Индукционный нагрев своими руками. Простейший индукционный нагреватель своими руками

Содержание

Сегодня электроэнергия обходится потребителям совсем недешево, но работающие на таком ресурсе отопительные приборы пользуются у населения определенной популярностью. Большой интерес вызывают устройства, функционирующие на принципе электромагнитной индукции. В статье описано, как работает подобное устройство, где используется, и как сделать индукционный нагреватель своими руками. Но прежде - немного истории.

Вихревой индукционный нагреватель

В начале девятнадцатого века ученый из Англии Фарадей проводил эксперименты, преследуя цель преобразовать магнетизм в электроэнергию. У него вышло получить поток энергии в первичной обмотке, состоящей из провода, накрученного на сердечник, изготовленный из железа. Таким образом стала открыта электромагнитная индукция. Произошло это в 1831 г.

Первую плавильню, использующую мощный водонагреватель, работающий по принципу индукции, открыли в Англии, в тридцатых годах прошлого века. В восьмидесятых прошлого века принцип индукции применялся более активно. Специалисты разработали вихревые нагреватели. Ими обогревали заводские цеха и различные производственные помещения. Через некоторое время начали производить бытовые устройства.

Принцип работы индуктора

Вихревые нагреватели обычно используются для отопительных котлов. Они пользуются большим спросом у населения за счет своей мощности и простой конструкции. Функционирование их основывается на передаче теплоносителю энергии магнитного поля. Вода, подающаяся в аппарат, нагревается путем подачи энергии. Далее она подается в отопительную систему. Чтобы появилось давление, применяется насос. Вода циркулирует и защищает элементы от перегрева. Теплоноситель вибрирует, что предотвращает появление накипи на стенках оборудования.

Если изучить изнутри индукционный обогреватель, там можно обнаружить металлический корпус, изоляцию и сердечник. Основное отличие такого нагревателя от промышленных - обмотка медными проводниками. Последняя находится между 2-ух сваренных стальных труб.

Принцип электромагнитной индукции

Самодельный индукционный нагреватель мало весит, обладает хорошим КПД и компактными размерами. Как сердечник, тут используется труба с обмоткой. Вторая труба нужна для нагревания. Ток, генерируемый магнитным полем, греет воду. По такому принципу функционируют самодельные устройства и часть современных нагревателей.

Устройство нагревательного прибора

Прибор состоит из таких элементов :

1. Пластиковая трубка.
2. Сетка из нержавейки.
3. Проволока из стали.
4. Медная проволока.
5. Сварочный инвертор.

Одно из главных достоинств данного устройства - это простая конструкция. Схема индукционного нагревателя примерно такова. В круглом корпусе находится катушка - индуктор. Внутри последнего находится отрезок стальной трубы с 2-мя патрубками на концах. Они нужны для присоединения прибора к отопительной системе. После подключения через трубу будет проходить вода. Труба будет нагреваться. От соприкосновения с ней разогревается теплоноситель.

Схема устройства индукционного нагревателя

У других видов прибора катушка крепится к электрической сети, однако имеется и другая схема подключения. Отличается она преобразователем, который повышает частоту колебаний тока, подаваемого на катушку. Этот преобразователь называется инвертором и состоит их 3-х модулей:

1. Выпрямитель.
2. Инвертор с 2-мя транзисторами.
3. Схема управления транзисторами.

Процессы, происходящие в устройстве, похожи на работу трансформатора. Разница во вторичной обмотке, которая тут короткозамкнута и расположена внутри первичной. Еще одно отличие в том, что в случае с трансформатором нагрев - побочный эффект, его стараются избежать.

Интересный факт: обслуживание индукционника обойдется гораздо дешевле, чем, если использовать газовый котел или бойлер. Аппарат состоит из минимума деталей, практически не выходящих из строя. Ломаться в нагревателе нечему. Воду греет обыкновенная трубка, которая в отличие от того же ТЭНа не может перегореть либо испортиться.

Сфера применения

Сегодня применение индукционного нагрева используется очень часто. Основные области применения :

• плавка металла, получение новых сплавов;
• производство металлической проволоки;
• ювелирное дело;
• производство котлов отопления;
• термическая обработка запчастей для транспортных средств;
• медицинская отрасль (дезинфекция инструментов, врачебного оборудования);
• машиностроение, обогрев автосервиса;
• промышленные печи.

