоторые бытовые решения для исследовательских задач. Например, можно приобрести и модифицировать готовый сварочный инвертор для питания низковольтной дуги. Это может оказаться дешевле, чем изготавливать инвертор в непрофильной лаборатории. Или можно переоборудовать компьютерный блок питания для получения среднечастотного инвертора на пару сотен ватт. Но грамотное выполнение таких задач потребует от экспериментатора квалификации не меньше, чем изготовление собственного инвертора, а гибкость и универсальность полученного решения будет весьма невелика.

Приведем еще несколько соображений, почему изготовление самодельного лабораторного инвертора может оказаться неплохим решением.

• 1. Во-первых, «нагрузка» на лабораторный инвертор обычно существенно меньше, чем на бытовые или промышленные образцы. Поэтому лабораторный инвертор может представлять собой скорее макет (прототип), чем промышленный образец, готовый к серийному производству.
  2. Во-вторых, в условиях обычной исследовательской экспериментальной лаборатории нет таких жестких требований к надежности и экономичности устройства, как в промышленности или в быту. Это существенно «облегчает обвязку», связанную с автоматическим контролем функционирования устройства, защитой от внештатных ситуаций и перегрузок. Этот фактор становится еще более весомым, если учесть, что работа с этим оборудованием будет вестись достаточно квалифицированным персоналом.
  3. В-третьих, поскольку речь не идет о серийном выпуске отработанного прототипа, то силовые комплектующие можно взять с большим избыточным «запасом прочности». Одновременно можно упростить и схемотехнические решения, повышающие надежность устройства.
  4. Ну и, наконец, универсальный лабораторный инвертор может (как «конструктор») представлять собой набор отдельных модулей, часть из которых может быть выполнена в виде макетов с навесным монтажом, упрощающих их модификацию, анализ и ремонт. Модернизация и развитие этих модулей («обвязка» защитными и диагностическими цепями, автоматизация защиты и контроля) в условиях ограниченного бюджета может проводиться постепенно, лишь по мере необходимости.

С учетом этих соображений в лаборатории плазмохимии ИХХТ СО РАН был разработан и изготовлен прототип лабораторного инвертора, описанию которого посвящена данная статья. Инвертор может работать в диапазоне частот 60-300 кГц, мощность (для полумоста) – до 2 кВт. Все модули и основные технические детали рассмотрены с детализацией, достаточной для воспроизводства устройства любым квалифицированным экспериментатором, не имеющим специальной подготовки в области силовой электроники. В конце статьи приводятся примеры практического использования макета для нагрева и плавки.
 

Принцип работы полумостового инвертора

Различные варианты инверторов подробно описаны литературе [1, 2]. В данной статье речь пойдет о так называемом двухтактном «полумостовом» инверторе. Блок-схема полумостового инвертора представлена на рис.1.

Рис.1. Блок-схема полумостового инвертора.

Принцип его работы очень прост. Сетевое напряжение выпрямляется и подается на конденсатор C, к которому подключен силовой модуль. Силовой модуль содержит два полупроводниковых ключа (K1 и K2) и конденсаторный делитель (C1 и C2). Нагрузка подключается к общим точкам ключей и конденсаторов делителя. При помощи модуля управления ключи K1 и K2 включаются/выключаются попеременно с заданной частотой, подключая связанный с ними конец нагрузки то к верхней (по схеме), то к нижней шине питания. В результате на нагрузке получается переменное напряжение с амплитудой, равной половине напряжения питания.

Работа такого идеального инвертора, состоящего из идеальных ключей, действительно выглядит довольно просто. Проблемы начинаются тогда, когда мы приступаем к изготовлению реального инвертора из реальных компонентов. Эти проблемы приводят не только к усложнению схемотехнических решений, но и формируют вполне определенные требования к типу используемых компонентов, качеству монтажа, правилам компоновки, запуска и отладки. Без учета большинства этих требований сделать работоспособный инвертор не удается. Дорогие силовые транзисторы будут сгорать либо сразу при включении питания, либо в первые секунды работы.

Рассмотрим вкратце некоторые из этих требований. Более подробно они будут обсуждаться при описании конкретных модулей.

Первое требование — к модулю управления. Оно заключается в том, что работа ключей K1 и K2 должна быть согласованной, т.е. они должны открываться/закрываться попеременно и никогда не должны быть полностью открыты одновременно. Это необходимо для устранения так называемых «сквозных токов», текущих через оба открытых ключа, минуя нагрузку. Обычно это приводит к разрушению ключей. Кроме этого, поскольку реальные ключи имеют конечное (ненулевое) время открытия/закрытия, то открывающие сигналы модуля управления должны подаваться с некоторой задержкой после сигнала закрытия другого ключа. Эти задержки называются «мертвым временем» (dead-time) и должны быть предусмотрены в любом варианте модуля управления.

Другая проблема связана с тем, что все реальные элементы и соединения имеют конечную индуктивность. Поэтому даже при работе на чисто активную нагрузку при закрытии ключей возникают «выбросы» напряжения. Естественно, эти эффекты существенно возрастают при работе на индуктивную нагрузку, которая и нужна для данной задачи. Для решения этой проблемы обычно используют так называемые «возвратные диоды», включенные параллельно ключам. Кроме этого, необходимо выбирать ключи с некоторым запасом по рабочему напряжению (как минимум, вольт на 200).

Еще одна группа проблем связана с паразитными индуктивностями монтажа. Дело в том, что при очень быстром коммутировании больших токов заметные «наводки» появляются даже на очень небольших индуктивностях. С первого взгляда – просто «на пустом месте». Для того, чтобы «почувствовать» эти эффекты, сделаем простую оценку. Пусть мы коммутируем ток ΔJ ~ 10A за время Δt ~ 10нс (10-8 с). Напряжение U, возникающее на индуктивности L, можно оценить как U ~ L ΔJ/Δt. Индуктивность одного дюйма (2.54 см (!)) провода диаметром 1 мм порядка 10 нГн (10-8 Гн). В результате получаем наводку на этом дюйме провода U ~ 10-8*10/10-8 = 10 В (!). Это напряжение сравнимо с напряжением питания микросхем драйверов для управления ключами! Такая наводка вполне может открыть ключ в самый неподходящий момент (например, когда уже открыт второй ключ) со всеми вытекающими печальными последствиями. Поэтому правильная компоновка и монтаж играют особую роль в быстродействующей силовой электронике.

Единого рецепта здесь нет, но нужно придерживаться нескольких простых правил, уменьшающих паразитные индуктивности (либо эффекты от их наличия). Суть этих правил в следующем.

• 1. Силовые проводники, по которым текут коммутируемые токи, нужно делать как можно короче, прямее и толще. Стараться избегать петель таких проводников.
  2. По-возможности, необходимо разделять силовые и управляющие цепи, а сами силовые элементы располагать как можно ближе друг к другу.
  3. При разводке земляных цепей придерживаться правила «одной точки». Всегда нужно помнить о том, что на любом проводнике, по которому течет большой ток, есть разность потенциалов, которая сопоставима с уровнем управляющих сигналов. Поэтому не стоит, например, заземлять различные элементы управляющих цепей в разных точках земляной шины, по которой течет большой импульсный ток. Это чревато непредсказуемой работой управляющего модуля.

На самом деле все не так уж страшно. Более того, многие разработчики указывают правила монтажа для критических узлов в документации к ним. Главное – не делать грубых ошибок. Тогда можно изготовить, пусть не идеальный, но вполне работающий прибор.
 

Предупреждение об опасности

Цепи выпрямителя и силового модуля находятся под высоким напряжением без гальванической развязки от питающей сети. Поэтому при работе с инвертором нужно соблюдать предельную осторожность. ВСЕ МАНИПУЛЯЦИИ с этими модулями можно проводить ТОЛЬКО ПОСЛЕ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ПИТАНИЯ И ПОЛНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ПРИБОРА ОТ СЕТИ!

Описание макета лабораторного инвертора

Перейдем теперь к описанию отдельных узлов лабораторного инвертора. Начнем с выпрямителя.

Выпрямитель

В данной реализации инвертора это самый простой, но и самый громоздкий узел. Он содержит большой и тяжелый ЛАТР (лабораторный автотрансформатор) для регулирования выходного напряжения выпрямителя и один громоздкий низкочастотный развязывающий трансформатор. Выбор такого решения обусловлен следующими причинами.

• 1. На стадии первоначального знакомства с силовой электроникой и отладки желательно иметь возможность плавно регулировать постоянное напряжение, подаваемое на ключи. Самый простой способ, доступный практически в любой экспериментальной лаборатории – это ЛАТР.
  2. Если взять за правило начинать и заканчивать работу инвертора при «нулевом» положении ЛАТРа, то можно избежать необходимости создания специальных цепей для первоначальной зарядки больших электролитических конденсаторов фильтра.
  3. ЛАТР обладает большой индуктивностью, поэтому на первых порах можно убрать высокочастотные фильтры по цепи питания.
  4. На стадии знакомства с силовой электроникой возникает много вопросов, ответы на которые проще найти экспериментально, путем осциллографирования сигналов в различных точках схемы. Поскольку силовые узлы инвертора не имеют гальванической развязки с питающей сетью, то на первых порах ее лучше сделать. Хотя бы для процесса отладки, при работе на малых мощностях. Самый эффективный способ – запитать весь инвертор через развязывающий трансформатор подходящей мощности. Естественно, коэффициент трансформации его должен быть близок к единице. Такая развязка желательна также и для дополнительной безопасности самого экспериментатора при отладке инвертора.

С учетом этих соображений первый вариант регулируемого выпрямителя для лабораторного инвертора получается простым. Его схема представлена на рис.2. Выпрямитель не содержит каких-нибудь дефицитных деталей и узлов, надежен и весьма удобен в работе.

Рис.2. Схема выпрямителя.

Рассмотрим некоторые детали реализации выпрямителя. В качестве выключателя и предохранителей можно взять обычный бытовой сдвоенный автомат на 10-16 ампер. Подходящий 8-амперный ЛАТР можно найти в любой экспериментальной лаборатории «со стажем». При отсутствии ЛАТРа на стадии отладки (при работе на малых мощностях – 200-300 Вт) можно использовать электронный аналог ЛАТРа на биполярных транзисторах (см., например, [3]). При больших мощностях придется делать импульсный регулятор, естественно, со всеми вытекающими последствиями. Поэтому на начальных стадиях лучше все-таки приобрести ЛАТР, хотя стоят они сейчас недешево. Как, впрочем, и другие низкочастотные трансформаторы. Это, кстати, еще один аргумент в пользу перевода лабораторного хозяйства на импульсные преобразователи.

Развязывающий трансформатор TR можно заказать отдельно или же сделать из старого ЛАТРа подходящей мощности. В последнем случае, если использовать уже существующую обмотку ЛАТРа в качестве первичной, нужно обратить особое внимание на межвитковую изоляцию. Желательно хорошенько очистить обмотку от угольной пыли и залить лаком дорожку, где изоляция обмотки снята. В качестве развязывающего трансформатора можно также взять пару силовых (или небольших сварочных) трансформаторов, подходящей мощности и включить их встречно. Например, у трансформаторов 220 на 36 вольт соединить 36-вольтовые обмотки, и использовать 220-вольтовые обмотки как обмотки развязывающего трансформатора. После отладки инвертора развязывающий трансформатор желательно убрать (особенно, если он маломощный).

Диодный мост VD1 лучше выбрать с запасом, ампер на 20-30 и рабочим напряжением 1000 В. Например, KBPC3510, KBU25M и т.п.. Их лучше установить на небольшую металлическую пластину в качестве радиатора, хотя при мощности инвертора 1-2 кВт они практически не греются.

Кнопка S3 и резистор R2 предназначены для разряда конденсатора C1 в случае аварии. Например, при выгорании силовых ключей, на этом конденсаторе может остаться высокое напряжение опасное для жизни. В начале работы с силовой электроникой вероятности аварий достаточно велики, поэтому желательно предусмотреть такой разрядник.

Сам конденсатор C1 – электролитический, с рабочим напряжением не менее 400 В. Он может быть составным. В случае последовательного соединения конденсаторов обязательно нужно поставить выравнивающие резисторы на 150-200 кОм, подключенные параллельно каждому конденсатору. Конденсатор C2 – пленочный, с рабочим напряжением не менее 400 В.

И, наконец, 10-амперный измеритель переменного тока на входе инвертора и вольтметр постоянного напряжения на выходе выпрямителя предназначены для контроля полного тока, потребляемого инвертором из сети, и напряжения, подаваемого на полумост силового модуля. Этот контроль особенно актуален при ручной регулировке мощности инвертора. В качестве вольтметра очень удобно использовать недорогой китайский цифровой мультиметр. К сожалению, такие мультиметры не рассчитаны на длительное измерение больших токов (например, 10-амперный режим – не дольше 10 сек с перерывами 15 мин), поэтому в качестве амперметра проще использовать обычный стрелочный амперметр переменного тока.

Никаких особых требований к компоновке выпрямителя нет. Поскольку по цепям выпрямителя текут довольно большие токи (до 10 А в данном инверторе), то монтаж необходимо выполнять короткими и толстыми проводами сечением не менее 1.5 – 2 мм2. Общий вид одного из вариантов выпрямителя представлен на рис.3 (без развязывающего трансформатора).

Рис.3. Общий вид выпрямителя.

Конечно же, в перспективе желательно заменить такой регулятор с громоздким ЛАТРом на подходящий импульсный регулятор. Во-первых, он гораздо компактнее и, во-вторых, он мог бы обеспечить некоторый запас по мощности (до 6-10 кВт). Однако в данном проекте главная цель – получить реально работающий инвертор для физико-химических экспериментов максимально простым способом. Поэтому остановимся на этом варианте, а импульсный регулятор оставим на будущее.

Перейдем теперь к модулю управления.
 

