Принцип индукционного нагрева: Индукционный нагрев, основные принципы и технологии.

Разное

Содержание

Индукционный нагрев, основные принципы и технологии.

1 августа 2013

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

Описание метода.

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

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

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

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

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

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

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

Преимущества.

Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.

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

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

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

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

Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора.

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

Легко провести местный и избирательный нагрев.

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

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

Установки индукционного нагрева:

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

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

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

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

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

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

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

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

Недостатки трёх точки:

Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).

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

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

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

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

Недостаток многоконтурных систем — повышенная сложность и возникновение паразитных колебаний УКВ-диапазона, которые бесполезно рассеивают мощность и выводят из строя элементы установки. Также такие установки склонны к затягиванию колебаний — самопроизвольному переходу генератора с одной из резонансных частот на другую.

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

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

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

Замечания.

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

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

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

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

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

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

Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений.

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

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

Индукционный нагреватель металла. Принцип работы

индукционный нагреватель металла

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

[xyz-ihs snippet=»nachalo»]

Как работает индукционный нагреватель?

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

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

индукционный нагрев

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

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

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

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

вихревой нагреватель

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

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

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

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

[xyz-ihs snippet=»seredina»]

Индукционный нагреватель своими руками

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

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

схема индукционного нагревателя

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

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

нагреватель из сварочного инвертора

Рабочая схема

В состав нагревателя входят следующие составляющие:

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

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

индукционная печь

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

Примерные эксплуатационные возможности самодельного индукционного нагревателя металла:

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

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

[xyz-ihs snippet=»posledniy»]

[xyz-ihs snippet=»recommend»]

Что такое индукционная плита и как она работает | Плиты и варочные поверхности | Блог

Приготовление на индукционной панели напоминает магию — жар готовки находится только внутри посуды, вокруг же — ни намека на тепло. О технологиях, используемых в индукционных варочных панелях для того, чтобы получить эту магию, и пойдет речь.

Индукция в деталях

Способность электрического тока возникать в проводнике при пересечении им силовых линий магнитного поля, была замечена Майклом Фарадеем в 1831 году. Открытие электромагнитной индукции дало старт золотой эре разработки электрических машин переменного тока (генераторов, электродвигателей и трансформаторов), определяющих комфортную жизнь человечества по сей день.

В ходе конструирования первых образцов электрических машин и аппаратов, изобретатели столкнулись с проблемой нагрева их «железа», что приводило к существенным потерям энергии (вследствие ее преобразования в тепловую) и общему снижению КПД агрегатов.

Несколько позже Фарадей описал природу возникновения электрического тока не только на поверхности проводника, но и в толще материала с точки зрения открытого им явления. Данные токи были названы вихревыми, поскольку возникают в перпендикулярной магнитному потоку плоскости и имеют круговую природу протекания. Позже они были названы токами Фуко, в честь ученого, посвятившего жизнь их исследованию.

В 1841 году ученые Джеймс Джоуль и Эмиль Ленц, проводя исследования независимо друг от друга, пришли к выводу, что количество тепловой энергии, выделяемой проводником при протекании по нему электрического тока, находится в прямой зависимости от плотности электрического тока и напряженности электрического поля.

Формулирование этого закона дало понимание природы нагрева металлических сердечников трансформаторов и железа статоров и роторов электрических машин, а также дало толчок в разработке методик по снижению влияния вихревых токов на работу электрических машин и аппаратов.

Вихревые токи считаются паразитными. При конструировании электрических аппаратов с ними нещадно борются, стараясь минимизировать их влияние на работу устройства. К примеру, в трансформаторах магнитопровод изготавливают из тонких металлических пластин, изолированных друг от друга. Так же поступают при производстве железа статора электрических машин переменного тока.

В случае с индукционными печами, токи Фуко — основная компонента, позволяющая получать потрясающие результаты, поэтому их всячески «культивируют» и усиливают.

Помещение металла в переменное магнитное поле позволяет получить его нагрев за счет возникновения в нем вихревых токов.

Это свойство дало жизнь целому семейству устройств — индукционным печам, используемым как в промышленности (получение сверхчистых (без примесей) сплавов, сварка, пайка и плавка металлов и т. д.), так и в быту (приготовление пищи). Причем было замечено, что с повышением частоты переменного магнитного поля, процессы возникновения вихревых токов интенсифицируются, позволяя получать более быстрый нагрев помещенного в него материала.

Устройство и принцип действия индукционной варочной панели

Варочная поверхность индукционного типа состоит из следующих основных частей:

  • индуктора;
  • выпрямителя;
  • инвертора;
  • вентилятора;
  • платы управления.

Работает индукционная панель следующим образом. Сетевое переменное напряжение выпрямляется и поступает на вход инвертора. В нем оно снова преобразуется в переменное, но уже со значительно большей частотой. Как правило, для работы индукционных варочных плит используется диапазон частот от 20 кГц до 120 кГц.

Нижний порог выбран неспроста: это именно то значение частоты, выше которого ухо человека не способно уловить звуковые вибрации. Чтобы не причинять пользователям дискомфорта неприятным звуком, нижний порог частоты не может быть ниже 20 кГц.

В процессе работы электронные компоненты инвертора и индукторов довольно сильно греются, поэтому плата инвертора принудительно обдувается потоком воздуха, нагнетаемого вентилятором.

Индуктором, представляющим собой катушку, намотанную из медного многожильного провода в форме конфорки, формируется переменное магнитное поле высокой частоты.