Недостатки и достоинства

Рассмотрим положительные характеристики и преимущества индукционного оборудования:

1. Нагрев производится в любой среде.
2. Возможность изготовления сверхчистых сплавов.
3. Быстрый нагрев и плавка любого материала, который проводит ток.
4. Элементы прибора монтируются снаружи, врезки отсутствуют. Это гарантирует исключение протечек.
5. Индукционный водонагреватель не загрязняет окружающую среду.
6. Удобен при необходимости нагрева определенного участка поверхности.
7. Площадь контакта теплоносителя с поверхностью нагревателя во много раз больше, нежели в аппаратах с трубчатыми электронагревателями. За счет этого среда греется очень быстро.
8. Компактные размеры прибора.
9. Оборудование легко настраивается на нужный режим работы и без труда регулируется.
10. Имеется возможность изготовления прибора любой формы (в том числе самостоятельно). Это предупреждает локальный нагрев и способствует равномерному распределению тепла.

Простой нагреватель индукционного типа

Проточный нагреватель такого типа практически не имеет минусов, если сравнивать с приборами, работающими по иным принципам. Единственная сложность эксплуатации в том, что необходимо сопоставить индуктор с заготовкой. Иначе нагрев будет недостаточным и маломощным.

Процесс изготовления своими руками

Для работы пригодятся следующие инструменты:

• сварочный инвертор;
• сварочный генерирующий ток силой от 15 ампер.

Еще понадобится проволока из меди, которая наматывается на корпус сердечника. Устройство будет выполнять роль индуктора. Контакты проволоки соединяются с клеммами инвертора так, чтобы не образовалось скруток. Отрезок материала, нужный для сборки сердечника, должен быть нужной длины. В среднем число витков равно 50, диаметр проволоки - 3-м миллиметрам.

Медная проволока разного диаметра для обмотки

Теперь перейдем к сердечнику. В его роли будет полимерная труба, сделанная из полиэтилена. Такой вид пластмассы выдерживает довольно высокую температуру. Диаметр сердечника - 50 миллиметров, толщина стенок - минимум 3 мм. Данная деталь используется как калибр, на который навивается проволока из меди, формируя индуктор. Собрать простейший индукционный нагреватель воды может практически любой человек.

На видео увидите способ - как самостоятельно организовать индукционный нагрев воды для отопления:

Первый вариант

На 50-миллиметровые отрезки рубится проволока, ей заполняется пластиковая трубка. Чтобы она не высыпалась из трубы, следует закупорить торцы проволочной сеткой. На концах ставятся переходники от трубы, в том месте, где подключается нагреватель.

На корпус последнего медной проволокой наматывается обмотка. Для этой цели нужно примерно 17 метров проволоки: нужно сделать 90 витков, диаметр трубы - 60 миллиметров. 3,14×60×90=17 м.

Важно знать! В ходе проверки функционирования устройства следует тщательно удостовериться, что в нем есть вода (теплоноситель). Иначе корпус устройства быстро расплавится.

Труба врезается в трубопровод. Нагреватель подключается к инвертору. Осталось заполнить устройство водой и включить. Все готово!

Второй вариант

Этот вариант гораздо попроще. Выбирается прямой участок метрового размера на вертикальной части трубы. Его следует тщательно очистить от краски, используя наждачку. Далее этот участок трубы покрывается тремя слоями электротехнической ткани. Медной проволокой наматывается индукционная катушка. Вся система подключения хорошенько изолируется. Теперь можно подключить сварочный инвертор, и процесс сборки полностью завершен.

Индукционная катушка, обмотанная медной проволокой

Перед тем как начинать изготовление водонагревателя своими руками, желательно ознакомиться с характеристиками заводских изделий и изучить их чертежи. Это поможет разобраться с исходными данными самодельного оборудования и избежать возможных ошибок.