Модуль управления

Естественно, схемотехника модуля управления определяется тем, какими ключами он будет управлять. В данном инверторе в качестве ключей используются мощные полевые транзисторы с изолированным затвором, известные под аббревиатурой MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) или по-русски — полевые МОП-транзисторы (Метал-Оксид-Полупроводник). Популярно о таких транзисторах можно почитать, например, в [1]. Однако, для данного раздела достаточно просто представлять MOSFET как некий электронный выключатель, который управляется напряжением на затворе (относительно истока). В открытом состоянии сопротивление между истоком и стоком мало (в зависимости от типа транзистора — от нескольких Ом до сотых долей Ома), а в закрытом – велико (десятки МОм и выше). Для большинства транзисторов напряжение на затворе может изменяться в пределах от -20 до + 20 Вольт. Если напряжение на затворе выше порогового (порог обычно от +2 до +4 В) транзистор открывается, если ниже – закрывается.

Таким образом, для управления ключами мы должны подавать на затворы транзистора положительные импульсы с напряжением 12-18 В. Это должны быть две последовательности импульсов, передаваемые по двум отдельным управляющим шинам, сдвинутые по времени относительно друг друга (рис.4). Как уже отмечалось выше, для устранения сквозных токов должны быть предусмотрены паузы (dead-time).

Рис.4. Диаграммы управляющих импульсов.

Существует множество вариантов таких генераторов управляющих импульсов. В данном проекте применено одно из простейших решений на основе распространенной и недорогой микросхемы IR2153. Эта микросхема представляет собой законченный автоколебательный драйвер полумоста для электронных балластов люминесцентных ламп. Драйвер имеет фиксированную длительность dead-time (1.2 мкс). Максимальное время нарастания и спада импульсов 150 и 100 нс, соответственно. Поэтому максимальная частота управляющих импульсов ограничена значением 300-350 кГц.

К сожалению, мощность выходных каскадов этого драйвера (Io+- = 200 мА/400 мА) не позволяет его использовать непосредственно в качестве драйвера затворов полевых транзисторов нашего инвертора. Причина в том, что затворы мощных MOSFET-ов имеют довольно большую емкость (доходящую до нескольких тысяч пикофарад), т.е. драйверы вынуждены работать на большую емкостную нагрузку. Поэтому драйверы должны выдавать большие токи. Иначе время переключения (и, следовательно, тепловые потери) транзисторов будут велики. Оценим эти токи.

В данном проекте в качестве ключей используются транзисторы IXFh40N50. Производитель декларирует суммарную емкость затвор-исток и затвор-сток Ciss = 5200-5700 пФ. Однако, в действительности реальная (эффективная) емкость затвора гораздо больше. Здесь для оценки нужно брать полный заряд, который необходимо передать затвору для того, чтобы транзистор полностью открылся. Обычно эта величина тоже приводится в datasheet. Для IXFh40N50 Qg(on) ~ 200-300 нКл. Таким образом, для напряжения затвор-исток 10 В получаем Cэфф ~ 20-30 нФ. Это в 4-6 раз больше, чем Ciss! Для того, чтобы время включения транзистора было порядка 100 нс, драйвер должен заряжать емкость затвора током порядка (2-3)*10-7 Кл / 10-7 сек ~ 2-3 A. Такой ток драйвер IR2153 выдать не может. Поэтому в данном проекте IR2153 используется только как задающий генератор, сигналы которого затем будут усиливаться. Схема генератора представлена на рис.5.

Рис.5. Генератор управляющих импульсов на IR2153.

С выводов 5 (LO) и 7 (HO) мы получим сигналы, точно совпадающие с сигналами, представленными на рис.4. Резисторы R3 и R4 и конденсатор C3 определяют частоту генерирования импульсов. Для указанных номиналов при помощи резистора R3 эту частоту можно изменять в пределах приблизительно от 60 до 300 кГц.

Для усиления сигналов генератора управляющих импульсов существует множество схемотехнических решений, как на дискретных элементах, так и специализированные интегральные микросхемы (см., например, [4, 5]). В данном инверторе был применен не самый дешевый, но зато очень простой вариант. Были использованы 6-амперные быстрые драйверы MAX4420. Естественно, вместо этих драйверов можно поставить продукты других производителей или собрать их на комплементарных парах транзисторов (полевых или биполярных). Главное условие – они должны быть быстродействующими (фронты и спады – до сотни наносекунд) и обеспечивать токи несколько ампер. Однако проще и экономичнее – готовые интегральные драйверы. Схема включения драйверов MAX4420 показана на рис.6.

Рис.6. Фрагмент модуля управления.

С выходов L и H мы получим усиленные управляющие импульсы, по форме совпадающие с сигналами на рис.4.

Теперь осталось рассмотреть очень важный и непростой вопрос — согласование уровней управляющих сигналов. Поскольку в основу силового модуля у нас положен полумост, то возникает известная проблема управления верхним плечом полумоста. Нам необходимо, чтобы драйвер верхнего плеча выдавал управляющие импульсы не относительно земли (как на рис.6), а относительно уровня истока верхнего транзистора (т.е. US1, рис.7). Это уровень может изменяться в течение рабочего цикла приблизительно от 0 (нижний ключ открыт, верхний закрыт) до напряжения питания (нижний ключ закрыт, верхний открыт).

Рис.7. К согласованию уровней управляющих импульсов полумоста.

Существуют несколько схемотехнических решений для сдвига уровня сигнала верхнего плеча. Они делятся на два класса: с гальванической развязкой и без. К первому классу относятся системы с оптической развязкой и на импульсных трансформаторах. Ко второму классу относятся, в частности, бутстрепные (bootstrap) схемы. Не вдаваясь в детали, отметим, что бутстрепные схемы удобны при реализации хорошо отлаженных решений. Однако на стадии освоения силовой электроники они доставляют немало огорчений. Из-за отсутствия гальванической развязки при тепловом пробое силовых транзисторов часто выгорает также и весь модуль управления (вплоть до задающего генератора). Поэтому в данной работе использован вариант с гальванической развязкой в виде импульсного трансформатора. На частотах десятки-сотни килогерц изготовление импульсных трансформаторов на ферритовом кольце не представляет никаких трудностей. При наличии осциллографа нет проблем ни с корректировкой количества витков, ни с подгонкой параметров снабберов, гасящих паразитные выбросы и осцилляции. Полная схема модуля управления с трансформаторной развязкой представлена на рис.8.

Рис.8. Полная схема модуля управления с трансформаторной развязкой.

Поскольку драйверы MAX4420 работают на индуктивную нагрузку, на их выходы нужно поставить диоды VD6-VD9. Можно использовать любые быстрые диоды SF, HER, UF и т.п. Снаббер C7-R5 предназначен для подавления выбросов напряжения при работе на индуктивную нагрузку. Кроме этого, C7 удаляет постоянную составляющую.

Импульсный трансформатор можно рассчитать, а можно просто подобрать экспериментально по качеству сигналов на нагрузке, моделирующей затворы MOSFET. При подборе количества витков можно руководствоваться простым правилом: количество витков должно быть максимально возможным, но при этом сердечник трансформатора не должен уходить в насыщение. При слишком малом количестве витков импульсы на вторичных обмотках имеют спадающий характер (т.е. у прямоугольных импульсов нет «полочки»), при слишком большом – наоборот. Сердечник насыщается, магнитная проницаемость падает и всплески получаются в конце импульсов. Во всем рабочем диапазоне импульсы должны иметь плоские вершины. Параметры трансформатора, использованного в данном инверторе, указаны на схеме. Размеры сердечника несколько избыточны, но для данной конструкции это не важно. Мотать обмотки лучше сразу в три провода, параллельно или перевив их, равномерно распределяя витки по сердечнику. На рис.9 представлен вид модуля управления, собранного на макетной плате.

Рис.9. Общий вид макета модуля управления.

Особых требований к монтажу здесь нет, кроме обычных правил для импульсных схем. Нужно стараться располагать компоненты поближе к друг другу, соединительные провода должны быть покороче и попрямее. Конденсаторы C4, C5 и C6 необходимо располагать непосредственно у корпусов соответствующих микросхем у ножек питания. В данном инверторе модуль управления неплохо работает и просто на макетной плате (как на рис.9).

Питание модуля управления осуществляется от единого нестабилизированного источника постоянного напряжения (20В, 8А), представляющего собой накальный трансформатор, выпрямительный мост и электролитический конденсатор на 1000 мкф в качестве фильтра. Для получения стабилизированных напряжений 12В и 15В используются микросхемы стабилизаторов LM7812 и LM7815, включенных согласно datasheet. В принципе, драйвер IR2153 содержит внутри стабилитрон, поэтому его можно просто запитать через резистор от тех же стабилизированных 15В. Но для повышения помехоустойчивости лучше его запитать через отдельный стабилизатор. От этого же общего нестабилизированного источника питается и вентилятор силового модуля (через еще одну LM7812 с небольшим радиатором). На рис.9 эти стабилизаторы находятся в левой части платы.

На рис.10 представлена осциллограмма сигнала на выходе блока управления (на конденсаторах Cэфф = 3300 пФ, на щупе осциллографа – делитель 1:10).

Рис.10. Осциллограммы управляющих сигналов на эквивалентах затворов (нижнее плечо слева и верхнее — справа).

Фронты и спады на емкостную нагрузку порядка 130-160 нс, «полочки» хорошо выражены, выбросы не превышают 0.5В. Необходимо учесть, что эффективная емкость реальных транзисторов гораздо больше (как правило, в 4 и более раз), поэтому при работе на реальные затворы фронты будут положе.

Подобная форма импульсов и длительности переходов сохраняются во всем рабочем диапазоне 60-300 кГц (см. рис.11). На этом рисунке представлены осциллограммы на границах диапазона. Видно, что спад вершины импульса при низких частотах (правая осциллограмма) несущественный.

Рис.11. Форма сигналов на высоких (306 кГц) и низких (62 кГц) частотах.

В заключение этого раздела отметим еще один положительный момент, связанный с применением трансформаторной развязки. Такое включение трансформатора, как на рис.8, превращает наш однополярный драйвер в двухполярный. Т.е. в полупериод, когда транзистор силового модуля должен быть закрыт, на его затвор подается отрицательный импульс (а не ноль, как в однополярном). Для приборов с изолированным затвором это допускается. Подача отрицательного сигнала на затвор позволяет существенно повысить помехоустойчивость силового модуля от наводок, избежать ложных срабатываний (открытий) транзисторов без дополнительных «обвязок» их затворов.
 

Силовой модуль

Как уже отмечалось выше, в данном инверторе силовой модуль представляет собой полумост. Его полная схема представлена на рис.12.

Рис.12. Схема силового модуля.

В качестве ключей использованы транзисторы IXFh40N50 фирмы IXYS. Они почему-то гораздо дешевле аналогичных приборов других производителей. Эти транзисторы рассчитаны на ток до 30 А и рабочее напряжение до 500 В. Сопротивление «исток-сток» в открытом состоянии – 0.16 Ом. Можно было бы поставить и менее мощные транзисторы, но экономия будет несущественной, а запас мощности никогда не помешает. Единственной веской причиной для использования транзисторов попроще было бы уменьшение емкости затвора и заряда, необходимого для открытия транзистора. Но в данной разработке мы используем драйверы достаточно мощные и для этих транзисторов.

В цепях затворов мы используем только резисторы R7 и R8, которые ограничивают токи зарядки емкостей затворов и гасят высокочастотный «звон». В данном варианте силового модуля никаких дополнительных элементов в цепях затворов нет.

Силовые транзисторы шунтированы возвратными диодами VD10 и VD11. В принципе, их можно не ставить, так как используемые транзисторы (IXFh40N50) сами содержат не такие уж плохие внутренние диоды (trr <250 нс). Однако, если работать на повышенных частотах (сотни килогерц), лучше поставить сверхбыстрые диоды. Под рукой оказались MUR860 с trr <60 нс, ток 8 А и напряжение 600 В. Вместо них можно использовать другие сверхбыстрые диоды (например, HER или SF), сопоставимые по параметрам. Можно взять и менее мощные (по току) диоды, но тогда их желательно разместить в зоне обдува радиаторов транзисторов.

Снабберы R9-C8 и R10-C9 также шунтируют ключи. Они служат для подавления выбросов и особенно желательны при работе на индуктивную нагрузку. Резисторы R9 и R10 заметно греются, поэтому их лучше разместить в зоне обдува, либо использовать более мощные резисторы (5 – 10 Вт). Конденсаторы C8 и C9 должны быть рассчитаны на напряжение не менее 600-800 В.

Конденсаторы C10 и C11 тоже должны быть высоковольтными (не менее 400 В) и пленочными. Если они будут монтироваться вне зоны обдува, то лучше их собрать из нескольких (3-4) конденсаторов меньшей емкости, включенных параллельно. В данной работе каждый конденсатор собран из трех по 0.47 мкФ. Их нагрев был незначительным даже без обдува.

Теперь немного о конструкции силового модуля.

Несмотря на то, что мы взяли довольно мощные транзисторы, нагрев их в процессе работы будет все-таки ощутимым. Высоковольтные MOSFET имеют, к сожалению, все-таки достаточно высокое сопротивление открытого канала. Действительно, даже в полностью открытом состоянии на транзисторе будет выделяться порядка 10-16 Вт тепла (0.16 Ом * (10 А)2 = 16 Вт). Плюс еще потери при переключении и еще при повышенных частотах. Поэтому ключи обязательно необходимо размещать на радиаторах. Разумные размеры радиаторов получаются при условии их принудительного обдува. Очень удобно использовать для этой цели кулеры (теплосъемники) мощных компьютерных процессоров. Они содержат радиатор и вентилятор, объединенные в одну конструкцию. В последние годы ассортимент кулеров сильно расширился, и они заметно упали в цене. Цена бывшего в употреблении кулера, даже с медным радиатором и сносно работающим вентилятором, гораздо ниже стоимости большого дюралюминиевого радиатора. Такой кулер и был положен в основу конструкции силового модуля, представленного на рис.13.

Рис.13. Силовой модуль.

Транзисторы VT1 и VT2 размещены на изолирующих прокладках из слюды непосредственно на подошве радиатора. Остальные компоненты припаяны к выводам этих транзисторов и, по сути дела, на них и держатся. Термопара для контроля температуры транзисторов размещена сверху и прижата к медному основанию радиатора тоже через изолирующую прокладку. Прокладка необходима для устранения наводок на термопару, так как радиатор не заземлен и находится под плавающим потенциалом.