Регулирование мощности нагрева в индукционных печах может происходить двумя способами:

  • циклическим включением индуктора на полную мощность. Частота включений зависит от необходимой температуры нагрева пищи при приготовлении. Ее получают с термодатчиков, установленных под наружной поверхностью печи. При этом частота магнитного поля конфорки остается неизменной;
  • изменением частоты магнитного поля. Чем выше частота, тем большее количество вихревых токов индуцируется в посуде. Следовательно, можно получить большую температуру нагрева ее поверхности. Как правило, регулирование мощности конфорки укладывается в тот же диапазон частот: 20 кГц – 120 кГц.

В недорогих моделях для регулирования мощности нагрева применяется циклический способ регулирования мощности.

В более продвинутых — изменение частоты.

Когда металлическую посуду ставят на конфорку, в толще материала возникают вихревые токи, которые и обеспечивают ее нагрев. По сути дно кастрюли или сковородки выступает в качестве вторичной обмотки трансформатора (короткозамкнутой) и является отличной средой для возникновения токов Фуко.

Здесь следует сделать одно важное отступление и рассказать о скин-эффекте, иначе именуемом поверхностным эффектом.

Любой электрический ток при протекании по проводнику создает вокруг него электромагнитное поле. Это же касается и вихревых токов. Магнитные поля, взаимодействуя друг с другом, вытесняют электроны из толщи материала на его поверхность, именуемую скин-слоем, и электрический ток проходит больше по поверхности проводника, чем в его внутренних слоях. Объемная плотность тока в скин-слое значительно выше, чем в его толще. Известно, что с увеличением глубины проникания в материал, амплитуда вихревых токов уменьшается и они гораздо хуже осуществляют нагрев. Использование материала с тонким скин-слоем позволяет получить более высокие температуры его поверхностного нагрева.

Толщина скин-слоя находится в обратной зависимости от частоты переменного магнитного поля, т. е. с ростом частоты толщина слоя уменьшается, что позволяет получить более высокую плотность тока и более эффективный нагрев поверхности проводника.

Каждый материал обладает своей структурой строения кристаллической решетки, от свойств которой зависят его проводимость и толщина скин-слоя. К примеру, в диапазоне частот 20 кГц – 120 кГц (стандартные частоты работы конфорок индукционной панели) толщина скин-слоя стали на порядок меньше толщины слоев меди или алюминия.

К чему это все? А к тому, какой материал необходимо использовать для изготовления посуды, пригодной для индукционных печей. И какую посуду использовать в принципе.

Только металлы с ферромагнитными свойствами смогут обеспечить нужные температуры нагрева дна посуды и подойдут для готовки еды, а не ее медленного разогрева.

Поэтому для индукции нужна посуда, к которой прилипает магнит. Это не прихоть производителя, а объективная необходимость!

Дальше все просто. Вихревые токи, вызванные высокочастотным магнитным полем, индуцируются на внутренней поверхности дна посуды. Именно она контактирует с продуктами и нагревает их, отдавая им тепловую энергию. Этим и объясняется высокая скорость нагрева на индукционных варочных поверхностях.

Конечно, за счет теплопроводности металла нагреется и сама посуда, и варочная поверхность, но это будут не сотни градусов. Поэтому готовить можно, даже застелив конфорку салфеткой — она не загорится, температуры просто не хватит для воспламенения.

Попавшие на поверхность продукты не пригорят к ней по той же причине.

Магия? Зная, как работает индукционная поверхность, понимаешь — это не такая уж и магия. Обычная физика!

Индукционный нагрев: технология бесконтактной плавки металла

Главная страница » Индукционный нагрев: технология бесконтактной плавки металла

Индукционный нагрев — метод быстрого, эффективного, бесконтактного прогрева проводящих материалов — металлов и полупроводников. Основой метода является принцип применения флуктуирующего магнитного поля. Методика считается предпочтительной технологией прогрева среди всех других, существующих на текущий момент времени.

СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :

Исторические памятки на заметку

Применяется отмеченная техника плавки в промышленности, медицине, бытовой сфере, благодаря выраженным преимуществам по сравнению с традиционными методами прогрева:

  • резистивным,
  • пламенным,
  • печным и другими.

Индукционный нагрев особенно полезен для выполнения высокоточных или повторяющихся операций.

Индукционный нагрев впервые применил Майкл Фарадей – физик и химик в одном лице – выходец из Великобритании. Учёный обнаружил уникальное свойство нагрева в момент изучения индукции токов в проводах под действием магнита.

Однако базовые принципы индукционного нагрева чуть позже представил Джеймс Максвелл в единой теории электромагнетизма. В то же время Джеймс П. Джоуль первым описал эффект прогрева током, протекающим через проводящий материал.

На момент 1887 года, Себастьян Зиани де Ферранти предложил индукционный нагрев как метод плавки металлов. Первую полнофункциональную индукционную печь соорудил и представил обществу (1891 год) Ф. А. Кьеллин, Первое применение высокочастотной печи реализовано Эдвином Ф. Нортрупом (1916 год).

Разработка твердотельных генераторов с использованием новых технологий силовых полупроводников обеспечила потенциал за пределами промышленной среды. С конца 1980-х годов появились различные предложения к применению.

Последние годы фиксируется особый интерес к индукционному нагреву под медицинские процедуры, поскольку этот метод обеспечивает точное и целевое локальное прогревание.

Основы технологии индукционного нагрева

Технология индукционного нагрева требует источника переменного тока, пропускаемого через катушку индуктивности. В результате катушка индуктивности генерирует переменное магнитное поле, что приводит к следующему эффекту:

УЛЬТРА

Индукционный нагрев: практическое применение на практикеВот такого эффекта, к примеру, удаётся достичь посредством использования описываемой технологии работы с металлами, элементами полупроводниками

Когда объект помещается в область этого поля, возникают два эффекта прогрева:

  1. Гистерезисные потери, которые неизбежно возникают только в магнитных материалах, подобных железу, никелю, кобальту и т. д. Причина потерь — трение между молекулами, когда материал постоянно намагничивается в разных направлениях. Более высокая частота колебаний магнитного поля приводит к более быстрому движению частиц, что вызывает значительное трение и, следовательно, выделение большого количества тепла.
  2. Потери на вихревые токи, которые возникают как эффект Джоуля в любом проводящем материале из-за влияния электрических токов, вызванных флуктуирующим магнитным полем.