Третий вариант

Чтобы сделать нагреватель этим более сложным способом, нужно использовать сварку. Для работы еще понадобится трехфазный трансформатор. Друг в друга нужно вварить две трубы, которые будут выполнять роль нагревателя и сердечника. На корпус индукционника накручивается обмотка. Таким образом повышается производительность прибора, который имеет компактные размеры, что очень удобно при его эксплуатации в домашних условиях.

Обмотка на корпусе индукционника

Для подвода и отвода воды, в корпус индукционника ввариваются 2 патрубка. Чтобы не терять тепло и предотвратить возможные утечки тока, нужно сделать изоляцию. Она избавит от проблем, описанных выше, и полностью исключит появление шума при работе котла.

Техника безопасности должна соблюдаться всегда. Особенно когда мастерят что-то самостоятельно. Здесь нагреватели применяются для систем, имеющих принудительную циркуляцию. Теплоэнергия вырабатывается очень быстро и может возникнуть перегрев теплоносителя.

Нельзя забывать про предохранительный клапан. Он крепится на нагревателе. В случае когда циркулярный насос перестанет работать, то стопроцентно случится перегрев теплоносителя. Если клапан не будет установлен заранее, то произойдет разрыв системы. Последняя должна из предосторожности оснащаться термостатом. Если нагреватель заключен в металлический корпус, то он обязательно заземляется.

Нагреватель в металлическом корпусе

Так как у самодельной конструкции нет нормального экранирования, то индукционник устанавливается как минимум в 80-и сантиметрах от горизонтальных поверхностей. Расстояние до стены - от 30 сантиметров.

Совет: мощность самодельных нагревателей может способствовать распространению электромагнитного излучения. Устройство желательно экранировать оцинкованной сталью и не устанавливать в жилом помещении! Электромагнитное переменное поле есть внутри и снаружи катушки. Оно будет нагревать все металлические поверхности, расположенные рядом.

Так, без глобальных финансовых трат, нетрудно собственноручно сделать этот нехитрый прибор. Схема сборки проста, и справиться с работой по сборке нагревателя собственноручно сможет практически каждый. Тут не требуется профильных технических знаний. Завершить работу можно буквально за несколько часов.

Индукционный нагрев – это современный способ термической обработки электропроводящих веществ и материалов, который имеет наиболее высокий коэффициент полезного действия среди существующих методов. Для более экономичной работы отопительных и бытовых приборов, сегодня, используют специальные индукционные нагреватели. Как работают индукционные устройства и как самостоятельно сделать аппарат индукционного нагрева – читайте ниже.

Принцип индукционного нагрева основан на воздействии переменного тока на обмотку трансформатора и последующем возникновении электромагнитного поля. В результате возникновения магнитного поля, между магнитными и немагнитными деталями образуется электрический ток. Именно высокочастотными токами (ТВЧ) и происходит нагрев различных электропроводящих материалов.

Индукционный нагрев имеет массу преимуществ:

• Устройство индукционного нагрева имеет небольшой вес, поэтому его легко можно использовать в бытовых целях;
• Индукционный нагрев идеально подходит для всех видов термической обработки металла, среди которых особой популярностью пользуется сварка, пайка, ковка;
• Высокочастотный нагрев может производиться в вакууме, защитном газе;
• С помощью индукции можно быстро и равномерно прогреть электропроводящие вещества, получить сверхчистые металлы.

Кроме того, такой способ нагрева является сверхэкономичный: он преобразовывается до 90% потребленной в тепло (при том, что обычные электрические нагреватели имеют, в среднем, показатели в 45-50%).

Вихревой индукционный нагреватель

Благодаря экономической выгоде, сегодня, индукционный нагрев имеет широкое применение. Аппарат вихревого индукционного нагрева отлично подходит для помещений площадью до 60 кв. м, отапливать которые необходимо электричеством. Так, ВИН можно использовать для отопления частных домов, производственных и складских помещений, АЗС, автосервиса и других отдельно стоящих объектов.

К основным преимуществам использования ВИН в качестве “сердца” отопительной системы можно отнести то, что:

• Нагрев происходит практически моментально, ведь тепло возникает непосредственно в детали;
• С годами установка работает с той же мощностью, ее производительность не снижается;
• В сравнении с обычными электрическими нагревательными элементами, индукционный вихревой аппарат экономит до 50% электроэнергии.