Ну вот, по сути дела, и весь инвертор. Осталось соединить все модули вместе и приступить к испытаниям.
 

Первое включение инвертора

Для первого включения необходимо подключить развязывающий трансформатор и небольшую активную нагрузку. В качестве нагрузки возьмем лампу накаливания на 100 Вт. Вид собранного для испытаний инвертора представлен на рис.14.

Рис.14. Готовый к испытаниям инвертор.

Первое испытание инвертора проводим по шагам.

Шаг 1. Еще раз проверяем правильность монтажа и сборки инвертора. Полезно убрать все лишнее со стола.

Шаг 2. Включаем питание блока управления. Только блока управления! Высокое напряжение пока не включаем. Смотрим на экране осциллографа сигналы на затворах ключей. Земляной разъем щупа осциллографа подключаем к истоку соответствующего транзистора. Сигналы должны быть похожи на сигналы, представленные на рис.10. В зависимости от используемых транзисторов и драйверов фронты могут быть более пологие. Обязательно проверяем фазировку сигналов. Для этой цели, конечно, лучше двухлучевой осциллограф, но можно и однолучевым. В последнем случае запуск развертки осциллографа необходимо выполнять от отдельного сигнала синхронизации. В качестве такого сигнала удобно использовать один из выходов IR2153 (см. рис.8). Осторожнее с земляными разъемами щупов! В данном случае мы используем трансформаторную развязку, поэтому земляной разъем щупа в силовом блоке можно спокойно подключать к истокам обоих транзисторов полумоста. В противном случае для сигнала синхронизации нужно сделать развязку. Иначе могут быть большие искры.

Шаг 3. Если шаг 2 пройден успешно, подключаем щупы осциллографа параллельно нагрузке. Проверяем положение ручки ЛАТРа. Она должна быть на нуле! После этого включаем высокое напряжение. ЛАТРом плавно поднимаем напряжение до 15-20 В. Контролируем это напряжение по вольтметру выпрямителя. На экране осциллографа мы должны увидеть импульсы напряжения на нагрузке, симметричные относительно нуля (как на рис.15 слева).
 

Рис.15. Осциллограммы сигналов на активных нагрузках. Высокоомная (лампочка 100 Вт, 40 Ом) слева, низкоомная (лампочка 500 Вт, 8 Ом) справа. Щуп с делителем 1:10.

На самом деле это осциллограммы с шага 5. Но на этом шаге сигналы должны быть точно такие же, только меньшей амплитуды. Я их привел здесь для того, чтобы обсудить их форму. Мы видим медленно спадающие в течение dead-time «хвосты» на высокоомной нагрузке (рис.15 слева). Это связано с тем, что в течении dead-time оба транзистора закрыты. Поэтому чисто активная нагрузка вместе со щупом осциллографа просто, как говорят, «висит в воздухе». При отсутствии нагрузки (бесконечное сопротивление) потенциал средней точки (между ключами) вообще не изменяется в течение dead-time. Поэтому не нужно обращать внимание на эти хвосты. При уменьшении сопротивления нагрузки форма сигнала будет приближаться к классической (с «плечиками» dead-time). Чтобы убедиться в этом можно взять более мощную лампочку с меньшим сопротивлением нити накала или вообще другую нагрузку с сопротивлением 10-20 Ом. Осциллограммы для лампочки на 500 Вт приведены на рис.15 справа. Мы видим, что все работает правильно.

Продолжим работу с лампочкой на 100 Вт.

Шаг 4. Изменяем частоту инвертора от минимума да максимума. Форма импульсов не должна радикально меняться. По крайней мере они должны оставаться симметричными относительно нуля.

Шаг 5. Если на шаге 3-4 все нормально, постепенно увеличиваем напряжение до 100-120 вольт. Спираль лампочки начнет светиться. Первая мощность от инвертора получена! «Погоняем» его так минут 30-40. Температура радиатора не должна заметно уходить от комнатной.

Шаг 6. Если осциллограф не позволяет работать при высоких напряжения, то отключим щуп и плавно выведем напряжение на уровень 300-310 В. Лампочка ярко светится. Следим за температурой радиаторов. Если нагрев существенный – придется все-таки возиться с разрядкой затворов MOSFET. В моих экспериментах в течение часа температура радиаторов превысила комнатную лишь на 2-3 градуса. Не таким уж страшным оказалось наше «недозакрывание» транзисторов. Спокойно работаем дальше. Общий вид инвертора во время этого шага представлен на рис.16.

Рис.16. Общий вид инвертора в процессе испытаний (через час работы на шаге 6).

Шаг 7. Быстро выводим ЛАТР в 0 и быстро выключаем все питание (сначала высокое, затем — питание модуля управления с вентилятором). Внешней стороной пальца проверим температуру резисторов снабберов и конденсаторов делителя (R9, R10 и C10, C11). Они не должны быть горячими. Заодно проверим и радиатор. Так, на всякий случай. Вдруг у термопары – плохой тепловой контакт.

Все. Первые испытания инвертора закончены. Теперь можно переходить к индукционному нагреву.
 

Индукционный нагрев

Индукционный нагрев это технология, связанная с возбуждением вихревых токов в проводящих образцах для их нагрева. В настоящее время индукционный нагрев широко используется в различных отраслях промышленности и даже в быту (например, бытовые индукционные плитки). Однако, в исследовательской лаборатории индукционный нагрев – пока еще экзотика. Может быть лабораторный инвертор, о котором идет речь в данной статье, облегчит внедрение технологий индукционного нагрева в практику физико-химического эксперимента. Мы продемонстрируем замечательные возможности высокочастотных инверторов на одном красивом примере. Это – плавка металла (алюминия) во взвешенном состоянии. Иногда этот процесс называют плавкой в электромагнитном тигле или просто «левитационной плавкой» (с англоязычного термина «levitation melting»). Здесь высокочастотное электромагнитное поле не только греет и плавит металл, но и удерживает его в пространстве без каких-нибудь тиглей или ограничивающих стенок. Для того, чтобы осуществить такую плавку, нам необходимо изготовить водоохлаждаемую нагрузку с индуктором специальной формы и предусмотреть в системе некоторую дополнительную диагностику. Начнем с нагрузки.
 

Нагрузка

Эквивалентная схема нагрузки для индукционного нагрева и плавки представлена на рис.17.

Рис.17. Эквивалентная схема нагрузки для индукционного нагрева.

Трансформатор TR2 изготовлен из двух колец К 45х28х12. Марка феррита М 2000 НМ. Первичная обмотка – 26 витков провода МГТФ 0.75. Эта обмотка подсоединяется непосредственно к выходу инвертора. Роль вторичной обмотки, состоящей из одного витка, выполняет одна из отводных трубок индуктора (медь, диаметр 6 мм), проходящая через центр кольца трансформатора. Индуктор представляет собой катушку, содержащую несколько витков (медная трубка диаметром 4 мм). Индуктор вместе с конденсатором C образует последовательный колебательный контур, на резонансную частоту которого должен быть настроен инвертор. Нагреваемый образец, помещенный в индуктор на эквивалентной схеме можно представить как активное сопротивление, индуктивно связанное с индуктором.

Конструкция собранной нагрузки со специальным индуктором для плавки во взвешенном состоянии показана на рис.18 слева.

Рис.18. Общий вид нагрузки и дополнительной диагностики.

Поскольку данная статья посвящена, в основном, инвертору, а не тонкостям индукционного нагрева, отметим только самые важные моменты, касающиеся конструкции нагрузки.

Во-первых, в нашем колебательном контуре проходят весьма большие токи (сотни ампер). Поэтому медные трубки, образующие индуктор и подводы к нему, при больших мощностях довольно сильно нагреваются. Их нужно обязательно охлаждать. Проще всего использовать водяное охлаждение непосредственно из водопровода. Поскольку в контуре имеется высокое напряжение, необходимо предусмотреть электрическую развязку индуктора от водопровода. Для этого подвод воды делаем тонкими длинными диэлектрическими трубами. Длина этих труб зависит от проводимости водопроводной воды. Проводимость воды в лаборатории автора составляет величину порядка 100 мкСм/см, поэтому развязка в виде трубок диаметром около 6 мм и длиной 5-6 м имеет достаточное для электрической развязки сопротивление (около 50 Мом). Желательно также контролировать и температуру охлаждающей воды. Это легко сделать при помощи металлической вставки в сливной тракт. К ней можно прикрепить термопару, подключенную к недорогому китайскому тестеру, в котором есть режим измерения температуры (рис. 18 в левом верхнем углу). Очень удобно — сразу видно, если забыл включить воду для охлаждения.

Во-вторых, конденсатор C колебательного контура должен быть рассчитан на довольно большую реактивную мощность. Необходимо использовать либо специальные конденсаторы для индукционного нагрева, либо набирать батарею из достаточно большого количества пленочных конденсатором меньшей емкости, включенных параллельно. В данном контуре конденсаторная батарея содержит 40 полипропиленовых высоковольтных конденсаторов CBB81. Емкость каждого конденсатора — 0.033 мкФ, рабочее напряжение 2 кВ. Общая емкость батареи – 1.32 мкФ. Тангенс угла потерь их составляет 0.0008. Поэтому на каждом конденсаторе выделяются в виде тепла лишь десятые доли ватта. Конденсаторы смонтированы свободно и хорошо охлаждаются конвективными потоками воздуха. Поэтому, даже после получаса работы на максимальной мощности они нагреваются незначительно (на 10-20 градусов).

И, в-третьих. Для устойчивой левитационной плавки, конструкция катушки индуктора должна иметь специальную форму. В данном случае индуктор выполнен из медной трубки диаметром 4 мм в виде конуса. Угол между образующей и горизонталью равен 65°. Индуктор содержит четыре витка в прямом направлении и один – в обратном (противовиток). Это нужно для того, чтобы внутри индуктора была область, в которой поле меньше, чем вокруг нее. Проводник, помещенный в переменное электромагнитное поле, выталкивается в область меньших полей. Поэтому без области с минимальным полем положение образца внутри индуктора будет неустойчивым. Для левитационной плавки небольших образцов коническая конструкция индуктора с противовитком – одна из самых простых, но эффективных. Подробнее о плавке во взвешенном состоянии и сравнительный анализ различных конструкций индукторов см. в [5, 6].
 

Дополнительная диагностика

Для «ручной» настройки инвертора на резонанс при работе с резонансной нагрузкой и оптимизации процесса нагрева полезно добавить к установке еще пару измерителей, связанных с током, потребляемым нагрузкой.

Первый измеритель предназначен для контроля среднеквадратичного тока. Это трансформатор тока с двухполупериодным выпрямителем. Первичная обмотка представлена проводом, идущим от инвертора к нагрузке и проходящим через центр небольшого ферритового кольца. На этом кольце намотана вторичная обмотка (20 – 30 витков провода с выводом от середины обмотки). Далее при помощи двух диодов сигнал выпрямляется, фильтруется и измеряется при помощи обычного китайского мультиметра.

Второй измеритель также представляет собой трансформатор тока, идущего в нагрузку, но служит для контроля осциллограммы сигнала. Он устроен практически так же, как и в предыдущем случае, но вторичная обмотка не содержит вывода из центра и нагружена на резистор в несколько сотен Ом. С этого резистора сигнал подается на осциллограф. Очень удобно при настройке на резонанс и контроле нештатных ситуаций.
 

Проверка работоспособности установки индукционного нагрева

Включаем воду охлаждения и все измерители, необходимые для контроля процесса. Далее, сначала включается питание модуля управления и вентилятора, а затем – источник высокого напряжения (выпрямитель). Плавно при помощи ЛАТРа увеличиваем напряжение до 30-50 В. Затем, медленно изменяя частоту инвертора (резистор R3 на рис. 8), пытаемся настроить инвертор на резонанс. Резонанс настраиваем по максимуму тока, потребляемого нагрузкой, контролируя его амплитуду по осциллографу. После настройки на резонанс увеличиваем при помощи ЛАТРа напряжения на силовом модуле до нужного уровня. Установка для индукционного нагрева готова к работе.

Выключение производится в обратном порядке. Сбрасываем высокое напряжение (выводим ЛАТР в 0), затем выключаем его. После этого выключается источник питания модуля управления. Дальше – в произвольном порядке.

Настройку на резонанс приходится выполнять не так уж часто. Опыт показал, что при внесении в индуктор небольших ферромагнитных образцов, расстройка контура не приводит к фатальному уменьшению поглощаемой образцом мощности и он греется достаточно хорошо даже без дополнительной подстройки частоты. При работе с немагнитными материалами резонансная частота вообще практически не «уходит».

На рис. 19 и рис. 20 представлены два примера, иллюстрирующие работу инвертора в качестве индукционного нагревателя. Первый вариант – ферромагнетик (просто — ручка надфиля), второй – немагнитный (кусок нержавеющей трубки). По ссылкам ниже можно загрузить видео, показывающие весь процесс. Ни в том, ни в другом случае никакой дополнительной подстройки частоты не производилось.

Рис.19. Нагрев ферромагнитного материала.

Рис.20. Нагрев немагнитного материала.

При помощи пирометра ПД-4-02 была оценена температура графитового образца, помещенного в индуктор, на воздухе, без теплоизоляции. При максимальной мощности она была около 1300-1350°С. Так что для небольших трубчатых печей с графитовым нагревателем наш инвертор вполне подходит. Перейдем теперь к плавке.

 

Левитационная плавка

Плавка во взвешенном состоянии – довольно увлекательное занятие. В качестве образца для плавки выбран кусочек алюминия весом 2.6 гр. Отдельные кадры, иллюстрирующие процесс плавки, приведены на рис.21. Полное видео плавки можно загрузить по ссылке ниже.

Рис.21. Процесс плавки во взвешенном состоянии.

Во взвешенном состоянии образец может находиться неограниченно долго. Положение его довольно устойчивое. Оценка температуры верхушки образца (в расплавленном состоянии при максимальной мощности) была сделана тем же пирометром ПД-4-02 без поправки на излучательную способность перегретого алюминия. Она равна 1150-1200°С.
 