Оба эффекта приводят к прогреву обработанного объекта, но второй чаще всего является основным источником тепла в процессах индукционного нагрева. Кроме того, гистерезис не наблюдается в немагнитных материалах.

Магнитные материалы теряют магнитную специфичность при прогревании выше определённой температуры (точка Кюри).

РУЧНОЙ

Индукционный нагрев: принцип получения прогрева объектаПринцип получения прогрева: 1, 2 – переменный ток; 3 – объект, подлежащий воздействию магнитным полем; 4 – магнитные потоки; 5 – вихревые токи

Вихревые токи также зависят от частоты магнитного поля по причине скин-эффекта: на высоких частотах токи протекают вблизи поверхности проводника.

Эта специфика используется для контроля глубины проникновения процесса индукционного нагрева. В результате прогревается либо весь объект, либо только конкретная часть (например, область поверхности).

Индукционный нагрев: использование для различных применений

Таким образом, индукционный нагрев может использоваться для различных применений:

Проводникам индукционной катушки также присущ скин-эффект. Поэтому вместо сплошных проводов следует использовать трубы. Когда ток протекает через индуктор, аналогичные резистивные потери наблюдаются из-за эффекта Джоуля. Для предотвращения расплавления и повреждения катушки часто применяется водяное охлаждение.

БЫТОВОЙ

Индукционный нагрев: принципиальная схема маломощной установкиПринципиальная схема установки для бытового применения, собираемая из электронных компонентов вполне доступных для приобретения на коммерческом рынке

Учитывая обширное наличие электрических (электронных) компонентов, доступных простому обывателю, есть все возможности для создания системы индукционного нагрева своими руками для бытового применения. Возможная для выполнения схема бытового устройства относительно небольшой мощности представлена выше.

Индукционный нагрев – преимущественные стороны

Если рассматривать индукционную технологию и сравнивать с некоторыми классическими технологиями нагрева:

  • резистивный,
  • пламенный,
  • печной и т. д.

Индукционный нагрев выделяют следующие преимущества:

  1. Малое время процесса, когда благодаря индукционному нагреву, объект прогревается напрямую, что приводит к сокращению как времени прогрева, так и потерь тепла. Этот метод обеспечивает высокую плотность мощности и низкую (практически нулевую) тепловую инерцию.
  2. Высокий КПД (значение выше 90%) достигается благодаря правильной конструкции силового преобразователя и катушки. Кроме того, высокие температуры могут достигаться быстро и легко, учитывая существенное снижение потерь тепла в окружающую среду.
  3. Высокий уровень управления — точное регулирование мощности прогрева, достигается с помощью соответствующей конструкции катушки и управления силовым преобразователем. В результате допустимо реализовать дополнительные функции: локальный прогрев, предварительный прогрев, предварительно определенные температурные профили.
  4. Благодаря опции промышленной автоматизации, индукционный нагрев позволяет улучшить как производительность, так и качество процессов. Качество продукта гарантируется, поскольку прогревание осуществляется бесконтактным способом (без вмешательства технологического инструмента).
  5. Безопасность и чистота обеспечиваются в процессе, учитывая отсутствие теплового загрязнения (загрязнения воздуха), так как объект прогревается напрямую, без использования топливных ресурсов.

Инновации технологии индукционного нагрева и будущее развитие

Даже с учётом того, что системы индукционного нагрева уже достигли зрелости в качестве технологии, развитие современных технологий постоянно сопровождается возможностями для новых направлений исследований.

Ближайшие годы обещают пополниться следующими темами, которые, как ожидается, должны представлять значительный интерес для индустриального сектора.

Повышение эффективности применения

Совершенство технологий производства полупроводников обещает появление систем индукционного нагрева более высокой эффективности. Кроме того, специальные формы и конструкции катушки индуктивности также обеспечат повышение эффективности технологии.

В результате улучшения следует ждать не только в плане производительности, но и в плане надежности систем индукционного нагрева.

СУПЕР ПЕЧЬ

Индустриальная установка индукционного нагреваИндустриальные машины, относящиеся к описываемой технологии, то есть – поддерживающие индукционный нагрев, уже несколько последних лет отмечаются активным совершенствованием

Технологические нагреватели, наделённые несколькими катушками – это:

  • лучшее распределение тепла,
  • более высокая производительность,
  • гибкость процессов,

при использовании нескольких одновременно работающих катушек.

Такие системы представляют значительный технологический прорыв и всё чаще применяются не только в промышленности, но и в бытовом секторе. Однако не обходится и без проблем.

Так, следует приложить усилия для оптимизации конструкции преобразователя мощности с несколькими выходами и передовые алгоритмы управления. Другая проблема для внимательного рассмотрения, — это эффект связи между отдельными катушками.

Совершенство процесса управления и расширение применения

Усовершенствованное управление требует внедрения надёжных алгоритмов управления для обеспечения правильной работы преобразователя мощности под различные нагрузки индукционного нагрева и рабочих точек.

Управление системами, где используются несколько катушек, является еще одной проблемой. Ожидается повышение производительности и оптимизация переходных процессов за счёт внедрения блоков управления идентификацией в реальном времени с адаптивными алгоритмами.

Ожидается, что диапазон применения индукционного нагрева будет увеличиваться с ростом технологий. Прогрев материалов с низким удельным сопротивлением, а также прогрев биологических тканей, используемых для медицинских целей, являются вопросами, представляющими особый интерес.