Именно поэтому сегодня, все больше, компаний по производству бытовой техники и производственных машин используют индукционный нагрев. Примером такого использования, помимо отопительных котлов, может служить индукционная электрическая печь. В пищевой промышленности используется ультразвуковой индукционный нагреватель. Для нагрева металлов в промышленности применяют инверторный индукционный аппарат, для плавки цветных металлов – плавильно-восстановительный агрегат, ковки железа и изготовления заготовок – индукционный электрический горн.

Схема индукционного нагревателя на основе печатной платы

Сделать ВИН можно и своими руками. Для того, чтобы правильно собрать вихревой аппарат индукционного нагрева, необходимо найти схему устройства. Наиболее простой является схема печатной платы, которая представляет собой прерыватель, работающий на высокомощных транзисторах.

Характерными отличиями такой схемы являются:

• Нагревательный индуктор (катушка) в виде спирали с 6-8 витками;
• Наличие регулятора напряжения (можно взять со старого компьютерного блока);
• Наличие сопротивления, защищающего транзисторы от перегрева.

Транзисторы в нагревателе, собранном по такой схеме, рекомендуют устанавливать на специальные радиаторы: это позволит избежать перегрева устройства. По такой же схеме можно собрать индукторный водонагреватель.

Устройство вихревого индукционного нагревателя включает в себя:

• Катушку;
• Теплообменник;
• Клеммную коробку;
• Шкаф управления;
• Входной и выходной патрубки.

В основе такой схемы лежит резонансный принцип работы, происходящий в последовательном колебательном контуре. Магнитный поток между витками катушки замыкается по воздуху.

Чтобы собрать нагреватель для водяного отопления, проще всего будет использовать схему с трансформатором, состоящим из первичной и вторичной короткозамкнутых обмоток. Вода будет нагреваться, проходя по трубам внутри катушки и подаваться нагретой из выходного патрубка.

При этом, следует помнить, что в системах водяного отопления с ВИД необходимо использовать насос для принудительной циркуляции воды.

Если возможности установить проточный насос нет, то можно выбрать в качестве нагревательного элемента механический подогреватель для жидкого теплоносителя или прикрепить к стенке резервуара с теплоносителем обогреватель на постоянных магнитах.

Экодом - мечта или реальность? Может ли дом совсем не потреблять энергию? Ответы на следующей странице:

Простейший индукционный нагреватель своими руками

Самый бюджетный индукционный генератор можно сделать, взяв трансформаторный магнитопровод. Достаточно мощное приспособление для индукционного нагрева можно собрать из электронного трансформатора, который представляет собой импульсный блок питания.

Для того, чтобы собрать устройство необходимо:

1. Спаять основной трансформатор из электрического;
2. Изготовить индуктор на базе ферритовой чашки;
3. Запаять концы проводов на место импульсного блока питания.

Такой нагреватель будет иметь КПД не менее 65%. Этого будет достаточно для того, чтобы собрать небольшую индукционную электрическую печь. Кроме того, с помощью такого приспособления можно будет быстро плавить провода с диаметром до 4 мм.

Как сделать индукционный нагреватель своими руками: инструкция

Аппарат индукционного нагрева можно сделать из инверторного источника тока сварочного аппарата. При этом, конструкцию можно упростить, поместив внутрь индукционной катушки прямую трубу. Она будет работать в качестве сердечника. Для того, чтобы сделать нагреватель вам понадобиться: полимерная труба диаметром 5 см; стальная проволока диаметром 0,6 см; медный провод на 3мм; строительная металлическая мелкоячеистая сетка.

Приступаем к работе:

• Нарезаем катанку на отрезки длиной в 3-6 мм;
• Закрываем один конец трубы строительной сеткой;
• Засыпаем внутрь трубы отрезки проволоки;
• Закрываем сеткой второй конец трубы;
• Поверх трубы выполняем обмотку (витков должно быть не менее 85 и не более 95);
• Изолируем концы обмотки и присоединяем их к выходу одного из видов источника питания сварочной дуги.

Приспособление готово! Теперь, во время работы аппарата, катушка будет создавать электромагнитное поле и потоки вихревого тока. Это приведет к тому, что приспособление станет быстро нагреваться.