Заключение и выводы

Двухнедельная работа с описанным в данной статье лабораторным инвертором показала, что эта конструкция вполне может «трудиться» в исследовательской лаборатории в качестве устройства для индукционного нагрева и плавки. За это время было расплавлено более полусотни образцов алюминия, около десятка образцов стали и несколько образцов меди. Большинство плавок алюминия были выполнены во взвешенном состоянии. Масса образцов 2-3 гр. Масса стальных и медных образцов тоже составляла несколько грамм. Плавки проводились как в графитовых тиглях, так и без них.

Инвертор работал стабильно. Во всех этих экспериментах не случилось никаких нештатных или аварийных ситуаций. Никаких перегревов или взрывов транзисторов и других компонентов также не произошло. По сути дела, работа с инвертором ничем не отличалась от работы с любым другим несложным лабораторным прибором.

Так что можно считать, что цель создания простого лабораторного инвертора для индукционного нагрева и плавки небольших образцов металлов достигнута.

Естественно, в процессе разработки и практической работы с инвертором накопился список необходимых модернизаций и улучшений, которые желательно провести в ближайшем будущем. Первые в очереди из них перечислены ниже.

• 1. Выпрямитель. Хотелось бы убрать громоздкий регулятор напряжения на ЛАТРе и поставить что-нибудь более современное, компактное и главное – с запасом по мощности.
  2. Модуль управления. Желательно удешевить «оконечники» (усилители) и выбрать более доступные компоненты. В принципе, здесь ничего сложного нет. Нужно просто проанализировать существующие в большом количестве решения и выбрать наилучшее.
  3. Трансформаторные развязки. В данной конструкции мы использовали самые простые решения. Мы «заплатили» за эту простоту качеством сигналов и сравнительно пологими фронтами импульсов. В принципе, работать можно, транзисторы греются приемлемо. Однако, лучше поработать в этом направлении дополнительно.
  4. Силовой модуль. Желательно увеличить мощность инвертора до 4-5 кВт. В принципе, можно увеличить мощность в два раза, практически ничего не меняя в схемотехнике. Для этого достаточно перейти с полумоста на полный мост. Добавится еще один кулер с парой транзисторов с «обвязкой» и пара дополнительных обмоток на импульсном трансформаторе блока управления.

Поскольку лабораторный инвертор имеет модульную структуру, то все эти модификации легко делать параллельно, не выводя инвертор надолго из работы. Возможно, в результате этих модификаций удастся создать действительно «бюджетный» вариант лабораторного инвертора. Это способствовало бы более широкому внедрению технологий индукционного нагрева в лабораторную практику.
 

Литература

 

1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 416 с.
2. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М. Техносфера, 2005. – 632 с.
3. Шандренко Д.А. Транзисторный регулятор напряжения.
   http://electroscheme.org/2007/08/13/tranzistornyjj_reguljator_naprjazhenija.html
   или
   http://www.radiolub.orsk.info/Shems/Shems2/tr_reg.htm
4. Design Tips DT92-2A: High Current Buffer for Control IC’s.
   http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt92-2.pdf
   См. русский перевод: Мощный буфер тока для управления затворами МОП-транзисторов
   http://vcoder.flyback.org.ru/electronics/power_buffer/Power%20buffer.pdf
5. Фогель А.А. Индукционный метод удержания жидких металлов во взвешенном состоянии. Л. Машиностроение, 1979. – 104 с.
6. Глебовский В.Г., Бурцев В.Т. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии. М. Металлургия, 1974. – 176 с.

Благодарности

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ОХНМ РАН (проект №5.5.3) и ГК № 02.740.11.0269.
 

Приложение

 

Рис.22. Общая схема инвертора.

Думайте, что индукционный нагрев предназначен только для сварки труб? Подумайте еще раз

Home / Подумайте, что индукционный нагрев предназначен только для сварки труб? Подумай еще раз

Широко используемый для сварки труб, индукционный нагрев также является гибким вариантом для сварки плоских пластин и других применений, которые связаны с широким диапазоном размеров и геометрий деталей и требований к нагреву.

Хотя индукция является широко используемым методом термообработки при изготовлении и сварке труб, многие люди могут не осознавать, что этот метод также предлагает большую гибкость и преимущества при сварке деталей с другой геометрией, включая плоские пластины.

Приложения, для нагрева которых обычно требуются часы, могут быть выполнены за считанные минуты за счет использования индукционного нагрева и различных вариантов с жидкостным, прокатным или воздушным охлаждением. В зависимости от размера и геометрии детали индукционные системы могут использовать различные компоненты для нагрева. (первый вид)

Приложения, для нагрева которых обычно требуются часы, могут быть выполнены за считанные минуты за счет использования индукционного нагрева и различных вариантов с жидкостным, прокатным или воздушным охлаждением.В зависимости от размера и геометрии детали индукционные системы могут использовать различные компоненты для нагрева. (второй вид)

Правильная обмотка катушки и размещение термопары имеют решающее значение для обеспечения наилучших результатов при индукции. На этой фотографии демонстрируется неправильная намотка катушки, из-за которой может не хватить мощности для отопления. Для достижения наилучших результатов все витки катушки должны быть в одном направлении — например, все по часовой стрелке или все против часовой стрелки.Избегайте витков катушки под углом 180 градусов или зигзагообразной конфигурации.

Индукционная технология предлагает множество преимуществ во многих сварочных операциях, требующих предварительного нагрева и снятия напряжений с деталей. Индукция обеспечивает равномерное нагревание, более быстрое достижение температуры детали, простоту использования и безопасность в эксплуатации. Хотя индукция является широко используемым методом термообработки при изготовлении и сварке труб, многие люди могут не осознавать, что этот метод также предлагает большую гибкость и преимущества при сварке деталей с другой геометрией, включая плоские пластины.Чтобы помочь развеять представление о том, что индукционный нагрев может использоваться только для сварки труб, в этой статье обсуждаются некоторые ключевые передовые практики, которые помогут добиться успеха при использовании индукционного нагрева в плоских пластинах.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНДУКЦИИ
Индукционный нагрев — это процесс нагрева с использованием источника энергии, который быстро нагревает деталь и удерживает ее на этом уровне. Он предлагает преимущества в отношении безопасности, качества и эффективности, которых нет в других методах нагрева, таких как открытый огонь и резистивный нагрев.Системы индукционного нагрева быстро нагревают токопроводящие металлы, вводя ток в деталь. Индукция не полагается на нагревательный элемент или пламя для передачи тепла. Вместо этого через нагревательное устройство проходит переменный ток, создавая вокруг него магнитное поле. Когда магнитное поле проходит через заготовку, оно создает в ней вихревые токи. Сопротивление металла борется с потоком вихревых токов, выделяя тепло в детали. Деталь становится своим собственным нагревательным элементом, нагреваясь изнутри, что делает индукцию очень эффективной, поскольку при этом теряется мало тепла.

Приложения, для нагрева которых обычно требуются часы, могут быть выполнены за считанные минуты за счет использования индукционного нагрева и различных вариантов с жидкостным, воздушным охлаждением и прокатки. Поскольку в системах индукционного нагрева могут использоваться различные компоненты для нагрева, в зависимости от размера и геометрии детали, это делает их очень гибким вариантом.

ГИБКИЙ ВАРИАНТ ДЛЯ ПЛОСКОЙ ПЛИТЫ
Необходимость сваривать плоские листы или плоские компоненты часто встречается во многих отраслях промышленности, включая ремонт оборудования в горнодобывающей промышленности, сварку балок конструкционной стали, мостовые работы, судостроительные верфи и баржи.В случае плоских пластин, требующих предварительного нагрева или снятия напряжения после сварки, операции могут включать использование горелки или нагрева открытым пламенем для доведения детали до температуры. Пламенный метод может вызвать проблемы с устойчивостью нагрева, особенно на больших или очень толстых заготовках, а также в сложных погодных условиях на открытых стройплощадках, таких как ветер или дождь. Напротив, индукция — это вариант, который обеспечивает постоянство нагрева во многих условиях, гибкость для различных размеров и форм деталей, быстрое нагревание до температуры и простоту использования.Его можно использовать на очень толстых стальных балках, на больших заготовках и в небольших ограниченных пространствах. Он также предлагает простоту использования независимо от погодных условий — ветер и дождь не будут мешать индукции, как они могут с пламенем, — а также преимущества безопасности по сравнению с нагревом пламенем.

Кроме того, существующие сегодня системы индукционного нагрева предлагают варианты для размещения деталей различной геометрии. Доступны различные конфигурации индукционных катушек, которые располагаются на верхней части пластины и не должны быть намотаны вокруг детали.В конструкции индукционной катушки соленоид или спиральная катушка — это катушка, которая обычно оборачивается вокруг детали, в то время как блинная катушка (которая по форме похожа на нагревательный элемент плиты) может лежать на детали и растягиваться, чтобы покрыть большую площадь. В приложениях с плоскими пластинами операторы обычно используют блинную катушку или индукционное одеяло. Индукционные катушки могут иметь форму, подходящую для небольших, ограниченных участков, а также их можно распределить по большой площади, чтобы нагреть большую заготовку до температуры.Например, один длинный змеевик можно использовать для нагрева 40-футовой стальной балки. Кроме того, можно использовать изоляцию или магнитные зажимы, чтобы удерживать блинную катушку напротив плоской пластины, что полезно в тех случаях, когда заготовка находится в вертикальном положении.

Также важно отметить, что конфигурации индукционной катушки могут использоваться для нагрева одной стороны детали и нагрева всей детали при сварке плоских листов. Так, например, если сварщик работает с одной стороны листа, индукционная катушка может нагреваться с противоположной стороны.Это позволяет одновременно производить индукционный нагрев и сварку, а также экономить время на настройку и переход к следующей части. Это также обеспечивает комфорт оператора.

ПРОСТОТА ДОКУМЕНТАЦИИ ТЕМПЕРАТУР
Теперь доступны системы индукционного нагрева, которые предлагают возможности цифровой записи, что позволяет легко отслеживать и документировать уровни температуры. Это важно во многих сварочных операциях, когда для обеспечения качества важно обеспечить соблюдение нормативных требований или требований заказчика в отношении температур термообработки.Возможность цифровой записи этой информации обеспечивает большую простоту использования, эффективность и точность по сравнению с записью этих данных вручную. Даже в ситуациях, когда документирование уровней температуры не требуется, этот вариант может обеспечить сварочные операции с конкурентным преимуществом, поскольку они могут доказать клиентам, что при термообработке использовались надлежащие уровни температуры.

СОВЕТЫ И НАИЛУЧШИЕ ПРАКТИКИ
При использовании индукционной термообработки при сварке следует помнить о нескольких передовых методах, которые могут помочь добиться успеха.

• Намотка катушки : Найдите время, чтобы правильно намотать катушку на деталь. Неправильная намотка змеевика может привести к тому, что мощность будет недостаточной для удовлетворения требований нагрева. Для достижения наилучших результатов все витки катушки должны быть в одном направлении, например, все по часовой стрелке или все против часовой стрелки. Избегайте витков катушки под углом 180 градусов или зигзагообразной конфигурации. Кроме того, любая неиспользуемая часть змеевика — например, концы — должна быть скручена или связана вместе стяжками, лентой, веревкой или веревкой, чтобы уменьшить количество тепловых потерь в неиспользуемой части змеевика.
• Размещение термопары : При нагреве открытым пламенем температура контролируется вручную с помощью температурных мелков. В отличие от этого, системы индукционного нагрева имеют встроенный терморегулятор для контроля температуры с использованием обратной связи от термопар, установленных на детали. Обратная связь термопары с машиной контролирует мощность машины, чтобы предотвратить перегрев. Это делает размещение термопары критически важным для достижения желаемых уровней температуры. Обычно лучше всего располагать термопару к центру змеевика, который обычно является самым теплым местом.Для достижения наилучших результатов термопары следует размещать под одеялом. Это предотвращает перегрев и возможное повреждение катушки индукционного нагрева. Кроме того, термопару следует размещать под катушками одеяла, а не под ее серединой, которая на самом деле является более прохладной зоной. Это помогает обеспечить точность показаний температуры. Что касается углов и краев пластин, имейте в виду, что катушки, выходящие за угол или край, могут нагреть эти области до гораздо более высокой температуры.
• Правильные настройки температуры : Важно отметить, что в некоторых случаях может потребоваться превышение желаемой заданной температуры для достижения нужной температуры в корне сварного шва.Это допускает некоторые потери, поскольку система нагревает толщину детали. Например, в приложении, которое требует предварительного нагрева до 250 градусов F, может быть полезно установить температуру поверхности до 300 или 325 градусов, особенно для более толстых материалов или когда индукция используется только на одной стороне заготовки, чтобы Обеспечьте достижение минимальной температуры предварительного нагрева по всей детали. Для многих типов стали существует широкий диапазон от минимальной до максимальной температуры, поэтому превышение максимального уровня температуры между проходами обычно не является проблемой.

THINK BEYOND PIPE
Индукционный нагрев — это возможный вариант во многих сварочных операциях, который обеспечивает значительные преимущества, включая более постоянный нагрев, более быстрое достижение температуры и повышенную безопасность. В результате проекты могут выполняться быстрее без ущерба для качества или безопасности оператора. Хотя этот метод нагрева хорошо известен и становится все более широко используемым для сварки труб, он также дает преимущества во многих других областях, включая сварку плоских пластин.Доступные системы предлагают различные типы и стили компонентов для нагрева деталей, что делает индукцию гибким вариантом для приложений, которые включают широкий диапазон размеров и геометрии деталей и требований к нагреву.

5200 | Индукционный нагреватель :: Pro Spot

Pro Spot остается открытым во время кризиса Covid-19

Как многие из вас знают, штаб-квартира Pro Spot и производственное предприятие находятся в Калифорнии, США. В то время как в штате Калифорния в настоящее время действует приказ о домогательстве, Pro Spot считается важным партнером в секторе транспорта и логистики и в секторе критического производства, предоставляя продукты и услуги для автомобильной промышленности и индустрии ремонта автомобилей.

Наша цель — продолжать предоставлять вам, нашим клиентам, наше качественное оборудование, чтобы помочь автомастерским по всему миру работать эффективно и ремонтировать автомобили в соответствии с высочайшими стандартами.