Есть ещё другие применения, которые нуждаются в дальнейших исследованиях для оптимизации параметров процесса.


При помощи информации: UltraFlexPower

Индукционный нагрев – применение в целях обработки металла

Индукционный нагрев – это способ бесконтактной тепловой обработки металлов, способных проводить электрическую энергию, под воздействием токов высокой частоты. Индукционный нагрев все активнее стал применяться на предприятиях для осуществления высокотемпературной обработки металлов. На сегодняшний день индукционное оборудование смогло занять лидирующие позиции, вытесняя альтернативные методы нагрева.

Индукционный нагрев как работает

Принцип действия индукционного нагрева предельно прост. Нагрев производится за счет трансформации электрической энергии в электромагнитное поле, обладающее высокой мощностью. Нагрев изделия осуществляется при проникновении магнитного поля индукторов в изделие, способное проводить электрическую энергию.

Заготовка (обязательно из материала, проводящего электрическую энергию) размещается в индукторе или в непосредственной близости с ним. Индуктор, как правило, выполняется в виде одного или нескольких витков провода. Чаще всего для изготовления индуктора используют толстые медные трубки (провода). Специальный генератор электрической энергии подает ее в индуктор, наводя токи высокой частоты, которые могут варьироваться от 10-и Гц до нескольких МГц. В результате наведения токов высокой частоты на индуктор, вокруг него образуется мощное электромагнитное поле. Вихревые токи образовавшегося электромагнитного поля проникают в изделие и преобразуются внутри его в тепловую энергию, осуществляя нагрев.

Во время работы индуктор довольно сильно нагревается за счет поглощения собственного излучения, поэтому он непременно должен охлаждаться во время рабочего процесса за счет проточной технической воды. Вода для охлаждения подается в установку при помощи отсасывания, такой метод позволяет обезопасить установку, если вдруг произойдет прожог или разгерметизация индуктора.

Индукционный нагрев применение в производстве

Как уже можно было понять из описанного выше, применяется индукционный нагрев в производстве довольно активно. На сегодняшний день индукционное оборудование успело занять лидирующее позиции, вытеснив конкурирующие способы обработки металлов на второй план.

Индукционная плавка металлов

Применяется индукционный нагрев для осуществления плавильных работ. Активное использование индукционных печей началось благодаря тому, что нагрев ТВЧ способен уникально обрабатывать все виды металлов, существующие на сегодняшний день.
Плавильная индукционная печь быстро осуществляет плавку металла. Температуры нагрева установки достаточно даже для плавки самых притязательных металлов. Главное преимущество индукционных плавильных печей заключается в том, что они способны производить чистую плавку металла с минимальным шлакообразованием. Работа выполняется за короткий промежуток времени. Как правило, время выплавки 100 килограмм металла равняется 45-и минутам.

Закалка ТВЧ (токами высокой частоты)

Закалка производится чаще всего в отношении изделий из стали, но может быть применена и к медным и другим металлическим изделиям. Принято различать два вида закалки ТВЧ поверхностная и глубокая закалка.
Главное достоинство, которым обладает индукционный нагрев по отношению к закалочным работам – это возможность проникновения тепла на глубину (глубокая закалка). На сегодняшний день закалка ТВЧ стала довольно часто производиться именно в индукционном оборудовании.
Индукционный нагрев позволяет не просто произвести закалку ТВЧ, но дает в конечном результате изделие, которое будет обладать отменным качеством. При использовании индукционного нагрева в целях осуществления закалочных работ количество брака в производстве существенно снижается.

Пайка ТВЧ

Индукционный нагрев полезен не только для обработки металла, но и для соединения одной части изделия с другой. На сегодняшний день пайка ТВЧ стала довольно популярной и смогла вытеснить сварку на второй план. Где только появляется возможность заменить сварку пайкой, производители делают это. Чем именно вызвано такое желание? Все предельно просто. Пайка ТВЧ дает возможность получить целостное изделие, которое будет обладать высокой прочностью.
Пайка ТВЧ получается целостной за счет прямого (бесконтактного) проникновения тепла в изделие. Для нагрева металла не требуется стороннее вмешательства в его структуру, что положительно сказывается на качестве готового изделия и на его сроке эксплуатации.

Термообработка сварных швов

Термообработка сварных швов – это еще один важный технологичный процесс, с которым отлично справится индукционный нагреватель. Термообработка осуществляется для того, чтобы придать изделию повышенную прочность и разгладить напряжение металла, которое, как правило, образуется в местах соединений.
Термообработка при помощи индукционного нагрева производится в три этапа. Каждый из них очень важен, ведь если упустить что-то, то впоследствии качество изделия станет другим и его срок эксплуатации снизится.
Индукционный нагрев положительно сказывается на металле, позволяя равномерно проникать на заданную глубину и разглаживать напряжение, образовавшееся во время произведения сварочных работ.

Ковка, пластика, деформация

Кузнечный нагреватель – это один из видов установок, в основе которых лежит индукционный нагрев. Используют кузнечный нагреватель для произведения деформации металла, а также в целях штамповки и т.п.
Индукционный нагрев равномерно прогревает металл, позволяет изогнуть его в нужных местах и придать изделию необходимую форму.
На сегодняшний день все больше предприятий стали использовать кузнечный нагреватель в целях штамповки и пластики изделий.
Индукционный нагрев способен справиться со всеми необходимыми операциями тепловой обработки металла, но чаще всего применяется в тех случаях, которые были описаны выше.