Индукционный нагреватель из сварочного инвертора: особенности

В обычном виде индукционные нагреватели, сделанные из сварочного инвертора, представляют повышенную опасность, ведь они не могут автономно контролировать температуру воды. Так, использование нагревателя в системах с теплоносителем может быть чревато короткими замыканиями и разрывом труб. Это может произойти из-за высокого гидравлического сопротивления в системе, которое возникает вследствие движения теплоносителя сквозь куски катанки. Поэтому, такие устройства требуют доработок.

Чтобы избежать аварийных ситуаций, следует снабжать самодельный аппарат индукционного нагрева, сделанный из сварочного инвертора, устройствами аварийного отключения.

Для контроля нагрева можно применить терморегулятор с температурным датчиком температуры и реле, размыкающим цепь, когда температура теплоносителя достигнет установленных значений. Кроме того, избежать разрыва системы можно будет, прикрепив к нагревателю через тройник, с одной стороны, предохранительный клапан.

Опытные электрики говорят о том, что переделка одного из видов источников питания сварочной дуги в нагреватель не оправдана: тепловую мощность нагревателя будет ограничивать электрическая мощность инвертора.

Такого генератора тепла хватит на обогрев комнаты, площадь которой составляет не более 30 кв. м. Экономия средств, в этом случае, составит 30-50% (в зависимости от габаритов апартаментов). При этом, дорогостоящего сегодня сварочного аппарата вы лишитесь.

Что такое индукционный нагреватель (видео)

Индуктивный нагрев – это современный способ термической обработки электропроводящих веществ, который нашел широкое бытовое применение. Так, вихревые индукционные нагреватели отлично подходят для организации более экономичной и эффективной работы отопительной системы. Сделать индукционный генератор, при этом, можно сделать самостоятельно. Главное – учитывать рекомендации профессиональных электриков и выполнять все работы последовательно!

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

Описание метода.

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

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

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

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

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

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

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

Преимущества.

Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.

Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в непроводящей жидкости, в вакууме.

Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева - эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал - металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п.

За счёт возникающих МГД усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе - так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле).

Поскольку разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева, или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование.

Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора.

Индуктор можно изготовить особой формы - это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному непрогреву.

Легко провести местный и избирательный нагрев.

Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более мягко за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина при этом остаётся вязкой).

Лёгкая автоматизация оборудования - циклов нагрева и охлаждения, регулировка и удерживание температуры, подача и съём заготовок.

Установки индукционного нагрева:

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

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

Индуктор для нагрева мелких деталей имеет небольшие размеры и небольшую индуктивность, что приводит к уменьшению добротности рабочего колебательного контура на низких частотах и снижению КПД, а также представляет опасность для задающего генератора (добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью слишком хорошо «накачивается» энергией, образует короткое замыкание по индуктору и выводит из строя задающий генератор). Для повышения добротности колебательного контура используют два пути:
- повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;
- применение ферромагнитных вставок в индукторе; обклеивание индуктора панельками из ферромагнитного материала.

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

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

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

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

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

Недостатки трёх точки:

Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).

Сильное отклонение частоты в момент нагрева заготовок из магнитных материалов выше точки Кюри (≈700С) (изменяется μ), что изменяет глубину скин-слоя и непредсказуемо изменяет режим термообработки. При термообработке ответственных деталей это может быть недопустимо. Также мощные твч-установки должны работать в узком диапазоне разрешённых Россвязьохранкультурой частот, поскольку при плохом экранировании являются фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.

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

При смене одновитковых индукторов на многовитковые, на более крупные или более малогабаритные частота также изменяется.

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

Современные твч-генераторы - это инверторы на IGBT-сборках или мощных MOSFET-транзисторах, обычно выполненные по схеме мост или полумост. Работают на частотах до 500 кГц. Затворы транзисторов открываются с помощью микроконтроллерной системы управления. Система управления в зависимости от поставленной задачи позволяет автоматически удерживать

А) постоянную частоту
б) постоянную мощность, выделяемую в заготовке
в) максимально высокий КПД.