IH-5200 | Индукционный нагреватель

Индукционный нагреватель IH-5200 оснащен индукционным нагревом с цифровым управлением мощностью до 5,2 кВт. IH-5200 разрушает клей за счет косвенного нагрева стальных и алюминиевых панелей, легко и безопасно отделяя их за секунды.Удаляет застрявшие болты, графику, стекло, выравнивает направляющие рамы и многое другое. Более безопасный и точный, чем резак, IH-5200 экономит время и деньги в магазине.

Найдите дистрибьютора ›

Характеристики

• Кнопка активирована

  Запуск нагрева материалов простым нажатием кнопки.

• Верхняя полка для хранения

  Дополнительное хранилище, расположенное в верхней части машины, для обеспечения специального места для материалов и расходных материалов IH-5200.

• Система охлаждения Hydro Cooling

  Улучшите рабочий цикл с помощью встроенной системы водяного охлаждения, которая постоянно охлаждает во время работы.

• Простота использования

  IH-5200 имеет цифровое управление, что упрощает его использование для любого пользователя.

Технические характеристики

Входное напряжение	Однофазный 208-240 В 50/60 Гц
Диапазон регулировки	20% — 100%
Размеры	24.5 дюймов x 31 дюймов x 41 дюймов

Характеристики

• Быстрый и локальный обогрев
• Цифровое управление
• Горелка с водяным охлаждением
• Защитное отключение
• Удаление клея / наклеек
• Снятие стекла / склеенной панели
• Простое удаление ржавых болтов / рычагов
• Удаление грунтовки
• Снятие напряжения

(PDF) Сравнение производительности между источником тока на базе IGBT и тиристором с питанием от инвертора мощностью 2 кВт, 10 кГц

Сравнение производительности между источником тока на базе IGBT

и тиристорным источником

Инвертор с питанием 2 кВт, Блок индукционного нагрева 10 кГц

M.Рой, М. Сенгупта

Кафедра электротехники

Бенгальский инженерно-научный университет, Шибпур,

Ховрах — 711103, ВБ, Индия

Электронная почта: [email protected]

Резюме — инвертор источника тока (CSI) индукционный нагрев с питанием

единиц обычно используются в промышленности. Большинство из этих CSI основаны на тиристорах

. Для работы с высокой мощностью и низкой частотой индукционного нагрева

(плавление, где рабочая частота

сис меньше 1 кГц) тиристор является лучшим выбором.Легко доступны тиристоры

более высокого номинала. Но для средней мощности

и высокочастотного индукционного нагрева (поверхностная термообработка

, рабочая частота до 10 кГц) можно использовать IGBT

для повышения производительности. В этой статье CSI

на базе IGBT сравнивается с CSI на основе тиристоров для приложения

мощностью 2 кВт, 10 кГц. Эти два типа CSI изготавливаются в лаборатории

вместе с блоком индукционного нагрева (IHU).Анализ производительности

и моделирование двух различных CSI были выполнены

с использованием программного обеспечения собственной разработки (например, SequelGUI2).

Наконец, были изготовлены и испытаны два небольших лабораторных фототипа мощностью 2 кВт, 10 кГц

. Выделены экспериментальные результаты и относительные характеристики

.

Ключевые слова — индукционный нагревательный элемент, инвертор источника тока,

IGBT, тиристор, конструкция, изготовление, SEQUEL Simulation, Test-

ing.

I. ВВЕДЕНИЕ

Индукционный нагрев использует высокочастотное электричество для нагрева

материалов, которые являются электропроводными, используя принцип

потерь на вихревые токи. Это очень эффективно, поскольку локализованное тепло

фактически генерируется внутри «детали». Индукционный нагрев

может найти уникальное применение в отрасли. В качестве преобразователя энергии используется источник тока

, а конденсатор

подключен параллельно катушке (параллельный резонансный контур) в

приложениях индукционного нагрева.CSI на основе тиристоров является наиболее распространенным типом

для (i) низкой стоимости и (ii) легкой доступности тиристоров с более высоким номиналом

, но это устройство коммутации нагрузки. Эти преобразователи

должны работать с опережающим коэффициентом мощности. Тиристоры имеют заданное время обратного восстановления

(tq) [4]. Вспомогательная цепь должна быть подключена к

для первой коммутации инвертора [6]. На

с другой стороны IGBT легко работают на более высоких частотах.

CSI на базе IGBT может работать с коэффициентом мощности почти равным единице

, тем самым уменьшая емкостные VArs, которые иначе связаны с

в тиристоризованной версии.

II. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Индукционный нагрев — это процесс нагрева электрически проводящего объекта

(обычно металла) с помощью электромагнитной индукции

, используя процесс вихретокового нагрева. Индукционный

Рис. 1. Принципиальная схема процесса индукционного нагрева. Нагреватель

(для любого процесса) состоит из катушки, через которую пропускается переменный ток высокой частоты (AC)

. (Тепло

также может быть вызвано потерями на магнитный гистерезис в ферро-

магнитных материалах.Однако доля вихретокового нагрева

незначительна). Используемая частота переменного тока

зависит от размера объекта, типа материала, магнитной связи

(между катушкой и нагреваемым объектом).

Принципиальная схема типичного индукционного нагревателя

показана на рис. 1. Это можно объяснить следующим образом. Во-первых, переменный ток

, поступающий от источника питания, можно преобразовать в постоянный ток

с помощью выпрямителя. Этот постоянный ток может быть преобразован в высокочастотный

переменного тока в нагревательной катушке через силовой электронный инвертор.

Это вызывает создание высокочастотного магнитного поля

(закон Ампера) вокруг нагревательной катушки. Если электрически проводящий объект

(металл), например твердый металл или лом железа или алюминия

и т. д. помещается внутрь катушки (магнитное поле), затем в указанной выше металлической детали создаются вихревые токи

. Другая проблема

состоит в том, что вихревые токи не могут проникать глубоко в твердое тело

металла, подлежащего нагреванию, и имеют тенденцию ограничиваться

поверхностью или коркой металлического твердого тела (по тем же причинам

, что и скин-эффект проявляется в проводниках передачи или в стержнях

клеточного ротора IM).Это приводит к нагреву (преимущественно

на поверхности) твердого металла, и он становится докрасна.

Глубина, на которой (из-за «скин-эффекта») вихревые токи

больше и нагревание также больше, называется глубиной скин-слоя.

Это явление используется при поверхностной термообработке.

Даже в противном случае остальной металл тоже нагревается. В случае

металл находится в виде порошка или лома, вся масса металла

нагревается и может даже расплавиться.Силовая цепь CSI

Эффективные способы соединения с использованием технологии индукционного нагрева

Индукционный нагрев — это контролируемый и экономичный способ нагрева деталей для склеивания или соединения. В этой презентации будет рассказано о том, что такое индукция и почему производители переходят на индукцию по сравнению с другими процессами нагрева для своих потребностей в соединении и склеивании. Рассматриваемые области применения включают пайку и пайку, предварительный нагрев сварного шва, шовную сварку, термоусадочную муфту, склеивание твердым сплавом, отверждение клея и краски, термоукладку и термосварку.Преимущества для производителей включают гибкость обработки различных деталей с относительно быстрой заменой, эффективное использование энергии, времени и площади цеха, а также экономичную обработку как больших непрерывных производственных циклов, так и небольших серийных работ.

Индукционный нагрев отличается от других процессов, используемых для термообработки и соединения деталей, способом передачи тепла. Традиционные промышленные процессы нагрева (например, печи, горелки, соляные ванны) нагревают поверхность детали с помощью теплоносителя (например,например, горячий газ или расплав соли) вокруг детали или тепловым излучением (например, в вакуумных печах). Таким образом, скорость нагрева ограничивается скоростью передачи тепловой энергии на поверхности детали.

Индукционный нагрев использует электромагнитное поле переменного тока (переменного тока) для выработки энергии внутри детали. Это вызывает нагрев поверхности и подповерхностных областей детали из-за эффекта Джоуля (потери мощности I2R: где I — плотность тока, индуцированная в детали полем электромагнитной индукции, а R — электрическое сопротивление детали).Вторая возможная причина индукционного нагрева — гистерезисный нагрев, но он может появиться только при нагревании ферромагнитных тел.

Поскольку индукционный нагрев — это электромагнитный процесс, количество энергии, подаваемой в деталь, можно очень точно контролировать, если предположить, что деталь последовательно и точно расположена относительно индуктора. (Точное расположение детали относительно индуктора важно, потому что сила электромагнитного поля может резко деформироваться из-за нескольких электромагнитных явлений, включая концевые эффекты, краевые эффекты, эффекты близости и многие другие.) При включении индукционного генератора начинается передача энергии детали. Когда генератор выключен, передача энергии прекращается. Другими словами, индукцию можно рассматривать как контролируемый процесс ввода энергии.

В некоторых случаях индукция используется для нагрева деталей, которые не являются электропроводными, за счет использования токоприемника (материала, который поглощает электромагнитную энергию и преобразует ее.

в тепловую энергию, которая затем передается в электрически непроводящую часть через проводимость).

Параметры процесса индукционного нагрева

Различия между процессами индукционного и термического нагрева нагревают детали, поэтому необходимо по-разному управлять этими процессами. Процессы, в которых для нагрева используются теплоносители, регулируются изменением температуры теплоносителя и времени нагрева. Процессы лучистого отопления регулируются изменением температуры лучистых нагревательных элементов (температуры печи) и времени нагрева.

Оборудование для индукционного нагрева передает энергию в нагреваемую часть посредством изменяющегося электромагнитного поля.Скорость нагрева и температура детали регулируются изменением интенсивности, частоты и времени электромагнитного поля. Интенсивность электромагнитного поля контролируется геометрией индуктора (также обычно называемой катушкой), мощностью и напряжением, подаваемыми на индуктор, и местом расположения детали относительно индуктора. Обратите внимание, что температура детали является выходом индукционного процесса, а не входом, как в большинстве традиционных промышленных процессов нагрева, где температура обрабатываемой жидкости становится температурой детали.

Другие параметры процесса, влияющие на индукционный нагрев деталей, — это геометрия детали и свойства материала детали. Изменение геометрии детали может изменить массу детали и конечную температуру детали. Кроме того, если изменения в геометрии детали изменяются там, где в детали протекают вихревые токи, можно изменить распределение энергии в детали, а также пиковую температуру поверхности.

Обычно свойства материала, влияющие на индукционный нагрев, — это химический состав, зеренная структура, электропроводность, теплопроводность и магнитные свойства.

Преимущества индукционного нагрева

Именно из-за более точного контроля и более воспроизводимых результатов по сравнению с традиционными методами нагрева производители переходят на индукционный нагрев. Когда они совершают переход, реализуются следующие преимущества:

• Повышенная энергоэффективность: индукционный нагрев часто намного эффективнее других традиционных методов.
• Повышенная точность: поддерживается очень точный контроль над тем, сколько энергии и где она вкладывается в деталь.
• Улучшенное управление процессом: высокая повторяемость нагрева деталей может быть достигнута благодаря точному контролю энергопотребления, обеспечиваемому индукционным нагревом.
• Повышенная скорость: деталь можно нагреть до температуры соединения от нескольких секунд до нескольких минут по сравнению с часами в духовке или печи.
• Переход от серийного к бережливому производству: индукционный нагрев поддается JIT (точно в срок) и поточной обработке отдельных деталей. Благодаря высокой скорости и отсутствию простоев для нагрева и охлаждения печи или огнеупора, связанных с индукционной термообработкой, отдельные детали можно обрабатывать по мере необходимости.
• Безопасность: Отсутствие открытого огня и опасности возгорания, связанной с использованием горелок или газовых духовок и печей.

Применение индукционного соединения

Индукционный нагрев обычно используется для соединения металлических компонентов вместе. Типичные процессы индукционного соединения включают, но не ограничиваются ими, пайку , пайку , термоусадочную муфту , склеивание / отверждение, термоукладку, термосварку, плавление никель-борных покрытий твердой поверхности, сварку и .

Пайка и пайка

Пайка и пайка — два самых популярных применения индукционного соединения. (Ссылка 1) И при пайке, и при пайке используется присадочный металл, температура плавления которого ниже, чем точка солидуса соединяемых металлических частей. После достижения определенной температуры, обычно на 50-100 ° F выше температуры плавления наполнителя, в зависимости от скорости нагрева, поверхность основного металла вступает в реакцию с присадочным сплавом с образованием металлургической связи.По данным Американского общества сварщиков (AWS), единственное, что отличает пайку от пайки, — это температура. Если в процессе соединения металла используется присадочный металл, температура плавления которого ниже 450 ° C (842 ° F), процесс соединения определяется как пайка. Однако, если присадочный металл плавится при температуре выше 450 ° C (842 ° F), то процесс соединения определяется как пайка (см. 2).

Индукционный нагрев может использоваться для пайки или пайки со всеми различными припоями и припоями, которые используются при пайке в печи, печи и горелке.Эти припои для пайки включают, но не ограничиваются ими, сплавы свинца, сплавы олова и сплавы цинка. Свинец и сплавы олова обычно используются для пайки медных и латунных соединений. Цинковые сплавы используются для пайки алюминия с алюминием, пайки алюминия с медью и ремонта гальванических покрытий. Припои, которые использовались при индукционном нагреве, включают алюминиевые припои, серебряные припои, золотые сплавы, платиновые сплавы, никелевые припои и медные припои. Алюминиевые припои обычно используются для пайки соединений алюминия с алюминием, соединений алюминия с медью и соединений алюминия с нержавеющей сталью.Серебряные припои обычно используются с индукционным нагревом для пайки карбида к стальным соединениям, стыков стали со сталью, соединений меди со сталью, соединений меди с латунью, соединений меди с медью, соединений нержавеющей стали с нержавеющей сталью и многих других комбинаций металлов, традиционно паяемых с серебряные сплавы.

Пайка и пайка требуют, чтобы все соединение было нагрето до температуры соединения для образования качественного соединения. Из-за этого для этих приложений обычно используются низкочастотные индукционные источники питания.

