Индукционный нагреватель — это электронное устройство, используемое для нагрева и плавления металлов. Он использует высокочастотное электромагнитное поле, которое нагревает содержащийся в нем металл с помощью вихревых токов. Нагреватели используются в закалке и плавке металлов, на металлургических заводах, а также на небольших металлообрабатывающих заводах. В промышленности существует два типа индукционных нагревателей: основной (непрямой) и без сердечника (прямой). Последний тип индукционного нагревателя будет рассмотрен в статье.
Индукционный нагреватель
Основным преимуществом индукционного нагрева является его высокая энергоэффективность, достигающая до 90%. Во время обычного нагрева ископаемым топливом происходит большая потеря тепловой энергии, которая выделяется в окружающую среду, и только часть этой энергии используется для нагрева металла. В методе индукционного нагрева почти вся энергия, за исключением потерь в генераторе, катушке и системе электропитания, нагревает металл, потому что металл нагревается изнутри с помощью вихревых токов. Если в области нагревателя нет металла, потребляется только ток, необходимый для питания нагревателя. Важно отметить, что в отличие от нагрева топливом, с помощью индукционного нагревателя можно нагревать только электропроводящие материалы. Раньше индукционного нагрева применялся только в промышленности, потом вошел в домашнее хозяйство в виде индукционных плит. Такая плита обеспечивает комфорт использования, высокую эффективность и безопасность, а главное — не требует использования с легковоспламеняющимся газом. КПД индукционных плит намного выше, чем классических газовых, или электрических со спиралями накала. К сожалению, при использовании индукционной плиты необходимо использовать посуду, предназначенную для нее.
Принцип действия
Конструкция индукционного нагревателя, представленная в статье, состоит из генератора и катушки. Катушка не имеет сердечника, и нагретый металл помещается внутри катушки, например, в тигле. Принцип работы печи можно сравнить с принципом работы трансформатора с укороченной вторичной обмоткой. Примером такого устройства является трансформаторный паяльник. Катушка печи является первичной обмоткой, а заряд — компактной вторичной обмоткой. Переменный ток высокой интенсивности с частотой в несколько десятков кГц, протекающий через катушку, создает быстро меняющееся электромагнитное поле. Когда проводник (металл) находится внутри этого поля, он становится «вторичной обмоткой», в которой индуцируются вихревые токи, нагревающие заряд.
Представленный обогреватель был сконструирован таким образом, что после сборки и включения питания он готов к работе, и его не нужно настраивать. На рис.1 приведена принципиальная схема модели индукционного нагревателя.
Рис. 1
Как видно, схема индукционного нагревателя построена на небольшом количестве элементов. Наиболее важными из которых являются два транзистора, два дросселя, набор конденсаторов и катушка. При проектировании нагревателя рассматривались различные конструкции, в том числе решения с генератором частоты. Однако нагреватели с генератором, частоту которого необходимо установить вручную, работают не очень хорошо из-за изменения параметров индуктивности и мощности, которые нагреваются во время работы, что приводит к изменению генерируемой частоты и отстройке от резонанса. Схема характеризуется стабильностью работы и хорошими параметрами, широко используется в устройствах DIY. После включения источника питания генератор автоматически настраивается на резонанс и поддерживает соответствующую рабочую частоту, автоматически реагируя на изменения температуры используемых компонентов. По сравнению с типичным решением для улучшения и повышения надежности, в нагреватель добавлено несколько элементов. В схемах затворов MOSFET транзисторов T1 и T2 были включены стабилитроны D1 и D2 для ограничения напряжения на их затворах, предотвращая повреждение транзисторов, и использовались диоды D3 и D4, которые улучшают попеременное открытие транзисторов T1 и T2. Частота, генерируемая нагревателем, составляет около 90 кГц и зависит от общей емкости С1 … С6 и индуктивности катушки.
Катушка нагревателя выполнена из медной трубки диаметром около 6 мм. С Медная трубка позволяет легко охлаждать змеевик во время длительной работы, например, с водой или другим охлаждающим средством, которое может проходить через ее внутреннюю часть.
Установка и запуск
Индукционный нагреватель автора был выполнен на двухсторонней печатной плате с металлизацией отверстий, которая показана на рисунке 2. Транзисторы Т1 и Т2 должны быть припаяны таким образом, чтобы их можно было прикрутить к радиатору. L1 и L2 лучше всего паять в самом конце, чтобы не затруднить привинчивание транзисторов к радиатору
Рис. 2
Катушка была изготовлена из медной трубки диаметром около 6 мм, намотанной на сердечник диаметром около 50 мм.
Обмотайте на 6 или 7 оборотов, оставляя прямые выводы для монтажа в зажимах генератора и для возможного соединения трубок охлаждающей жидкости. Пример реализации катушки нагревателя показан на рисунке 3.
Рис. 3
Чтобы сделать катушку с семью витками, намотанными на сердечник диаметром 50 мм, используйте трубку длиной около 150 см.
На рис. 4. показано, как подключить катушку к плате генератора. При установке транзисторов тщательно измерьте высоту, на которой они должны быть припаяны к плате, чтобы монтажные отверстия совпадали с отверстиями в радиаторе. На рис.5 показаны размеры модели радиатора с расположением крепежных отверстий для транзисторов.
Рис. 4
Индукционный нагреватель питается от напряжения 12 … 48 В.
Рис. 5
Испытания автором, также проводились при напряжении 55 В, но выше 40 В метод, используемый для охлаждения транзисторов в виде кусочка алюминиевого профиля, недостаточен, и его поверхность должна быть увеличена, а поток воздуха принудительным. Из-за высокого тока, потребляемого нагревателем при работе с током, достигающего в импульсе 30 … 40 А, для запуска нагревателя следует использовать трансформатор мощностью около 1 кВт и вторичным напряжением переменного тока 9 … 40 В переменного тока. Переменное вторичное напряжение трансформатора должно быть выпрямлено выпрямительным мостом, рассчитанным на ток около 50 А и сглажено с помощью конденсатора емкостью около 10 мФ.
Рис. 6
Схема несложного выпрямителя показана на рисунке 6, а его внешний вид на рисунке 7.
Рис. 7
На рис. 8 показан пример работы нагревателя. В зависимости от типа нагреваемого металла могут быть достигнуты температуры даже выше 1000°C.
Рис. 8