Например, при нагреве магнитного материала выше точки Кюри толщина скин-слоя резко увеличивается, плотность тока падает, и заготовка начинает греться хуже. Также пропадают магнитные свойства материала и прекращается процесс перемагничивания - заготовка начинает греться хуже, сопротивление нагрузки скачкообразно уменьшается - это может привести к "разносу" генератора и выходу его из строя. Система управления отслеживает переход через точку Кюри и автоматически повышает частоту при скачкообразном уменьшении нагрузки (либо уменьшает мощность).

Замечания.

Индуктор по возможности необходимо располагать как можно ближе к заготовке. Это не только увеличивает плотность электромагнитного поля вблизи заготовки (пропорционально квадрату расстояния), но и увеличивает коэффициент мощности Cos(φ).

Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты).

При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев до точки Кюри идет намного эффективнее.

При расчёте индуктора необходимо учитывать индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше индуктивности самого индуктора (если индуктор выполнен в виде одного витка небольшого диаметра или даже части витка - дуги).

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

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

Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений.

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

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

Принцип работы индукционного нагревателя основан на двух физических эффектах: первый заключается в том, что при движении проводящего контура в магнитном поле в проводнике возникает индуцированный ток, а второй основан на выделении тепла металлами, через которые пропускают ток. Первый индукционный нагреватель был реализован в 1900 году, когда был найден способ бесконтактного нагрева проводника – для этого использовали токи высокой частоты, которые индуцировались с помощью переменного магнитного поля.

Индукционный нагрев нашёл применение в различных сферах деятельности человека благодаря:

• быстрому разогреву;
• возможности работы в различных по физическим свойствам средах (газ, жидкость, вакуум);
• отсутствию загрязнений продуктами горения;
• возможности избирательного нагрева;
• формам и размерам индуктора – они могут быть любыми;
• возможности автоматизации процесса;
• высокому проценту КПД – до 99%;
• экологичности – нет вредных выбросов в атмосферу;
• длительному сроку службы.

Сфера применения: отопление помещений

В быту схема индукционного нагревателя была реализована для и плит. Первые получили особенно большую популярность и признание у пользователей за счёт отсутствия нагревательных элементов, которые снижают работоспособность в котлах с другим принципом действия, и разъёмных соединений, что даёт экономию на обслуживании систем индукционного отопления.

Примечание: Схема устройства настолько проста, что может быть создана в домашних условиях, и своими руками можно создать самодельный нагреватель.

На практике используются несколько вариантов, где используется разного типа индукторы:

• нагреватели с электронным управлением для создания токов нужного вида в катушке;
• вихревые индукционные нагреватели.

Принцип действия

Последний вариант, наиболее часто используемый в котлах отопления, стал востребован за счёт простоты его реализации. Принцип работы установки индукционного нагрева основан на передаче энергии магнитного поля теплоносителю (воде). Магнитное поле формируется в индукторе. Переменный ток, проходя через катушку, создаёт вихревые потоки, которые трансформируют энергию в тепло.

Вода, подаваемая через нижний патрубок в котёл, прогревается за счёт передачи энергии, и выходит через верхний патрубок, попадая дальше в систему отопления. Для создания давления используют встроенный насос. Постоянно циркулирующая в котле вода не позволяет элементам перегреваться. Кроме того, во время работы происходит вибрация теплоносителя (при низком уровне шума) за счёт чего невозможно отложение накипи на внутренних стенках котла.

Индукционные нагреватели могут быть реализованы различными способами.

Реализация в бытовых условиях

Индукционное отопление ещё не завоевало в достаточной степени рынок из-за высокой стоимости самой системы обогрева. Так, например, для промышленных предприятий подобная система обойдётся в 100 000 рублей, для бытового использования – от 25 000 руб. и выше. Поэтому вполне понятен интерес к схемам, которые позволяют создать самодельный индукционный нагреватель своими руками

На базе трансформатора

Основным элементом системы индукционного отопления с трансформатором станет само устройство, у которого есть первичная и вторичная обмотки. Вихревые потоки будут формироваться в первичной обмотке и создадут электромагнитное индукционное поле. Это поле будет воздействовать на вторичную, которая и есть, по сути, индукционный нагреватель, реализованный физически в виде корпуса котла отопления. Именно вторичная короткозамкнутая обмотка передает энергию теплоносителю.