Индукционный нагрев особенно хорошо подходит для совмещения пайки с термообработкой базовой части. В качестве примера можно привести выбор серебряного припоя с точкой солидуса, немного превышающей температуру аустенизации (Ac3) базовой стальной детали, можно припаять твердосплавную коронку на месте, припой дать затвердеть, а затем паяный узел закалена, чтобы развить твердую основную деталь. После закалки паяный узел может быть отпущен до желаемой окончательной твердости с помощью индукционного отпуска или отпуска в печи.При использовании индукционного отпуска пайка, закалка и отпуск детали могут происходить в течение нескольких минут, а не часов в печи.

Индукционный нагрев хорошо подходит для пайки серебром крупных деталей, таких как роторы двигателей, в течение нескольких минут, чего нельзя достичь с помощью горелок или другого традиционного процесса термического нагрева.

Рисунок 1: Фотография ротора электродвигателя, паяемого серебром с использованием индукционного нагрева. Время нагрева заняло 6 минут.Эта индукционная паяльная машина была разработана для пайки ротора двигателя диаметром до 34 дюймов и весом до 12 000 фунтов.

Индукционный нагрев при использовании в сочетании с камерами с защитной атмосферой позволяет пайку узлов без флюса с медными или никелевыми сплавами. Примерами узлов, которые паяют с использованием камер индукционного нагрева и защитной атмосферы, являются автомобильные газовые магистрали. На рисунке 2 показана индукционная паяльная машина с камерами с защитной атмосферой, которая способна паять медью три топливопровода одновременно.На рис. 3 показано паяное соединение из бесфлюсовой меди, которое закреплено на машине, показанной на рис. 2.

На рис. 4 показаны более сложные паяные соединения безфлюсовой меди, которые были изготовлены с использованием индукционных камер и камер с защитной атмосферой, что демонстрирует, что детали не обязательно должны быть круглыми, чтобы их можно было паять с помощью индукционного нагрева. Щелкните здесь, чтобы узнать больше о пайке и способах нанесения.

Рисунок 2: Индукционная пайка топливопроводов с использованием камер с защитной атмосферой Рисунок 3: Паяное соединение топливопровода из меди без флюса, которое было изготовлено с использованием машины, показанной на Рисунке 2.Рисунок 4: Паяные соединения из меди без флюса, полученные с использованием камер индукционного нагрева и защитной атмосферы.

Термоусадочная муфта

Термоусадочная муфта — это когда две детали имеют посадку с небольшим натягом при комнатной температуре, когда их нельзя сдвинуть вместе механическими средствами для сборки. Для сборки одна часть нагревается индукционным нагревом до повышенной температуры, а сопрягаемая часть может либо оставаться при комнатной температуре, либо охлаждаться ниже комнатной температуры, так что изменения геометрии детали из-за теплового расширения позволяют сборку двух частей.После того, как детали собраны и оставлены для возврата к комнатной температуре, детали фиксируются вместе с помощью механической посадки с натягом. В зависимости от геометрии и материала собираемых компонентов температура термоусадки обычно составляет от 120 ° C (250 ° F) до 400 ° C (752 ° F). Этот тип применения обычно требует, чтобы вся деталь была нагрета, поэтому обычно используются низкие мощности и низкие частоты.

Преимущества индукционной термоусадки: она быстрая, управляемая и обратимая.Примерами типичных типов узлов деталей, в которых используется индукционный нагрев и термоусадка, являются: ступицы на узлах валов, подшипники на узлах валов, узлы статоров двигателя и узлы ротора двигателя. Щелкните здесь, чтобы узнать больше о термоусадке и способах нанесения.

Рисунок 5: Узел ротора двигателя, изготовленный с помощью термоусадки с использованием индукционного нагрева. Рисунок 6: Узел ротора двигателя и узел статора двигателя, изготовленные с помощью горячей посадки с использованием индукционного нагрева.

Склеивание / отверждение клея

При адгезивном связывании / отверждении металлическую основу, на которую нужно нанести покрытие, нагревают с помощью индукционного нагрева до температур, обычно в диапазоне от 200 ° до 400 ° F, чтобы вызвать ускоренную химическую реакцию, позволяющую склеивать / отверждать органическое или полимерное покрытие.

Примером адгезионного соединения / отверждения являются системы обогрева трубопроводов, в которых индукционный нагрев используется для предварительного нагрева перед нанесением покрытия (покрытие из эпоксидной смолы (FBE)) и индукционной сушки трубопроводных труб класса API (рис. 7).

Рисунок 7: Система индукционного нагрева трубопроводной трубы для предварительного нагрева и / или сушки трубы, подвергшейся воздействию поверхностной влаги, перед нанесением покрытия.

Индукция также используется для ускорения отверждения красок на металлических деталях. Краски, отвержденные и склеенные с помощью индукционного нагрева, это: краски на основе растворителей, воды, порошковые и эпоксидные краски.На рисунке 8 показан пример применения индукционного нагрева для отверждения краски.

Рисунок 8: Пример использования индукционного нагрева для отверждения красок.

Тепловое размещение

Нагревание — это процесс, при котором металлическая деталь нагревается с помощью индукционного нагрева, а затем вставляется в термопласт (соединение пластика с металлом), позволяя термопласту обтекать металлическую деталь, заполняя небольшие отверстия или накатывая, чтобы сформировать механическое соединение. На рис. 9 показан пример детали, изготовленной с использованием теплового штыря и индукционного нагрева.Нагревание с использованием индукционного нагрева имеет преимущество перед другими процессами нагрева в том, что металлические детали можно нагревать за несколько секунд, что позволяет обрабатывать детали по мере необходимости, обеспечивая бережливое производство. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.

Рис. 9: Деталь, полученная с помощью термоукладывания и индукционного нагрева.

Термоупаковка

Индукционный нагрев используется для двух типов термосваривания: герметизации металл-стекло и герметизации металла-полимера (пластмассы). Наиболее распространенный тип термосваривания — металл-полимер, и с этого момента основное внимание будет уделяться этому типу термосварки.

Самая простая форма термосваривания — это процесс, при котором алюминиевая фольга прижимается к термопласту, а затем алюминиевая фольга нагревается индукцией до температуры, при которой происходит адгезионное соединение между алюминиевой фольгой, термопластом и кромкой контейнера. быть запечатанным.

Тепловые уплотнения, используемые на контейнерах с завинчивающейся крышкой, обычно состоят из многослойного ламината, состоящего из слоя целлюлозы, слоя воска, алюминиевой фольги и слоя полимера, совместимого с материалом контейнера и способного герметизировать край контейнера.Завинчивающаяся крышка плотно прижимает многослойный ламинат к кромке контейнера, а затем индукционная катушка пропускается через верхнюю часть крышки, нагревая алюминиевую фольгу в многослойном ламинате, заставляя полимер нагреваться за счет теплопроводности и прилипать к ней. алюминиевую фольгу и выступ контейнера.

Термоупаковка используется в ряде отраслей для создания защищенной от несанкционированного доступа упаковки и создания уплотнения, не пропускающего влагу и другие загрязнения. Некоторые примеры отраслей, в которых используется термосварка, перечислены в таблице 1.

Промышленность	Применение продукта
Сельское хозяйство	Удобрение
Агрохимия	Пестицид
Автомобильная промышленность	Ингибиторы коррозии, Моторное масло, Антифриз, Присадки
Химическая промышленность	Кислоты, отбеливатели, краски, бытовые чистящие средства
Косметика	Жемчужная ванна, Средства для волос, Краска для тату, Кремы
Молочный завод	Молоко
Стоматологическая	Зубная паста
Легковоспламеняющиеся	Жидкость для зажигалок, Ацетон, Средство для снятия лака, Спирт
Продукты питания	Пищевое масло, арахисовое масло, специи, соки, сиропы, спортивные бутылки, приправы
Медицинский	Витамины
Нефть	Моторное масло, присадки
Фармацевтика	Лекарства, твердые вещества, жидкие, капсулы
Вода	Вода в бутылках

Таблица 1: Примеры отраслей и областей применения, в которых используется термосварка.

Наплавление никель-борных твердых покрытий

Никель-борное твердое покрытие наносится на стальные детали в два этапа. Первым шагом в процессе является нанесение покрытия с помощью порошка для горения Thermospray ™, атмосферного плазменного напыления или HVOF. Второй шаг в заявке

Процесс

заключается в сплавлении покрытия для создания полностью плотной микроструктуры, свободной от пористости и оксидов, и металлургического соединения с металлической подложкой. Сплавление этих твердых покрытий можно осуществить с помощью ацетиленовой горелки, печи или индукционного нагрева.Из этих трех методов плавления индукционный нагрев можно автоматизировать, он подходит для бережливого производства и обеспечивает наивысшую производительность. Обычно рекомендуется медленное охлаждение сплавленных частей из-за различий в коэффициентах теплового расширения покрытия и основы.

Сварка

Индукционный нагрев обычно используется в трех различных областях, связанных со сваркой, предварительным нагревом перед сваркой, сваркой швов и термообработкой после сварки i.е. снятие напряжений и отжиг сварного шва (также известный как отжиг шва).

Многие производители считают, что индукционный нагрев является очень быстрым, контролируемым и экономичным способом предварительного нагрева узлов из углеродистой и легированной стали из среднеуглеродистой и легированной стали перед сваркой плавлением, то есть узлов ступицы и вала.

Шовная сварка может выполняться контактными электродами или индукцией. Оба используют высокочастотный ток для нагрева кромок полосы до температуры ковки. (Примечание: края полосы фактически не доводятся до температуры плавления.) Высокочастотная индукционная сварка швом чаще всего используется для производства труб и труб, когда полоса формируется в круглую или другую нестандартную форму, сформированная полоса проходит через индукционную катушку, края полосы нагреваются и затем сжимаются вместе, чтобы образуют твердотельный сварной шов. У этого твердотельного процесса есть два ключевых преимущества по сравнению с методами сварки плавлением. Во-первых, даже если края полосы достигают температуры плавления, весь высокотемпературный материал выдавливается из линии соединения вместе с любыми оксидами и загрязнениями, оставляя непрерывную металлургическую связь.Во-вторых, поскольку металл не плавится, можно избежать литых структур, оксидов, пористости, высокотемпературных выделений или других вредных металлургических фаз в зоне сварного шва и зоне термического влияния. В результате получается более прочный сварной шов с более однородной микроструктурой и улучшенными механическими свойствами по сравнению со сварными швами плавлением. Кроме того, этот процесс позволяет производить высококачественные герметичные сварные швы на высоких скоростях (до 600 футов в минуту для труб теплообменника), с толстыми стенками (до 24 мм толщины стенок для трубопроводов большого диаметра) и с широкий спектр составов черных и цветных металлов.На рис. 10 показано поперечное сечение шва трубы, сваренного индукционной сваркой. Обратите внимание, что любой расплавленный материал (дендритная структура), который присутствовал, был вытеснен за границу раздела сварного шва и присутствует только в области сварного шва на верхней и нижней поверхностях трубы.

Индукционная сварка труб со швом позволяет сваривать плакированный металл, который нельзя сваривать плавлением. Плакированные металлы, такие как плакированная медью сталь и алюминий серии 3ХХХ, плакированный алюминием 4104, являются примерами плакированных металлов, которые нельзя сваривать плавлением из-за смешения плакировки с основным металлом, которое происходит во время сварки плавлением.В случае стали, плакированной медью, диффузия меди в металл шва

во время плавления вызывает низкую пластичность и высокую склонность к горячему растрескиванию в зоне сварного шва. Сварка плавлением сплавов серии 3ХХХ, плакированных алюминием 4104, приводит к образованию Mg2Si в зоне сварного шва, и сварной шов также склонен к горячему растрескиванию и имеет низкую пластичность. Высокочастотная индукционная сварка этих плакированных материалов позволяет удалить плакирующий металл с линии соединения, когда две кромки полосы свариваются вместе.Результат — однородный состав и микроструктура в зоне термического влияния сварного шва.

Рисунок 10: Шовный шов из гладкой углеродистой стали, полученный индукционной сваркой.

Индукционный нагрев хорошо подходит для термообработки после сварки из-за того, что он быстро нагревает металлы, и обычно используется вместе с индукционной сваркой швов для снятия напряжений или отжига трубок после сварки. Индукционный нагрев также используется для снятия напряжений или отжига деталей, сваренных плавлением.

Список литературы

1. С.Ларраби, А. Бернхард, Проектирование и изготовление индукторов
   для термообработки, пайки и пайки, в Справочнике ASM, Vol. 4С; Индукционный нагрев и термообработка, ASM Intl., 2014, стр. 619-632.

IHL25K Низкочастотная индукционная плавильная печь мощностью 25 кВт, 1–20 кГц

Примечание. Эта модель доступна только с трехфазным напряжением 460–480 Вольт.

Низкочастотные индукционные нагреватели Across International серии IHL от 1 кГц до 20 кГц подходят для широкого спектра применений, включая глубокое проникновение тепла для процессов полной закалки, ковку стальных стержней, отпуск штамповок, предварительный нагрев для сварки и плавление. металлических партий более 4 фунтов.Они не ограничиваются ферромагнитными материалами, поэтому цветные металлы также могут быть эффективно использованы.

Система состоит из трех основных компонентов: источника питания, компенсирующего конденсатора / трансформатора и индукционной катушки / плавильного тигля. Наши нагреватели автоматически настраиваются на оптимальную резонансную частоту для достижения наиболее эффективных общих результатов нагрева в соответствии с требованиями наших клиентов, которые включают проникновение тепла, эффективность нагрева, рабочий шум и электромагнитную однородность.Две из наших самых популярных низкочастотных машин — это плавильные печи с плиточным плавильным аппаратом и печи с автоматической подачей стержня для ковки.

Индукционный нагрев включает не внешнее приложение тепла, а внутреннее тепловыделение в самой заготовке. Этот процесс не требует длительных периодов нагрева и позволяет ограниченное количество тепла локально и точно по времени, таким образом достигая высокой степени эффективности и максимального использования энергии.По сравнению с традиционными методами нагрева, индукционный нагрев обеспечивает максимальный уровень качества и эффективности в практически неограниченном диапазоне применений.