Индукционный нагрев преимущества и недостатки

У каждой вещи есть преимущества и недостатки, хорошие и плохие стороны. Индукционный нагрев не отличается и имеет как плюсы, так и минусы. Однако минусы индукционного нагрева настолько ничтожны, что не видны за огромным количеством преимуществ.
Так как недостатков у индукционного нагрева меньше, сразу же перечислим их:

  1.  Некоторые установки являются довольно сложными и для их программирования необходимо квалифицированный персонал, который сможет обслуживать установку (осуществлять ремонт, чистку, программировать).
  2.  Если индуктор и заготовка плохо согласованы между собой, то потребуется куда больше мощности нагрева, чем если выполнять похожу задачу в электрической установке.

Как видите, недостатков действительно немного и они не оказывают сильное влияние на принятие решение в пользу использования или неиспользования индукционного нагрева.
Достоинств индукционный нагрев имеет гораздо больше, но мы укажем только главные:

  •  Скорость нагрева изделия очень высокая. Индукционный нагрев практически сразу приступает к обработке металлического изделия, никаких промежуточных этапов прогрева оборудования не требуется.
  •  Нагрев изделия может производиться в любой воссозданной среде: в атмосфере защитного газа, в окислительной, в восстановительной, в вакуумной и в непроводящей жидкости.
  •  Индукционная установка обладает сравнительно небольшими размерами, благодаря чему довольно удобна в эксплуатации. Если возникает необходимость, то индукционное оборудование можно перевезти на место проведения работ.
  •  Нагрев металла производится через стенки защитной камеры, которая изготавливается из материалов способных пропускать вихревые токи, поглощая незначительное количество. Во время работы индукционное оборудование не нагревается, поэтому оно признано пожаробезопасным.
  •  Так как нагрев металла производится при помощи электромагнитного излучения, загрязнение самой заготовки и окружающей атмосферы отсутствует. Индукционный нагрев был по праву признан экологически безопасным. Он не причиняет абсолютно никакого вреда сотрудникам предприятия, которые будут находиться в цеху во время работы установки.
  •  Индуктор может быть изготовлен практически любой сложной формы, что позволит подогнать его под габариты и форму изделия, чтобы нагрев получился более качественным.
  •  Индукционный нагрев позволяет просто производить избирательный нагрев. Если нужно прогреть какую-то конкретную область, а не все изделие, то достаточно будет разместить в индукторе только ее.
  •  Качество обработки при помощи индукционного нагрева получается отменным. Количество брака в производстве существенно снижается.
  •  Индукционный нагрев позволяет экономить электрическую энергию и другие производственные ресурсы.

Как видите, достоинств у индукционного нагрева очень много. Выше были указаны лишь основные, которые оказали серьезное воздействие на решение многих владельцев приобрести индукционные установки для термообработки металла.

Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter

Индукционный нагреватель металла: простая схема для изготовления своими руками

Главная страница » Индукционный нагреватель металла: простая схема для изготовления своими руками

Технология индукционного нагрева быстро наращивает популярность, благодаря многим преимуществам практического использования. Причём этот метод работы с металлами привлекает не столько промышленную индустрию, сколько частный бытовой сектор. Однако условия создания аппаратных установок в обоих случаях существенно отличаются. В отличие от промышленного сектора, частникам, работающим в быту, требуется аппаратура относительно небольшой мощности, простая по исполнению, доступная по цене. Здесь описывается схема на индукционный нагреватель мощностью 1600 Вт, которая вполне реализуется в домашних условиях. Это своего рода пример, демонстрирующий, как создать аппарат под индукционный нагрев для применения в быту.

СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :

Принцип технологии индукционный нагрев

Принцип технологии индукционного нагрева достаточно прост с физической точки зрения. Образованная из проводника тока катушка генерирует высокочастотное магнитное поле.

В свою очередь, металлический объект, помещённый во внутреннюю область катушки, индуцирует вихревые токи. В результате объект сильно нагревается.

Параллельно с катушкой индуктивности, как правило, включается резонансная ёмкость. Предпринимается такой шаг для компенсации индуктивного характера катушки.

Резонансная цепь, созданная элементами катушка-конденсатор, возбуждается на собственной резонансной частоте. Значение тока возбуждения существенно меньше, чем значение тока, протекающего через катушку индуктивности.

Схема индукционного простого нагревателя мощностью 1600 Вт

Представленную схему следует рассматривать, скорее, как экспериментальный вариант. Тем не менее, этот вариант является вполне работоспособным. Главные преимущества схемы:

  • относительная простота,
  • доступность деталей,
  • лёгкость сборки.

Схема индукционного нагревателя (картинка ниже) работает по принципу «двойного полумоста», дополненного четырьмя силовыми транзисторами с изолированным затвором из серии IGBT (STGW30NC60W). Транзисторы управляются посредством микросхемы IR2153 (самостоятельно тактируемый полумостовой драйвер).

НАГРЕВАТЕЛИ

Индукционный нагреватель - схема простой домашней установкиСхематически представленный упрощённый индукционный нагреватель малой мощности, конструкция которого допускает применение в условиях частных хозяйств

Двойной полумост способен обеспечить ту же мощность, что и полный мост, но тактируемый полумостовой драйвер затвора проще в исполнении и, соответственно, в применении. Мощный двойной диод типа STTh300L06TV1 (2x 120A) работает как схема антипараллельных диодов.

Гораздо меньших по мощности диодов (30А) будет вполне достаточно. Если предполагается использовать транзисторы серии IGBT со встроенными диодами (например, STGW30NC60WD), от этого варианта вполне можно отказаться.

Рабочая частота резонанса настраивается с помощью потенциометра. Наличие резонанса определяется по наиболее высокой яркости светодиодов.