Главными элементами установки индукционного нагрева являются:

• сердечник;
• обмотка;
• два вида изоляции – тепло- и электроизоляция.

Сердечник – это две ферримагнитные трубки разного диаметра с толщиной стенок не менее 10 мм, вваренные друг в друга. Тороидальная обмотка из медного провода производится по внешней трубке. Необходимо наложить от 85 до 100 витков с равным расстоянием между витками. Переменный ток, изменяясь во времени, создаёт вихревые потоки в замкнутом контуре, которые и нагревают сердечник, следовательно, и теплоноситель, осуществляя индукционный нагрев.

С использованием высокочастотного сварочного инвертора

Индукционный нагреватель может быть создан с использованием сварочного инвертора, где главными компонентами схемы служат генератор переменного тока, индуктор и нагревательный элемент.

Генератор используется для преобразования стандартной частоты в сети электропитания 50 Гц в в ток с более высокой частотой. Этот модулированный ток подаётся на цилиндрическую катушку-индуктор, где в качестве обмотки используется медная проволока.

Катушка создаёт переменное магнитное поле, вектор которого меняется с заданной генератором частотой. Созданные вихревые токи, индуцированные магнитным полем, производят нагрев металлического элемента, который передаёт энергию теплоносителю. Таким образом реализуется ещё одна схема индукционного отопления, выполненная своими руками.

Нагревательный элемент тоже может быть создан своими руками из нарезанной металлической проволоки длиной около 5 мм и отрезка полимерной трубы, в которую помещается металл. При установке вентилей сверху и снизу трубы следует проверить плотность наполнения – не должно оставаться свободного пространства. Согласно схеме поверх трубы накладывается около 100 витков медной проводки, которая и является индуктором, подключаемым к клеммам генератора. Индукционный нагрев медной проволоки происходит за счёт вихревых токов, формируемых переменным магнитным полем.

Примечание: Индукционные нагреватели своими руками могут выполнены по любой схеме, главное помнить о том, что важно осуществить надёжную теплоизоляцию, в противном случае КПД системы отопления значительно упадёт.

Правила безопасности

Для систем отопления, где используется индукционный нагрев, важно соблюдать несколько правил во избежание утечек, потерь КПД, расходования электроэнергии, несчастных случаев.

1. В системах индукционного отопления необходимо наличие предохранительного клапана для сброса воды и пара на случай выхода из строя насоса.
2. Манометр и УЗО обязательны для безопасной работы отопительной системы, собранной своими руками.
3. Наличие заземления и электроизоляции всей системы индукционного отопления предупредит поражение электрическим током.
4. Во избежание пагубного воздействия электромагнитного поля на организм человека подобные системы лучше выносить за пределы жилой зоны, где следует соблюдать правила монтажа, согласно которым устройство индукционного нагрева должно размещаться на расстоянии 80 см от горизонтальных (пола и потолка) и 30 см от вертикальных поверхностей.
5. Перед включением системы следует обязательно проверять наличие теплоносителя.
6. Для предотвращения сбоев в работе электросети рекомендуется подключение котла с индукционным нагревом, выполненного своими руками по предложенным схемам, к отдельной питающей линии, сечение кабеля которой будет составлять не менее 5 мм2. Обычная проводка может не выдержать требуемое энергопотребление.

Данное устройство было собрано только для демонстрационных целей, оценить воздействие на людей и окружающую среду пока не удалось.
Устройство представляет из себя , высокочастотный преобразователь напряжения, который был использован для индукционного нагрева.
Задающий генератор может быть любым, частота генератора подбирается 20-100кГц, можно использовать как однотактные, так и двухтактные преобразователи напряжения. Хочу сразу предупредить, что устройство достаточно капризное, настройка у меня отняла немало времени, хотя этого времени хватило для разгадки всех "тайн" схемы.

Генератор желательно помощнее , как показала практика, со слабым генератором схема может вообще не заработать. В качестве задающего генератора можно использовать ШИМ контроллер на UC3845. На этой микросхеме можно собрать отличный однотакт с приличной мощностью и нужно частоты, поскольку рабочая частота микросхемы (до 1мГц) вполне подходит для наших целей.