Основные принципы индукционного нагрева были изучены и применялись в производстве с 1920-х годов. Во время Второй мировой войны технология быстро развивалась, чтобы удовлетворить насущные потребности военного времени в быстром и надежном процессе упрочнения металлических деталей двигателя. В последнее время акцент на бережливых производственных технологиях и упор на улучшенный контроль качества привели к новому открытию индукционной технологии, наряду с разработкой полностью контролируемых твердотельных индукционных источников питания.Что делает этот метод нагрева таким уникальным? В наиболее распространенных методах нагрева к металлической части непосредственно прикладывают горелку или открытое пламя. Но при индукционном нагреве тепло фактически «индуцируется» внутри самой детали за счет циркулирующих электрических токов. Поскольку тепло передается продукту посредством электромагнитных волн, деталь никогда не вступает в прямой контакт с пламенем, сам змеевик не нагревается, и продукт не загрязняется. При правильной настройке процесс становится очень повторяемым и управляемым.

КАК ДЕЙСТВУЕТ ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ

Как именно работает индукционный нагрев? Это помогает получить базовое представление о принципах электричества. Когда переменный электрический ток подается на первичную обмотку трансформатора, создается переменное магнитное поле. Согласно закону Фарадея, если вторичная обмотка трансформатора находится в магнитном поле, индуцируется электрический ток.

В базовой установке индукционного нагрева твердотельный высокочастотный источник питания передает переменный ток через медную катушку, а нагреваемая часть помещается внутри катушки.Катушка служит первичной обмоткой трансформатора, а нагреваемая часть становится вторичной обмоткой короткого замыкания. Когда металлическая деталь помещается в индукционную катушку и попадает в магнитное поле, внутри детали индуцируются циркулирующие вихревые токи. Эти вихревые токи протекают против удельного электрического сопротивления металла, генерируя точное и локализованное тепло без какого-либо прямого контакта между деталью и катушкой.

ВАЖНЫЕ ФАКТОРЫ, КОТОРЫЕ СЛЕДУЕТ УЧИТАТЬ
Эффективность системы индукционного нагрева для конкретного применения зависит от нескольких факторов: характеристик самой детали, конструкции индукционной катушки, мощности источника питания и степени нагрева. изменение температуры, необходимое для применения.

МЕТАЛЛ ИЛИ ПЛАСТИК
Во-первых, индукционный нагрев работает напрямую только с проводящими материалами, обычно с металлами. Пластмассы и другие непроводящие материалы часто можно нагревать косвенно, сначала нагревая проводящий металлический приемник, который передает тепло непроводящему материалу.

МАГНИТНЫЙ ИЛИ НЕМАГНИТНЫЙ
Магнитные материалы легче нагревать. Помимо тепла, вызванного вихревыми токами, магнитные материалы также выделяют тепло за счет так называемого эффекта гистерезиса.Во время процесса индукционного нагрева магнитные элементы, естественно, оказывают сопротивление быстро меняющимся электрическим полям, и это вызывает достаточное трение, чтобы обеспечить вторичный источник тепла. Этот эффект перестает проявляться при температурах выше «точки Кюри» — температуры, при которой магнитный материал теряет свои магнитные свойства. Относительное сопротивление магнитных материалов оценивается по шкале «проницаемости» от 100 до 500; в то время как немагнитные материалы имеют проницаемость 1, магнитные материалы могут иметь проницаемость до 500.

ТОЛЩАЯ ИЛИ ТОЛЩАЯ
В случае проводящих материалов около 80% эффекта нагрева происходит на поверхности или «коже» детали; интенсивность нагрева уменьшается по мере удаления от поверхности. Поэтому мелкие или тонкие детали обычно нагреваются быстрее, чем большие толстые, особенно если более крупные детали необходимо нагреть полностью. Исследования показали взаимосвязь между глубиной проникновения нагрева и частотой переменного тока. Частоты от 100 до 400 кГц производят относительно высокоэнергетическое тепло, идеально подходящее для быстрого нагрева небольших деталей или поверхности / кожи больших деталей.Было показано, что для глубокого проникающего тепла наиболее эффективными являются более длительные циклы нагрева с частотой от 5 до 30 кГц.

СОПРОТИВЛЕНИЕ
Если вы используете один и тот же индукционный процесс для нагрева двух кусков стали и меди одинакового размера, результаты будут совершенно разными. Почему? Сталь — наряду с углеродом, оловом и вольфрамом — имеет высокое электрическое сопротивление. Поскольку эти металлы сильно сопротивляются току, быстро накапливается тепло. Металлы с низким удельным сопротивлением, такие как медь, латунь и алюминий, нагреваются дольше.Удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры, поэтому очень горячая сталь будет более восприимчива к индукционному нагреву, чем холодная.

КОНСТРУКЦИЯ ИНДУКЦИОННОЙ КАТУШКИ
Именно внутри индукционной катушки создается переменное магнитное поле, необходимое для индукционного нагрева, через поток переменного тока. Таким образом, конструкция змеевика — один из наиболее важных аспектов всей системы. Хорошо спроектированная катушка обеспечивает правильный режим нагрева для вашей детали и максимизирует эффективность источника питания индукционного нагрева, при этом позволяя легко вставлять и извлекать деталь.

Индукционные змеевики обычно изготавливаются из медных трубок — очень хороших проводников тепла и электричества — диаметром от 1/8 дюйма до 3/16 дюйма; медные змеевики большего размера в сборе предназначены для таких применений, как нагрев полосы металла и нагрев труб. Индукционные змеевики обычно охлаждаются циркулирующей водой и чаще всего изготавливаются по индивидуальному заказу, чтобы соответствовать форме и размеру нагреваемой детали. Таким образом, катушки могут иметь один или несколько витков; иметь винтообразную, круглую или квадратную форму; или быть спроектированным как внутреннее (часть внутри катушки) или внешнее (часть рядом с катушкой).Существует пропорциональная зависимость между величиной протекающего тока и расстоянием между катушкой и деталью. Размещение детали близко к катушке увеличивает ток и количество тепла, индуцируемого в детали. Это соотношение называется эффективностью связи катушки.

Среднечастотный индукционный нагреватель

Среднечастотный индукционный нагревательный приборВнедрение

Серия SPZ Среднечастотные индукционные нагреватели имеют частотный диапазон 200 Гц, 20 кГц и мощность 15 … 600 кВт. Они в основном используются для проникающего нагрева, такого как нагрев стержней для формовки, плавления, подгонки и предварительного нагрева для сварки.Благодаря широкому частотному диапазону, удовлетворительный эффект нагрева легко достигается благодаря конструкции, учитывающей все факторы, такие как желание проникновения, эффективность нагрева, рабочий шум, сила магнитного перемешивания и так далее.

В среднечастотных машинах СПЗ используется параллельная колебательная структура. Силовые компоненты модуля IGBT и наши технологии инвертирующего управления четвертого поколения используются для обеспечения высокого качества и надежности.Принята полная защита, такая как защита от перегрузки по току, защита от потери воды, защита от перегрева, защита от перенапряжения, защита от короткого замыкания и защита от обрыва фазы. Во время работы выходной ток, выходное напряжение, частота колебаний и выходная мощность отображаются на панели управления, чтобы помочь в проектировании катушки и настройке машины.
В зависимости от использования используются две основные конструкции: структура
(1) 1 ： MF-генератор + конденсатор + катушка

Эта структура часто применяется во многих сферах применения, например, в машинах для нагрева стержней и плавильных машинах.Эта конструкция проста, имеет низкие потери и очень эффективна при нагревании.
В этой конструкции обычно требуется от 3 до 15 метров медных трубок для изготовления змеевика; Напряжение катушки высокое до 550 В, и она не изолирована от системы электропитания, поэтому катушка должна быть должным образом изолирована для обеспечения безопасности операторов. Структура
（2） 2 ： СЧ-генератор + крышка + трансформатор + катушка

Эта структура также часто используется, например, для плавки в вакууме, среднечастотной индукционной закалки и т. Д.Благодаря конструкции коэффициента трансформации, выходной ток и напряжение можно контролировать для удовлетворения различных потребностей в нагреве.
В этой конструкции змеевик безопасен для операторов, трубка змеевика может открываться прямо без изоляции. Катушку легко сделать всего за несколько витков. Конечно, трансформатор увеличит стоимость и расход машины.

2 、 Преимущества станка серии СПЗ
(1) В среднечастотных станках СПЗ ， используется параллельная колебательная структура. Применяются силовые компоненты модуля IGBT и наши технологии инвертирующего управления четвертого поколения.
(2) Широкий диапазон частот от 1 кГц до 20 кГц, легко подобрать машину в соответствии с деталями и желанием нагрева.
(3) Благодаря параллельной колебательной структуре легко добиться наилучшего согласования машины, чтобы получить высокую эффективность нагрева и полную выходную мощность генератора.
(4) Благодаря передовым технологиям нашего инвертирующего управления четвертого поколения реализовано мягкое и точное переключение, обеспечивающее высокую надежность и низкие затраты на ремонт машины.
3 、 Модели SPZ, означающие
SPZ- ○○ X
SPZ: означает серию средних частот shuangping
○○: номинальная входная мощность
X: вспомогательная функция. А — с таймером Б — с трансформатором
4 、 Основные модели
СПЗ-15 、 СПЗ-25 、 СПЗ-35 、 СПЗ-45 、 СПЗ-70 、 СПЗ-90 、 СПЗ-110 、 СПЗ-160 、 СПЗ-240 、 СПЗ-300 и СПЗ-600

Moose Forge

Индукционная кузница

Эта информация
взята verbatem
из Википедии
(написано на оригинальном английском
)

Индукционная печь — это электрическая печь, в которой тепло подается за счет индукционного нагрева металла.Преимущество индукционной печи — это чистый, энергоэффективный и хорошо контролируемый процесс плавления по сравнению с большинством других способов плавления металлов. Большинство современных литейных заводов используют этот тип печи, и теперь все больше чугунолитейных заводов заменяют вагранки индукционными печами для плавления чугуна, поскольку первые выделяют много пыли и других загрязняющих веществ. Производительность индукционных печей составляет от менее одного килограмма до ста тонн, и они используются для плавки чугуна и стали, меди, алюминия и драгоценных металлов.Поскольку не используется дуга или горение, температура материала не выше, чем требуется для его плавления; это может предотвратить потерю ценных легирующих элементов. [1] Одним из основных недостатков использования индукционных печей в литейном производстве является недостаточная мощность рафинирования; шихтовые материалы должны быть чистыми от продуктов окисления и иметь известный состав, а некоторые легирующие элементы могут быть потеряны из-за окисления (и должны быть повторно добавлены в расплав).

Рабочие частоты варьируются от рабочей частоты (50 или 60 Гц) до 400 кГц или выше, обычно в зависимости от плавящегося материала, мощности (объема) печи и требуемой скорости плавления.Как правило, чем меньше объем расплавов, тем выше частота использования печи; это происходит из-за глубины скин-слоя, которая является мерой расстояния, на которое переменный ток может проникнуть под поверхность проводника. При той же проводимости более высокие частоты имеют небольшую толщину скин-слоя, т.е. меньшее проникновение в расплав. Более низкие частоты могут вызвать перемешивание или турбулентность металла.

Предварительно нагретый чугун массой 1 тонна может расплавить холодную шихту до готовности к выпуску в течение часа.Электропитание варьируется от 10 кВт до 15 МВт с размером расплава от 20 кг до 30 тонн металла соответственно.

Работающая индукционная печь обычно издает гудение или вой (из-за колебаний магнитных сил и магнитострикции), шаг которого может использоваться операторами, чтобы определить, правильно ли работает печь или на каком уровне мощности.

Индукционная ковка

Индукционная ковка — это использование индукционного нагревателя для предварительного нагрева металлов перед деформацией с помощью пресса или молотка.Обычно металлы нагревают до температуры от 1100 ° C (2010 ° F) до 1200 ° C (2190 ° F), чтобы повысить их пластичность и улучшить текучесть в штампе для ковки. [1]

Процесс

Индукционный нагрев — это бесконтактный процесс, в котором используется принцип электромагнитной индукции для нагрева детали. Помещая проводящий материал в сильное переменное магнитное поле, в материале протекает электрический ток, тем самым вызывая джоулев нагрев. В магнитных материалах дополнительно выделяется тепло ниже точки Кюри из-за гистерезисных потерь.Генерируемый ток протекает преимущественно в поверхностном слое, глубина которого определяется частотой переменного поля и проницаемостью материала [2].

Потребляемая мощность

Источники питания для индукционной ковки различаются по мощности от нескольких киловатт до многих мегаватт и, в зависимости от геометрии компонента, могут изменяться по частоте от 50 Гц до 200 кГц. В большинстве приложений используется диапазон от 1 кГц до 100 кГц. [3]

Для выбора правильной мощности необходимо сначала рассчитать тепловую энергию, необходимую для нагрева материала до требуемой температуры за отведенное время.Это может быть сделано с использованием теплосодержания материала, которое обычно выражается в киловатт-часах на тонну, веса обрабатываемого металла и временного цикла. После того, как это будет установлено, необходимо учесть другие факторы, такие как излучаемые потери в компоненте, потери в катушке и другие системные потери. Традиционно этот процесс включал длительные и сложные вычисления в сочетании с сочетанием практического опыта и эмпирической формулы. Современные методы используют анализ методом конечных элементов [4] и другие методы компьютерного моделирования, однако, как и в случае со всеми такими методами, по-прежнему требуется доскональное знание процесса индукционного нагрева.

Выходная частота

Второй важный параметр, который необходимо учитывать, — это выходная частота источника питания. Поскольку тепло в основном генерируется на поверхности компонента, важно выбрать частоту, которая обеспечивает наибольшую практическую глубину проникновения в материал без риска потери тока. [5] Следует понимать, что, поскольку нагревается только оболочка, потребуется время, чтобы тепло проникло в центр компонента, и что, если слишком большая мощность приложена слишком быстро, можно расплавить поверхность компонента, оставляя ядро круто.Используя данные теплопроводности материала [6] и требования к однородности (физике), указанные заказчиком в отношении поперечного сечения ∆T, можно рассчитать или создать модель для определения необходимого времени нагрева. Во многих случаях время достижения приемлемого ∆T будет превышать время, которое может быть достигнуто при нагревании компонентов по одному. Ряд решений по перемещению, включая конвейеры, линейные питатели, системы толкателей и питатели с шагающими балками, используются для облегчения нагрева нескольких компонентов при одновременной доставке отдельных компонентов оператору в требуемом временном цикле.