ТРАНЗИСТОР IGBT

Мощный диод и транзистор для схемы индукционного нагревателяЭлектронные компоненты простого индукционного нагревателя, создаваемого своими руками: 1 — Мощный двойной диод типа STTh300L06TV1; 2 – транзистор со встроенными диодами тип STGW30NC60WD

ДИОДЫ STTH

Конечно, всегда остаётся возможность построения более сложного драйвера. Вообще, оптимальным видится решение использовать автоматическую настройку.

Таковая, как правило, используется в схемах профессиональных индукционных нагревателей, но текущая схема, в случае такой модернизации, явно утрачивает фактор простоты.

Регулировка частоты, катушка индуктивности, мощность

Схемой индукционного нагревателя предусматривается регулировка частоты в диапазоне, примерно, 110 — 210 кГц. Однако схема управления требует вспомогательного напряжения 14-15В, получаемого от небольшого адаптера (коммутатор допускает коммутируемое исполнение или обычное).

Выход схемы индукционного нагревателя подключается к рабочей цепи катушки через согласующий дроссель L1 и трансформатор изолирующего действия. Дроссель имеет 4 витка провода на сердечнике диаметром 23 см, изолирующий трансформатор состоит из 12 витков двухжильного кабеля, намотанного на сердечнике диаметром 14 см.

Выходная мощность индукционного нагревателя  с указанными параметрами составляет около 1600 Вт. Между тем не исключаются возможности наращивания мощности до более высоких значений.

КОНДЕНСАТОРЫ

Индукционный нагреватель - экспериментальная конструкцияЭкспериментальная конструкция индукционного нагревателя, изготовленная своими руками в домашних условиях. Эффективность устройства достаточно высокая, несмотря на малую мощность

Рабочая катушка индукционного нагревателя изготовлена из проволоки диаметром 3,3 мм. Лучшим материалом исполнения катушки видится медная труба, для которой допускается применить простую систему водяного охлаждения. Катушка индуктивности имеет:

  • 6 витков намотки,
  • диаметр 24 мм,
  • высоту 23 мм.

Для этого элемента схемы характерным явлением видится существенный нагрев по мере работы установки в активном режиме. Этот момент следует учитывать, выбирая материал для изготовления.

Модуль резонансного конденсатора

Резонансный конденсатор сделан в виде батареи небольших конденсаторов (модуль собран из 23 малых конденсаторов). Общая ёмкость батареи равна 2,3 мкФ. В конструкции допускается использование конденсаторов ёмкостью 100 нФ (~ 275В, полипропилен МКП, класс X2).

Этот тип конденсаторов не предназначен для таких целей, как применение в схеме индукционного нагревателя. Однако, как показала практика, отмеченный тип элементов ёмкости вполне удовлетворяет работой на резонансной частоте 160 кГц. Рекомендуется использовать ЭМИ фильтр.

ЭМИ ФИЛЬТРЫ

ЭМИ фильтр индукционного нагревателяФильтр электромагнитного излучения. Примерно такой рекомендуется использовать в конструкции индукционного нагревателя с целью минимизации помех

Регулируемый трансформатор допускается заменить схемой «мягкого» старта. Например, можно рекомендовать прибегнуть к использованию схемы простого ограничителя тока:

  • нагреватели,
  • галогенные лампы,
  • другие приборы,

мощностью около 1 кВт, подключаемые последовательно с индукционным нагревателем при первом включении.

Предупреждение о мерах безопасности

Изготавливая индукционный нагреватель по представленной схеме, следует помнить: контур схемы индукционного нагрева подключается к электрической сети и находится под высоким напряжением. Настоятельно рекомендуется использовать в конструкции потенциометр с изолированным стержнем.

Высокочастотное электромагнитное поле несёт вредный потенциал, способный повредить электронные устройства и носители информации. Представленная схема, учитывая простоту реализации, несёт значительные электромагнитные помехи. Этот фактор может привести к различным аварийным последствиям:

  • поражению электрическим током,
  • ожогам,
  • возгораниям.

Поэтому, прежде чем принять решение по созданию и проведению экспериментов с индукционным нагревателем, следует обеспечить полную безопасность для конечного пользователя и окружающих.

Видео: индукционный нагреватель сварочным инвертором


Представленный выше видеоролик – демонстрация работоспособности устройства по нагреву металла. Это устройство изготовлено посредством переделки сварочного инвертора, и как отмечает автор, действует вполне эффективно:

Заключительный штрих

Таким образом, сооружение индукционного нагревателя своими руками для расплавления металла в домашних условиях – это не фантастическая идея, но вполне реализуемое дело. При желании, наличии соответствующей информации, комплектующих деталей, собрать работоспособный нагреватель вполне допустимо.


При помощи информации: Danyk

Индукционный нагрев — это… Что такое Индукционный нагрев?

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.

Формула для вычисления глубины скин-слоя в мм:

,

где μ0 = 4π·10−7 — магнитная постоянная Гн/м, а ρ — удельное электрическое сопротивление материала заготовки при температуре обработки.

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

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

Применение

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

Преимущества

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

Недостатки

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

Установки индукционного нагрева

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Недостатки трёхточки:

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

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

Недостаток многоконтурных систем — повышенная сложность и возникновение паразитных колебаний УКВ-диапазона, которые бесполезно рассеивают мощность и выводят из строя элементы установки. Также такие установки склонны к затягиванию колебаний — самопроизвольному переходу генератора с одной из резонансных частот на другую.