Трансформаторов в нашей схеме два. Первый трансформатор нужен для "раскачки" более мощных транзисторов. Этот трансформатор мотается на кольце со внутренним диаметром 15мм (от 10 до 40мм). Первичная обмотка содержит 16 витков. Мотается сразу двумя жилами провода 0,5мм. Вторичных обмоток две, они полностью идентичны и содержат по 25 витков провода 0,4-0,7мм. Мотать нужно одновременно две обмотки (для максимальной схожести). Для этого берем провод 0,5мм и мотаем сразу двумя жилами.

После намотки первого трансформатора приступаем ко второму. Этот трансформатор намотан на ферритовом кольце от электронного трансформатора на 150 ватт. Общий диаметр кольца 35мм. Первичная обмотка мотается сразу 3-я жилами провода 0,5см каждая жила. Вторичная обмотка (шина) мотается 10-ю жилами провода 0,5мм и содержит всего 2 витка.

Трансформатор имеет также одну независимую обмотку, к которой подключен светодиод (через ограничитель в 100 Ом). Этот светодиод будет уведомлять о правильной работе схемы, он покажет наличие генерации напряжение на втором трансформаторе.
Индуктор состоит из 5 витков одножильного алюминиевого (желательно медного) провода с диаметром 3,5мм. Провод мотается на батарейку типа АА, внутренний диаметр индуктора 10-12мм.

Индуктор подключается к обмотке через конденсатор с емкостью 1,5 мкФ. Если под рукой нет такого конденсатора, то можно использовать блок из нескольких конденсаторов, суммарная емкость которых будет 1,3-1,6мкФ. Конденсаторы можно использовать с напряжением 63-630 вольт.

Транзисторы в в моем случае использованы отечественные КТ819, но с успехом можно заменить к примеру на КТ805 или другие аналогичные. Теплоотвод транзисторам нужен обязательно, поскольку перегрев будет довольно сильный.
Базовые резисторы с мощностью 0,25 ватт, можно вообще 0,125 ставить.

Источником питания может служить любой стабилизированный БП (в моем случае аккумулятор от бесперебойника с емкостью 7 А) с напряжением 9-14 вольт.

Данный нагреватель может нагревать буквально все металлы, но в основном предназначен для плавки железа.

Настройка

Что делать , если схема не работает , или работает, но не так , как должна?

1) Если схема вообще отказывается работать, то меняем местами выводы обмоток базы транзисторов,. Сначала меняем местами начало-конец обмотки одного из транзисторов, если не помогло, то возвращаем на место и пробуем тоже самое с обмоткой другого транзистора.
2) Если схема работает, но потребление очень малое, то нужно смотреть в сторону генератора, возможно он слишком слабый.
3) Если генератор работает, но на втором трансформаторе нет генерации, то причин две - неправильная фазировка базовых обмоток или испорченные транзисторы.
4) Если схема работает нормально, но металлический предмет не нагревается, то скорее всего генератор работает на более низких или высоких частотах.

Перед запуском устройства тщательно проверяйте монтаж именно из-за неправильного монтажа , бывают основные проблемы с работой устройства.

Пару слов о генераторе.

Были опробованы несколько схем задающей части , но как всегда выручила старая и добрая схема на одноканальном ШИМ контроллереUC3845. Преобразователь работает на частотах 45-50кГц, мощность более 50 ватт. Транзистор IRF3205 может быть заменен на любой полевой с током более 40 Ампер обязательно на теплоотводе.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Преобразователь
VT1, VT2	Биполярный транзистор	КТ819	2			В блокнот
	Конденсатор	0.47 мкФ	2	Пленочный		В блокнот
	Конденсатор	1.3-1.6 мкФ	1	Пленочный		В блокнот
R1, R2	Резистор	10-15 Ом	2			В блокнот
	Генератор
	ШИМ контроллер	UC3845	1			В блокнот
T1	Транзистор	IRF3207	1			В блокнот
VD1	Выпрямительный диод	UF4007	1			В блокнот
R1	Резистор	5.1 кОм	1			В блокнот
R2	Резистор	6.8 кОм	1			В блокнот
R3	Резистор	10 Ом	1			В блокнот
R4	Резистор