Преимущества

Управляемость процесса — в отличие от традиционной газовой печи, индукционная система не требует цикла предварительного нагрева или контролируемого отключения. Тепло доступно по запросу. В дополнение к преимуществам быстрой доступности в случае прерывания производства на выходе, питание может быть отключено, что позволяет экономить энергию и сокращать масштабирование компонентов.

• Энергоэффективность — благодаря теплу, выделяемому внутри компонента, передача энергии чрезвычайно эффективна.Индукционный нагреватель нагревает только часть, но не атмосферу вокруг него.
• Быстрое повышение температуры — Высокая удельная мощность гарантирует, что компонент очень быстро нагревается. Снижается окалина, дефекты поверхности и нежелательные воздействия на металлургию поверхности.
• Стабильность процесса — процесс индукционного нагрева обеспечивает чрезвычайно равномерное равномерное нагревание, что повышает точность поковки и может в крайних случаях уменьшить припуски на обработку после поковки и положительно сказаться на сроке службы штампа.

Типы

Обогрев конца стержня

Нагрев конца прутка обычно используется там, где должна быть кована только часть прутка. Типичные области применения нагрева концов прутков:

• Горячая высадка болтов
• Стабилизаторы поперечной устойчивости
• Горный инструмент

В зависимости от требуемой пропускной способности системы манипулирования могут варьироваться от простых двух- или трехпозиционных пневматических толкающих систем до шагающих балок и конвейеров.

Нагрев заготовки

В индукционном нагревателе заготовки нагревается вся заготовка или заготовка.Обычно для коротких заготовок или заготовок используется бункер или чаша, чтобы автоматически подавать заготовки в линию для прижимных роликов, тягачей с цепным приводом или, в некоторых случаях, пневматических толкателей. Затем заготовки проходят через змеевик одна за другой по рельсам с водяным охлаждением или через отверстие змеевика используются керамические вкладыши, которые уменьшают трение и предотвращают износ. Длина бухты зависит от требуемого времени выдержки, времени цикла на компонент и длины заготовки. В больших объемах работы с большим поперечным сечением нет ничего необычного в том, что 4 или 5 катушек последовательно соединяют, чтобы получить 5 м (16 футов) катушки или более.[8]

Типовые детали, обрабатываемые при поточном нагреве заготовок: [9]

• Малые коленчатые валы
• Распредвалы
• Пневматическая и гидравлическая арматура
• Головки молотковые
• Клапаны двигателя
• Одноступенчатый

Для длинных заготовок можно использовать однократный нагрев. В этом процессе используются аналогичные системы для нагрева концов прутков, за исключением того, что вся заготовка превращается в отдельные катушки. Как и в случае нагрева концов стержня, количество витков зависит от требуемого ∆T и тепловых свойств нагреваемого материала.

Типовые детали, обработанные однократным нагревом заготовок: [10]

• Оси легковые
• Распредвалы для судостроения

Индукционная закалка — это форма термической обработки, при которой металлическая деталь нагревается индукционным нагревом, а затем закаляется. Закаленный металл подвергается мартенситному превращению, повышая твердость и хрупкость детали. Индукционная закалка используется для выборочного упрочнения участков детали или сборки, не влияя на свойства детали в целом.[1]

Процесс

Индукционный нагрев — это процесс бесконтактного нагрева, в котором используется принцип электромагнитной индукции для выработки тепла внутри поверхностного слоя детали. Помещая проводящий материал в сильное переменное магнитное поле, можно заставить электрический ток течь в стали, тем самым создавая тепло из-за потерь I2R в материале. В магнитных материалах дополнительно выделяется тепло ниже точки Кюри из-за гистерезисных потерь. Генерируемый ток протекает преимущественно в поверхностном слое, глубина которого определяется частотой переменного поля, поверхностной плотностью мощности, проницаемостью материала, временем нагрева и диаметром стержня или толщиной материала.При закалке этого нагретого слоя в воде, масле или закалке на основе полимера поверхностный слой изменяется с образованием мартенситной структуры, которая тверже основного металла [2].

Определение

Широко используемый процесс поверхностного упрочнения стали. Компоненты нагреваются с помощью переменного магнитного поля до температуры в пределах или выше диапазона превращения с последующей немедленной закалкой. Сердцевина компонента не подвергается воздействию обработки, и его физические свойства аналогичны свойствам прутка, из которого он был изготовлен, в то время как твердость корпуса может находиться в диапазоне 37/58 HRC.Углеродистые и легированные стали с эквивалентным содержанием углерода в диапазоне 0,40 / 0,45% наиболее подходят для этого процесса [1].

Источник высокочастотного электричества используется для пропускания большого переменного тока через катушку. Прохождение тока через эту катушку создает очень интенсивное и быстро меняющееся магнитное поле в пространстве внутри рабочей катушки. Обогреваемая деталь помещается в это интенсивное переменное магнитное поле, где внутри детали генерируются вихревые токи, а сопротивление приводит к джоулева нагреву металла.

Эта операция чаще всего используется для стальных сплавов. Многие механические детали, такие как валы, шестерни и пружины, перед поставкой подвергаются поверхностной обработке, чтобы улучшить их износостойкость. Эффективность этих обработок зависит как от изменения свойств материалов поверхности, так и от введения остаточных напряжений. Среди этих обработок индукционная закалка — одна из наиболее широко используемых для повышения долговечности компонентов. Он определяет в заготовке прочный сердечник с остаточными напряжениями растяжения и твердый поверхностный слой с напряжением сжатия, которые доказали свою эффективность в увеличении усталостной долговечности и износостойкости компонентов.[3]

Низколегированные среднеуглеродистые стали с индукционной поверхностной закалкой широко используются в автомобилях и машиностроении, требующих высокой износостойкости. Износостойкость деталей с индукционной закалкой зависит от глубины закалки, а также от величины и распределения остаточного напряжения сжатия в поверхностном слое [2].

История

Основа всех систем индукционного нагрева была открыта в 1831 году Майклом Фарадеем. Фарадей доказал, что, наматывая две катушки провода вокруг общего магнитного сердечника, можно создать мгновенную ЭДС во второй обмотке, включая и выключая электрический ток в первой обмотке.Он также заметил, что если ток поддерживался постоянным, во второй обмотке не возникала ЭДС, и что этот ток протекал в противоположных направлениях в зависимости от того, увеличивался или уменьшался ток в цепи [4].

Фарадей пришел к выводу, что электрический ток может создаваться изменяющимся магнитным полем. Поскольку не было физического соединения между первичной и вторичной обмотками, считалось, что ЭДС во вторичной катушке индуцирована, и таким образом родился закон индукции Фарадея.После открытия эти принципы использовались в течение следующего столетия или около того в конструкции динамо (электрических генераторов и электродвигателей, которые являются вариантами одного и того же) и в форме электрических трансформаторов. В этих приложениях любое тепло, выделяемое в электрических или магнитных цепях, считалось нежелательным. Инженеры пошли на многое и использовали многослойные сердечники и другие методы, чтобы минимизировать эффекты. [4]

В начале прошлого века эти принципы были исследованы как средство плавления стали, и был разработан двигатель-генератор, обеспечивающий мощность, необходимую для индукционной печи.После всеобщего принятия методологии плавки стали инженеры начали изучать другие возможности использования этого процесса. Уже было понятно, что глубина проникновения тока в сталь зависит от ее магнитной проницаемости, удельного сопротивления и частоты приложенного поля. Инженеры Midvale Steel и Ohio Crankshaft Company использовали эти знания для разработки первых систем индукционного нагрева с упрочнением поверхности с использованием двигателей-генераторов. [5]

Потребность в быстрых, легко автоматизированных системах привела к значительному прогрессу в понимании и использовании процесса индукционной закалки, и к концу 1950-х годов многие системы, в которых использовались двигатели-генераторы и триодные генераторы с термоэлектронной эмиссией, стали регулярно использоваться во многих отраслях промышленности.В современных установках индукционного нагрева используются новейшие полупроводниковые технологии и цифровые системы управления для развития диапазона мощностей от 1 кВт до многих мегаватт.

Основные методы

Закалка однократным выстрелом

В однокомпонентных системах компонент удерживается статически или вращается в змеевике, и вся обрабатываемая область одновременно нагревается в течение заданного времени, после чего следует либо закалка потоком, либо система закалки каплей. Одиночный выстрел часто используется в тех случаях, когда никакой другой метод не позволяет достичь желаемого результата, например, при упрочнении плоской поверхности молотков, упрочнении кромок инструментов сложной формы или производстве небольших зубчатых колес.[6]

В случае упрочнения вала дополнительным преимуществом метода однократной закалки является время производства по сравнению с методами упрочнения с прогрессивным поперечным перемещением. Кроме того, возможность использования катушек, которые могут создавать продольный ток в компоненте, а не диаметральный поток, может быть преимуществом при определенной сложной геометрии.

У метода одиночного выстрела есть недостатки. Конструкция змеевика может быть чрезвычайно сложным и трудоемким процессом. Часто требуется использование феррита или слоистых загрузочных материалов, чтобы влиять на концентрацию магнитного поля в определенных областях, тем самым улучшая получаемую тепловую картину.Другой недостаток заключается в том, что требуется гораздо больше мощности из-за увеличенной площади нагреваемой поверхности по сравнению с подходом с поперечным расположением элементов [7].

Закалка траверса

В системах поперечной закалки заготовка постепенно пропускается через индукционную катушку и используется последующий закалочный распылитель или кольцо. Упрочнение траверсы широко используется в производстве таких компонентов вала, как полуоси, пальцы ковша экскаватора, компоненты рулевого управления, валы электроинструментов и приводные валы.Компонент подается через индуктор кольцевого типа, который обычно имеет один виток. Ширина поворота определяется скоростью траверсы, доступной мощностью и частотой генератора. Это создает движущуюся полосу тепла, которая при закалке создает твердый поверхностный слой. Закалочное кольцо может быть либо составной частью следующей конструкции, либо их комбинацией в зависимости от требований приложения. Изменяя скорость и мощность, можно создать вал, закаленный по всей длине или только на определенных участках, а также закалку валов со ступенями по диаметру или шлицами.При закалке круглых валов нормально вращать деталь во время процесса, чтобы гарантировать удаление любых отклонений из-за соосности катушки и детали.

Методы поперечного перемещения

также используются при производстве кромочных элементов, таких как ножи для бумаги, ножи для кожи, нижние лезвия газонокосилок и ножовочные полотна. В этих типах применений обычно используется шпилька или катушка с поперечным потоком, которая находится над краем компонента. Компонент проходит через змеевик и последующую закалку распылением, состоящую из сопел или просверленных блоков.

Многие методы используются для обеспечения поступательного движения через катушку, и используются как вертикальные, так и горизонтальные системы. Обычно они используют цифровой кодировщик и программируемый логический контроллер для позиционного управления, переключения, контроля и настройки. Во всех случаях необходимо тщательно контролировать и согласовывать скорость перемещения, поскольку изменение скорости будет влиять на глубину твердости и достигаемое значение твердости.

Оборудование

Требуемая мощность

Источники питания для индукционной закалки различаются по мощности от нескольких киловатт до сотен киловатт в зависимости от размера нагреваемого компонента и используемого метода производства i.е. однократная закалка, поперечная закалка или закалка под флюсом.

Чтобы выбрать правильный источник питания, сначала необходимо рассчитать площадь поверхности нагреваемого компонента. Как только это будет установлено, можно использовать различные методы для расчета необходимой плотности мощности, времени нагрева и рабочей частоты генератора. Традиционно это делалось с использованием серии графиков, сложных эмпирических расчетов и опыта. Современные методы, как правило, используют анализ методом конечных элементов и автоматизированные производственные технологии, однако, как и в случае со всеми такими методами, по-прежнему требуется доскональное знание процесса индукционного нагрева.

Для однократных применений необходимо рассчитать общую обогреваемую площадь. В случае поперечной закалки длина окружности детали умножается на ширину лицевой поверхности бухты. При выборе ширины лицевой стороны катушки необходимо проявлять осторожность, чтобы было практично построить катушку выбранной ширины и чтобы она работала при мощности, необходимой для применения.

Частота

Системы индукционного нагрева для закалки доступны во множестве различных рабочих частот, обычно от 1 кГц до 400 кГц.Доступны более высокие и более низкие частоты, но обычно они используются для специализированных приложений. Зависимость между рабочей частотой и глубиной проникновения тока и, следовательно, глубиной твердости обратно пропорциональна. т.е. чем ниже частота, тем глубже корпус.

Глубина корпуса [мм]	Диаметр прутка [мм]	Частота [кГц]
от 0,8 до 1,5	от 5 до 25	от 200 до 400
1.5 до 3,0	от 10 до 50	от 10 до 100
	> 50	от 3 до 10
3,0 — 10,0	от 20 до 50	от 3 до 10
	от 50 до 100	от 1 до 3
	> 100	1

Примеры частот для различной глубины корпуса и диаметра материала

Приведенная выше таблица является чисто иллюстративной, хорошие результаты могут быть получены за пределами этих диапазонов путем балансировки плотности мощности, частоты и других практических соображений, включая стоимость, которая может повлиять на окончательный выбор, время нагрева и ширину катушки.Так же, как плотность мощности и частота, время, в течение которого нагревается материал, будет влиять на глубину, на которую тепло будет течь за счет теплопроводности. Время в катушке может зависеть от скорости перемещения и ширины катушки, однако это также будет влиять на общую потребляемую мощность или пропускную способность оборудования.

Из приведенной выше таблицы видно, что выбор подходящего оборудования для любого применения может быть чрезвычайно сложным, поскольку для получения определенного результата можно использовать более одной комбинации мощности, частоты и скорости.Однако на практике многие варианты сразу становятся очевидными, исходя из предыдущего опыта и практичности.

Мама, посмотри, что еще я нашла!

---

Мудрость моего отца: «Человеку нужно больше, чтобы уйти от битвы, чем остаться и сражаться».

.