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

Замечания

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

См. также

Ссылки

Литература

  • Бабат Г. И., Свенчанский А. Д. Электрические промышленные печи. — М.: Госэнергоиздат, 1948. — 332 с.
  • Бурак Я. И., Огирко И. В. Оптимальный нагрев цилиндрической оболочки с зависящими от температуры характеристиками материала // Мат. методы и физ.-мех. поля. — 1977. — В. 5. — С. 26-30.
  • Васильев А. С. Ламповые генераторы для высокочастотного нагрева. — Л.: Машиностроение, 1990. — 80 с. — (Библиотечка высокочастотника-термиста; Вып. 15). — 5300 экз. — ISBN 5-217-00923-3
  • Власов В. Ф. Курс радиотехники. — М.: Госэнергоиздат, 1962. — 928 с.
  • Изюмов Н. М., Линде Д. П. Основы радиотехники. — М.: Госэнергоиздат, 1959. — 512 с.
  • Лозинский М. Г. Промышленное применение индукционного нагрева. — М.: Изд-во АН СССР, 1948. — 471 с.
  • Применение токов высокой частоты в электротермии / Под ред. А. Е. Слухоцкого. — Л.: Машиностроение, 1968. — 340 с.
  • Слухоцкий А. Е. Индукторы. — Л.: Машиностроение, 1989. — 69 с. — (Библиотечка высокочастотника-термиста; Вып. 12). — 10 000 экз. — ISBN 5-217-00571-8
  • Фогель А. А. Индукционный метод удержания жидких металлов во взвешенном состоянии / Под ред. А. Н. Шамова. — 2-е изд., испр. — Л.: Машиностроение, 1989. — 79 с. — (Библиотечка высокочастотника-термиста; Вып. 11). — 2950 экз. — ISBN 5-217-00572-6

Что такое индукционный нагрев? | Inductoheat Inc

×

  • Что такое индукционный нагрев?
  • Информация о компании
    • Контакты Inductoheat
    • Свяжитесь с нами
    • Запросить цену
  • Приложения
    • Технологии индукционной термообработки
    • Технология индукционного нагрева кузнечных изделий
    • Индукционный низкочастотный нагрев
    • Индукционные трубки и нагреватель труб
    • Индивидуальные системы индукционного нагрева
  • Продукты
    • Индукционное кузнечно-прессовое оборудование Inductoforge®
      • Модульные системы нагрева стержней
      • Модульные системы нагрева заготовок
    • Inductoheat
      • Стационарная индукционная термообработка CrankPro® для коленчатых валов
      • Стационарный индукционный распределительный вал CamPro ™ Термическая обработка
      • Системы нагрева стержней
      • Отжиг медных труб
      • Источники питания для индукционного нагрева
    • Индуктоскан
      • Индукционные сканирующие системы
    • iRoss
      • Низкочастотные системы отопления
      • Fluxmanager® Системы нагрева труб и труб
  • Услуги
    • Лаборатория разработки индукционных процессов
    • Компьютерное моделирование индукционного нагрева
    • Сервис и поддержка
    • Индукционное профилактическое обслуживание
    • Запасные части для вторичного рынка
    • Ремонт индукционной катушки
    • Технические семинары по индукционным источникам питания
  • Ресурсы
    • Менеджмент качества
  • События
  • Новости
  • Профессор Индукция
  • Контакты Inductoheat

Искать:

перейти к содержанию

  • События
  • Новости
  • Professor Induction
  • Inductoheat Контакты

МЕНЮ

  • Что такое индукционный нагрев?
  • Информация о компании
    • Inductoheat Контакты
    • Свяжитесь с нами
    • Запросите цену
  • Приложения
    • Технологии индукционной термообработки
    • Технология индукционного нагрева кузнечного металла
    • Низкочастотный индукционный нагрев
    • Индукционный нагрев труб и труб
    • Индивидуальные системы индукционного нагрева
  • Продукция
        • Индукционное ковочное оборудование Inductoforge®
          • Модульные системы нагрева стержней
          • Модульные системы нагрева заготовок
        • Inductoheat
          • Стационарная индукционная термообработка CrankPro® для коленчатых валов
          • Стационарная индукционная термообработка распредвала CamPro ™
          • Системы нагрева стержней
          • Отжиг медных труб
          • Источники питания для индукционного нагрева
        • Индуктоскан
          • Индукционные сканирующие системы
        • iRoss
          • Низкочастотные системы нагрева
          • Fluxmanager® Tube & Pipe Heating Systems
  • Услуги

.

2 Простые схемы индукционного нагревателя — плиты-плиты

В этом посте мы узнаем о двух простых в сборке схемах индукционного нагревателя, которые работают с принципами высокочастотной магнитной индукции для генерирования значительной величины тепла на небольшом заданном радиусе.

Обсуждаемые схемы индукционной плиты действительно просты и используют всего несколько активных и пассивных обычных компонентов для требуемых действий.


Обновление: Вы также можете узнать, как создать свою собственную варочную панель индукционного нагревателя:
Проектирование цепи индукционного нагревателя — Учебное пособие


Принцип работы индукционного нагревателя

Индукционный нагреватель — это устройство, которое использует высокочастотное магнитное поле для нагрева железного груза или любого ферромагнитного металла посредством вихревого тока.2 x сопротивление металла. Поскольку предполагается, что металл нагрузки состоит из железа, мы рассматриваем сопротивление R металлического железа.

Тепло = I 2 x R (Железо)

Удельное сопротивление железа составляет: 97 нОм · м

Вышеупомянутое тепло также прямо пропорционально наведенной частоте, поэтому обычные трансформаторы с штамповкой из железа не используются в В приложениях с высокочастотным переключением вместо сердечников используются ферритовые материалы.

Однако здесь вышеупомянутый недостаток используется для получения тепла от высокочастотной магнитной индукции.

Обращаясь к предлагаемым ниже схемам индукционного нагревателя, мы находим концепцию, использующую ZVS или технологию переключения нулевого напряжения для требуемого запуска полевых МОП-транзисторов.

Технология обеспечивает минимальный нагрев устройств, что делает работу очень эффективной и действенной.

Кроме того, цепь, являющаяся саморезонансной по своей природе, автоматически настраивается на резонансную частоту присоединенной катушки и конденсатора, вполне идентичных цепи резервуара.

Использование генератора Ройера

В схеме в основном используется генератор Ройера, который отличается простотой и саморезонансным принципом работы.

Функционирование схемы можно понять по следующим пунктам:

  1. При включении питания положительный ток начинает течь от двух половин рабочей катушки к стокам МОП-транзисторов.
  2. В то же время напряжение питания также достигает ворот МОП-транзисторов, включая их.
  3. Однако из-за того, что никакие два МОП-транзистора или какие-либо электронные устройства не могут иметь точно одинаковые характеристики электропроводности, оба МОП-транзистора не включаются вместе, скорее, один из них включается первым.
  4. Давайте представим, что T1 включается первым. Когда это происходит, из-за сильного тока, протекающего через T1, его напряжение стока имеет тенденцию падать до нуля, что, в свою очередь, высасывает напряжение затвора другого МОП-транзистора T2 через присоединенный диод Шоттки.
  5. Здесь может показаться, что T1 может продолжать вести себя и уничтожать себя.
  6. Однако именно в этот момент в действие вступает контур резервуара L1C1, который играет решающую роль. Внезапное проведение T1 вызывает скачок и коллапс синусоидального импульса на стоке T2.Когда синусоидальный импульс схлопывается, он снижает напряжение затвора T1 и отключает его. Это приводит к повышению напряжения на стоке T1, что позволяет восстановить напряжение затвора для T2. Теперь настала очередь Т2 проводить, Т2 теперь проводит, вызывая повторение, аналогичное тому, которое имело место для Т1.
  7. Этот цикл теперь продолжается быстро, заставляя контур колебаться на резонансной частоте контура резервуара LC. Резонанс автоматически настраивается до оптимальной точки в зависимости от того, насколько хорошо совпадают значения LC.

Однако основным недостатком конструкции является то, что в ней в качестве трансформатора используется катушка с ответвлениями по центру, что немного усложняет реализацию обмотки. Однако центральный отвод обеспечивает эффективный двухтактный эффект через катушку всего с помощью пары активных устройств, таких как МОП.

Как видно, через затвор / исток каждого МОП-транзистора подключены диоды быстрого восстановления или высокоскоростного переключения.

Эти диоды выполняют важную функцию разряда емкости затвора соответствующих МОП-транзисторов во время их непроводящих состояний, тем самым делая операцию переключения быстрой и быстрой.

Как работает ZVS

Как мы обсуждали ранее, эта схема индукционного нагревателя работает по технологии ZVS.

ZVS означает переключение при нулевом напряжении, то есть МОП-транзисторы в цепи включаются, когда на их стоках присутствует минимальная или величина тока, или нулевой ток, мы уже узнали это из объяснения выше.

Это фактически помогает МОП-транзисторам безопасно включаться, и, таким образом, эта функция становится очень полезной для устройств.

Эту функцию можно сравнить с проводимостью при переходе через нуль для симисторов в цепях переменного тока.

Из-за этого свойства МОП-транзисторы в таких саморезонансных цепях ZVS требуют гораздо меньших радиаторов и могут работать даже с массивными нагрузками до 1 кВА.

Поскольку частота цепи является резонансной по своей природе, она напрямую зависит от индуктивности рабочей катушки L1 и конденсатора C1.

Частота может быть рассчитана по следующей формуле:

f = 1 / (2π * √ [ L * C] )

Где f — частота, рассчитанная в Hertz
L — это индуктивность основной нагревательной катушки L1, представленная в Henries
, а C — емкость конденсатора C1 в фарадах

МОП-транзисторы

Вы можете использовать IRF540 в качестве МОП-транзисторов, которые рассчитаны на хорошие 110 В, 33 ампера.Для них можно использовать радиаторы, хотя выделяемое тепло не вызывает беспокойства, но все же лучше укрепить их на теплопоглощающих металлах. Однако можно использовать любые другие N-канальные МОП-транзисторы с соответствующим номиналом, для этого нет никаких особых ограничений.

Индуктор или катушки индуктивности, связанные с катушкой основного нагревателя (рабочей катушкой), представляют собой своего рода дроссель, который помогает исключить любое возможное попадание высокочастотной составляющей в источник питания, а также для ограничения тока до безопасных пределов.

Значение этого индуктора должно быть намного выше по сравнению с рабочей катушкой. 2 мГн обычно вполне достаточно для этой цели. Однако он должен быть построен с использованием проводов большого сечения, чтобы обеспечить безопасное прохождение через него большого диапазона тока.

Контур резервуара

C1 и L1 составляют контур резервуара для предполагаемого фиксации на высокой резонансной частоте. Опять же, они тоже должны быть рассчитаны на то, чтобы выдерживать высокие значения тока и тепла.

Здесь мы видим использование металлизированных полипропиленовых конденсаторов 330 нФ / 400 В.

1) Мощный индукционный нагреватель с использованием драйвера Mazzilli. Concept

Первая конструкция, описанная ниже, представляет собой высокоэффективную индукционную концепцию ZVS, основанную на популярной теории драйверов Mazilli.

В нем используется одна рабочая катушка и две катушки ограничителя тока. Конфигурация исключает необходимость центрального отвода от основной рабочей катушки, что делает систему чрезвычайно эффективной и обеспечивает быстрый нагрев нагрузки огромных размеров. Нагревательный змеевик нагревает нагрузку посредством двухтактного механизма полного моста.

Модуль фактически доступен в Интернете и может быть легко куплен по очень разумной цене.

.

0 0 vote
Article Rating
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments