Сейчас печи с индукционной системой повсеместно используются в процессе плавки металлов. Ток, производимый в поле индуктора, способствует нагреву вещества, и эта особенность таких устройств является не только основной, но и важнейшей. Обработка приводит к тому, что вещество претерпевает несколько превращений. Первым этапом преобразования является электромагнитная стадия, после нее электрическая, а потом и тепловая. Температура, которую выделяет печка, применяется практически без остатка, поэтому такое решение является самым лучшим среди всех прочих. Многих может заинтересовать печь изготовленная. Далее будет рассказано о возможностях реализации подобного решения.
Типы печей для плавки металлов
Этот вид оборудования можно условно разделить на основные категории. У первой в качестве основания выступает сердечный канал, а металл размещается в таких печах кольцевым способом вокруг индуктора. У второй категории нет такого элемента. Этот вид имеет название тигля, и металл тут размещается внутри самого индуктора. Замкнутый сердечник в этом случае использовать технически невозможно.
Базовые принципы
Плавильная печь в данном случае работает на базе явления магнитной индукции. И тут имеется несколько компонентов. Индуктор - это важнейшая составляющая этого приспособления. Он представляет собой катушку, проводниками в которой служат не обычные провода, а медные трубки. Это требование выставляет сама конструкция плавильных печей. Ток, который проходит в индукторе, порождает магнитное поле, оказывающее воздействие на тигель, внутри которого расположен металл. В этом случае на материал возложена роль вторичной трансформаторной обмотки, то есть сквозь него проходит ток, нагревающий его. Так и осуществляется плавление, даже если сделана индукционная печь своими руками. Как построить такой тип печи и увеличить ее эффективность? Это важный вопрос, на который есть ответ. Использование токов повышенной частоты позволяет заметно увеличить степень эффективности оборудования. Для этого уместно использовать специальные блоки питания.
Особенности индукционных печей
Этот тип оборудования обладает определенными характерными чертами, которые являются как преимуществами, так и недостатками.
Так как распределение металла должно быть равномерным, полученный материал характеризуется хорошей однородной массой. Этот тип печи работает за счет транспортировки энергии по зонам, при этом представлена и функция фокусировки энергии. Для использования доступны такие параметры, как емкость, рабочая частота и способ футеровки, а также регуляция температуры, при которой происходит плавление металла, что заметно облегчает рабочий процесс. Имеющийся технологический потенциал печи создает высокий темп плавки, устройства являются экологически чистыми, совершенно безопасными для человека и готовыми к работе в любой момент.
Самым заметным недостатком такого оборудования является сложность его чистки. Так как нагревание шлака происходит исключительно за счет тепла, выделяемого металлом, этой температуры не хватает для обеспечения его полноценного использования. Высокая разница в температуре металла и шлака не позволяет делать процесс удаления отходов максимально простым. В качестве еще одного недостатка принято выделять зазор, из-за которого требуется всегда уменьшать толщину футеровки. Из-за таких действий спустя некоторое время она может оказаться неисправной.
Использование индукционных печей в промышленных масштабах
В промышленности чаще всего встречаются тигельные и канальные индукционные печи. В первых осуществляется плавка любых металлов в произвольных количествах. Емкости для металла в таких вариантах способны умещать до нескольких тонн металла. Конечно, индукционные плавильные печи своими руками в данном случае сделать невозможно. Канальные печи предназначены для выплавки цветных металлов разных видов, а также чугуна.
Этой темой часто интересуются любители радио-проектирования и радио-технологий. Сейчас становится понятно, что создавать индукционные печи своими руками - это вполне реально, а сделать это удавалось очень многим. Однако для создания подобного оборудования требуется воплотить в жизнь действие электрической схемы, которая содержала бы прописанные действия самой печи. Подобные решения требуют привлечения способных производить волновые колебания. Простая индукционная печь своими руками по схеме может быть построена с использованием четырех электронных ламп в комбинации с одной неоновой, подающей сигнал о том, что система готова к работе.
В данном случае ручка конденсатора переменного тока размещается не внутри прибора. Благодаря этому может быть создана индукционная печь своими руками. Схема прибора подробно описывает расположение каждого отдельного элемента. Убедиться в том, что устройство получилось достаточно мощным, можно, если воспользоваться отверткой, которая должна доходить до раскаленного состояния буквально за несколько секунд.
Особенности
Если вами создается индукционная печь своими руками, принцип работы и сборка которой изучается и производится по соответствующей схеме, вам стоит знать, что на скорость плавления в данном случае может повлиять один или несколько факторов, перечисленных далее:
Импульсная частота;
Гистерезисные потери;
Генераторная мощность;
Период выхода тепла наружу;
Потери, связанные с возникновением вихревых токов.
Если вами собирается печь индукционная своими руками, то при использовании ламп требуется помнить, что их мощность должна распределяться так, чтобы четырех штук было достаточно. При использовании выпрямителя получится сеть примерно в 220 В.
Бытовое применение печей
В быту такие устройства используются достаточно редко, хотя подобные технологии можно встретить в отопительных системах. Их можно увидеть в форме микроволновых духовок и В среде новых технологий данная разработка нашла широкое применение. К примеру, использование вихревых индукционных токов в индукционных плитах позволяет готовить огромное разнообразие блюд. Так как для разогрева им требуется очень мало времени, конфорку нельзя включить, если на ней ничего не стоит. Однако для использования таких особых и полезных плит требуется специальная посуда.
Процесс сборки
Индукционная своими руками состоит из индуктора, который представляет собой соленоид, произведенный из водоохлаждаемой медной трубки и тигля, который может быть изготовлен из керамических материалов, а иногда из стали, графита и прочих. В таком устройстве можно выплавлять чугун, сталь, драгоценные металлы, алюминий, медь, магний. Индукционные печи своими руками изготавливаются с емкостью тигля от пары килограмм до нескольких тонн. Они могут быть вакуумными, газонаполненными, открытыми и компрессорными. Питаются печи токами высокой, средней и низкой частоты.
Итак, если вас интересует индукционная печь своими руками, схема предполагает использование таких основных узлов: плавильной ванны и индукционной единицы, в которую включаются подовый камень, индуктор и магнитный сердечник. Канальная печь отличается от тигельной тем, что электромагнитная энергия преобразуется в тепловую в канале тепловыделения, в котором постоянно должно быть электропроводящее тело. Чтобы произвести первичный пуск канальной печи, в нее заливают расплавленный металл либо вставляют шаблон из материала, способного расправиться в печи. Когда плавка завершается, металл сливается не полностью, а остается «болото», предназначенное для заполнения канала тепловыделения для пуска в будущем. Если собирается печь индукционная своими руками, то для облегчения замены подового камня для оборудования он делается отъемным.
Компоненты печи
Итак, если вас интересует индукционная мини-печь своими руками, то важно знать, что ее главным элементом является нагревательная катушка. В случае самодельного варианта достаточно использовать индуктор, выполненный из голой медной трубки, диаметр которой составляет 10 мм. Для индуктора используется внутренний диаметр 80-150 мм, а количество витков - 8-10. Важно, чтобы витки не соприкасались, а расстояние между ними было 5-7 мм. Части индуктора не должны соприкасаться с его экраном, минимальный зазор должен быть 50 мм.
Если вами собирается печь индукционная своими руками, то вы должны знать, что в промышленных масштабах охлаждением индукторов занимается вода или антифриз. В случае малой мощности и непродолжительной работы создаваемого прибора можно обойтись и без охлаждения. Но при работе индуктор сильно нагревается, а окалина на меди может не просто резко снизить КПД устройства, но и привести к полной утрате его работоспособности. Самостоятельно невозможно сделать индуктор с охлаждением, поэтому потребуется его регулярная замена. Нельзя использовать принудительное воздушное охлаждение, так как корпус вентилятора, размещенного поблизости с катушкой, «притянет» к себе ЭМП, что приведет к перегреву и падению КПД печи.
Генератор
Когда собирается индукционная печь своими руками, схема предполагает использование такого важного элемента, как генератор переменного тока. Не стоит пытаться делать печь, если вы не владеете основами радиоэлектроники хотя бы на уровне среднеквалифицированного радиолюбителя. Выбор схемы генератора должен быть таким, чтобы он не давал жесткий спектр тока.
Использование индукционных печей
Данный тип оборудования получил широкое распространение в таких областях, как литейное производство, где металл уже прошел очистку и требуется придать ему какую-то конкретную форму. Так же можно получить некоторые сплавы. В ювелирном производстве они тоже получили распространение. Несложный принцип работы и возможность того, чтобы была собрана печь индукционная своими руками, позволяют повысить рентабельность ее использования. Для этой области можно использовать приборы с емкостью тигля до 5 килограмм. Для небольших производств такой вариант будет оптимальным.
Принцип индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию.
В установках индукционного нагрева электромагнитное поле создают индуктором, представляющим собой многовитковую цилиндрическую катушку (соленоид). Через индуктор пропускают переменный электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени переменное магнитное поле. Это — первое превращение энергии электромагнитного поля, описываемое первым уравнением Максвелла .
Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора или рядом с ним. Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданной индуктором, пронизывает нагреваемый объект и индуктирует электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т. е. электрическое поле в нагреваемом объекте носит вихревой характер. Под действием электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи). Это — второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла .
В нагреваемом объекте энергия индуктированного переменного электрического поля необратимо переходит в тепловую. Такое тепловое рассеивание энергии, следствием чего является нагрев объекта, определяется существованием токов проводимости (вихревых токов). Это — третье превращение энергии электромагнитного поля, причем энергетическое соотношение этого превращения описывается законом Ленца-Джоуля .
Описанные превращения энергии электромагнитного поля дают возможность:
1) передать электрическую энергию индуктора в нагреваемый объект, не прибегая к контактам (в отличие от печей сопротивления)
2) выделить тепло непосредственно в нагреваемом объекте (так называемая «печь с внутренним источником нагрева» по терминологии проф. Н. В. Окорокова), в результате чего использование тепловой энергии оказывается наиболее совершенным и скорость нагрева значительно увеличивается (по сравнению с так называемыми «печами с внешним источником нагрева»).
На величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора: величина магнитного потока, т. е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцепленных с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т. е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцепленного с нагреваемым объектом.
Это дает возможность выполнить два типа установок индукционного нагрева, которые различаются и по конструкции и по эксплуатационным свойствам: индукционные установки с сердечником и без сердечника.
По технологическому назначению установки индукционного нагрева подразделяют на плавильные печи для плавки металлов и нагревательные установки для термической обработки (закалки, отпуска), для сквозного нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой), для сварки, пайки и наплавки, для химико-термической обработки изделий и т. д.
По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают:
1) установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно или через понижающие трансформаторы;
2) установки повышенной частоты (500-10000 Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;
3) высокочастотные установки (66 000-440 000 Гц и выше), питающиеся от ламповых электронных генераторов.
Установки индукционного нагрева с сердечником
В плавильной печи (рис. 1) цилиндрический многовитковый индуктор, изготовленный из медной профилированной трубки, насаживают на замкнутый сердечник, набранный из листовой электротехнической стали (толщина листов 0,5 мм). Вокруг индуктора размещают огнеупорную керамическую футеровку с узким кольцевым каналом (горизонтальным или вертикальным), где находится жидкий металл. Необходимым условием работы является замкнутое электропроводное кольцо. Поэтому невозможно расплавить отдельные куски твердого металла в такой печи. Для пуска печи приходится в канал заливать порцию жидкого металла из другой печи или оставлять часть жидкого металла от предыдущей плавки (остаточная емкость печи).
Рис.1. Схема устройства индукционной канальной печи: 1 - индикатор; 2 - металл; 3 - канал; 4 - магнитопровод; Ф - основной магнитный поток; Ф 1р и Ф 2р - магнитные потоки рассеяния; U 1 и I 1 - напряжение и ток в цепи индуктора; I 2 - ток проводимости в металле
В стальном магнитопроводе индукционной канальной печи замыкается большой рабочий магнитный поток и лишь небольшая часть полного магнитного потока, создаваемого индуктором, замыкается через воздух в виде потока рассеяния. Поэтому такие печи успешно работают на промышленной частоте (50 Гц).
В настоящее время существует большое число типов и конструкций таких печей, разработанных во ВНИИЭТО (однофазные и многофазные с одним и несколькими каналами, с вертикальным и горизонтальным закрытым каналом разной формы). Эти печи применяют для плавки цветных металлов и сплавов со сравнительно низкой температурой плавления, а также для получения высококачественного чугуна. При плавке чугуна печь используют либо в качестве копильника (миксера), либо в качестве плавильного агрегата. Конструкции и технические характеристики современных индукционных канальных печей приведены в специальной литературе.
Установки индукционного нагрева без сердечника
В плавильной печи (рис. 2) расплавляемый металл находится в керамическом тигле, помещенном внутрь цилиндрического многовиткового индуктора. изготовляют из медной профилированной трубки, через которую пропускают охлаждающую воду. Узнать подробнее о конструкции индуктора можно .
Отсутствие стального сердечника приводит к резкому увеличению магнитного потока рассеяния; число магнитных силовых линий, сцепляемых с металлом в тигле, будет крайне мало. Это обстоятельство требует соответствующего увеличения частоты изменения (во времени) электромагнитного поля. Поэтому для эффективной работы индукционных тигельных печей приходится питать их токами повышенной, а в отдельных случаях и высокой частоты от соответствующих преобразователей тока. Подобные печи имеют очень низкий естественный коэффициент мощности (cos φ=0,03-0,10). Поэтому необходимо применять конденсаторы для компенсации реактивной (индуктивной) мощности.
В настоящее время имеется несколько типов индукционных тигельных печей, разработанных во ВНИИЭТО в виде соответствующих размерных рядов (по емкости) высокой, повышенной и промышленной частоты, для плавки стали (тип ИСТ).
Рис. 2. Схема устройства индукционной тигельной печи: 1 - индуктор; 2 - металл; 3 - тигель (стрелками показана траектория циркуляции жидкого металла в результате электродинамических явлений)
Преимуществами тигельных печей являются следующие: выделяющееся непосредственно в металле тепло, высокая равномерность металла по химическому составу и температуре, отсутствие источников загрязнения металла (помимо футеровки тигля), удобство управления и регулирования процесса плавки, гигиеничность условий труда. Кроме этого, для индукционных тигельных печей характерны: более высокая производительность вследствие высоких удельных (на единицу емкости) мощностей нагрева; возможность плавить твердую шихту, не оставляя металл от предыдущей плавки (в отличие от канальных печей); малая масса футеровки по сравнению с массой металла, что уменьшает аккумуляцию тепловой энергии в футеровке тигля, снижает тепловую инерцию печи и делает плавильные печи этого типа исключительно удобными для периодической работы с перерывами между плавками, в частности для фасонно-литейных цехов машиностроительных заводов; компактность печи, что позволяет достаточно просто изолировать рабочее пространство от окружающей среды и осуществлять плавку в вакууме или в газовой среде заданного состава. Поэтому в металлургии широко применяют вакуумные индукционные тигельные печи (тип ИСВ).
Наряду с преимуществами у индукционных тигельных печей имеются следующие недостатки: наличие относительно холодных шлаков (температура шлака меньше температуры металла), затрудняющих проведение рафинировочных процессов при выплавке качественных сталей; сложное и дорогое электрооборудование; низкая стойкость футеровки при резких колебаниях температуры вследствие небольшой тепловой инерции футеровки тигля и размывающего действия жидкого металла при электродинамических явлениях. Поэтому такие печи применяют для переплава легированных отходов с целью снижения угара элементов.
Использованная литература:
1. Егоров А.В., Моржин А.Ф. Электрические печи (для производства сталей). М.: «Металлургия», 1975, 352 с.
В мире уже сформировались устоявшиеся технологии производства металла и стали, которыми пользуются металлургические предприятия и сегодня. К ним относятся: конверторный способ получения металла, прокатка, волочение, литье, штамповка, ковка, прессование и т. д. Однако наиболее распространенным при современных условиях является переплавка металла и стали в конвекторах, мартеновских печах и электрических печах. Каждая из таких технологий имеет ряд недостатков и преимуществ. Однако наиболее совершенной и новейшей технологией сегодня является получение стали в электрических печах. Основными преимуществами последней над другими технологиями является высокая производительность и экологичность. Рассмотрим как собрать устройство где будет осуществляться плавка металла в домашних условиях своими руками.
Малогабаритная индукционная электрическая печь для плавления металлов в домашних условиях
Плавка металлов в домашних условиях возможна, если иметь электрическую печь, которую можно сделать своими руками. Рассмотрим создание индуктивной малогабаритной электрической печи для получения однородных сплавов (ОС). По сравнению с аналогами создаваемая установка будет отличаться такими особенностями:
- низкой себестоимостью (до 10000 руб), тогда как стоимость аналогов составляет от 150000 руб;
- возможностью регулирования температурного режима;
- возможностью скоростной плавки металлов в небольших объемах, что позволяет использовать установку не только в научной сфере, но и, например, в ювелирной, стоматологической областях и т.д.
- равномерностью и скоростью нагрева;
- возможностью размещения рабочего органа в печи в вакууме;
- сравнительно малыми габаритами;
- низким уровнем шума, почти полным отсутствием дыма, что позволит повысить производительность труда при работе с установкой;
- возможностью работы как от однофазной, так и от трехфазной сети.
Выбор типа схемы
Наиболее часто, при построении индукционных нагревателей, используются три основных типа схем: полумост, ассиметричный мост и полный мост. При конструировании данной установки были использованы два типа схем – полумост и полный мост с частотным регулированием. Этот выбор был вызван потребностью регулирования коэффициента мощности. Встала проблема поддержания режима резонанса в контуре, поскольку именно с его помощью возможна настройка требуемого значения мощности. Существует два способа регулирования резонанса:
- посредством изменения емкости;
- с помощью изменения частоты.
В нашем случае поддержка резонанса происходит за счет регулировки частоты. Именно эта особенность и вызвала выбор типа схемы с частотным регулированием.
Анализ составных частей схемы
Анализируя работу индукционной печи для плавки металла в домашних условиях (ИП) можно выделить три основные ее части: генератор, блок силового питания, и силовой блок. Для предоставления необходимой частоты при работе установки используется генератор, который для избежания помех от других блоков установки, соединяется с ними через гальваническую решения в виде трансформатора. Для обеспечения схемы силового напряжения необходим блок силового питания, который обеспечивает безопасную и надежную работу силовых элементов конструкции. Собственно, именно силовой блок формирует необходимы мощные сигналы для создания нужного коэффициента мощности на выходе схемы.
На рисунке 1 приведена общая принципиальная схема индукционной установки.
Создание схемы соединений
Схема соединений (монтажная) показывает соединения составных частей изделия и определяет провода, кабели, которые выполняют эти соединения, а также места их присоединения.
Для удобства дальнейшего монтажа установки была разработана схема соединений, отражающий основные контакты между функциональными блоками печи (рис. 2).
Генератор частоты
Самым сложным блоком ИП является генератор. Он обеспечивает нужную частоту работы установки и создает начальные условия для получения резонансного контура. В качестве источника колебаний используется специализированный контроллер электронных импульсов типа КР1211ЕУ1 (рис.3). Этот выбор был вызван возможностью работы данной микросхемы в достаточно широком частотном диапазоне (до 5 МГц), что позволяет получать высокое значение мощности на выходе силового блока схемы.
На рисунках 4,5 приведены принципиальная схема генератора частоты и схема электрической платы.
Микросхема КР1211ЕУ1 генерирует сигналы заданной частоты, которые можно изменять с помощью регулирующего резистора, установленного вне микросхемой. Далее сигналы попадают на транзисторы, работающие в ключевом режиме. В нашем случае применяются кремниевые полевые транзисторы с изолированным затвором типа КП727. Их преимущества заключаются в следующем: максимально допустимый импульсный ток, который они могут выдерживать, равна 56 А; максимальное напряжение – 50 В. Диапазон этих показателей нас полностью устраивает. Но, в связи с этим возникла проблема значительного перегрева. Именно для решения данного вопроса и нужен ключевой режим, который позволит уменьшить время нахождения транзисторов в рабочем состоянии.
Блок питания
Данный блок обеспечивает подачу питания на исполнительные узлы установки. Главной его особенностью является возможность работы от однофазной и трехфазной сети. Источник питания на 380В используется для повышения коэффициента мощности, выделяемая в индукторе.
Входное напряжение подается на выпрямляющий мост, который преобразует переменное напряжение 220В в постоянное пульсирующее. К выходам моста подключены накопительные конденсаторы, которые поддерживают постоянный уровень напряжения после снятия нагрузки с установки. Для обеспечения надежности работы установки блок оборудован автоматическим выключателем.
Силовой блок
Данный блок обеспечивает непосредственное усиление сигнала и создания резонансного контура, с помощью изменения емкости круга. Сигналы с генератора попадают на транзисторы, которые работают в режиме усиления. Таким образом, они, открываясь в разные моменты времени, будоражат соответствующие электрические цепи, проходящие через повышающий трансформатор и пропускают по нему силовой ток в разных направлениях. В результате на выходе трансформатора (Tr1) мы получаем повышенный сигнал с заданной частотой. Этот сигнал подается на установку с индуктором. Установка с индуктором (Tr2 на схеме) состоит из индуктора и набора конденсаторов (С13 – Сп). Конденсаторы имеют специально подобранную емкость и создают колебательный контур, который позволяет регулировать уровень индуктивности. Этот контур должен работать в режиме резонанса, что вызывает стремительное повышение частоты сигнала в индукторе, и увеличение индукционных токов, за счет которых собственно и происходит нагрев. На рисунке 7 приведена электрическая схема силового блока индукционной печи.
Индуктор и особенности его работы
Индуктор – специальное устройство для передачи энергии от источника питания в изделие, нагревается. Индукторы изготавливают обычно из медных трубок. Во время работы он охлаждается проточной водой.
Плавка цветных металлов в домашних условиях при помощи индукционной печи заключается в проникновении в середину металлов индукционных токов, которые возникают за счет высокой частоты изменения напряжения, приложенного к зажимам индуктора. Мощность установки зависит от величины приложенного напряжения и от ее частоты. Частота влияет на интенсивность индукционных токов и соответственно на температуру в середине индуктора. Чем больше частота и время работы установки, тем лучше перемешиваются металлы. Сам индуктор и направления протекания индукционных токов приведены на рисунке 8.
Для однородного смешивания и избежание загрязнения сплава чужеродными элементами, например электродами из резервуара со сплавом, используют индуктор с обратным витком как показано на рисунке 9. Именно благодаря этому витку создается электромагнитное поле, которое удерживает металл в воздухе, превосходя силу притяжения Земли.
Конечный монтаж установки
Каждый из блоков крепится к корпусу индукционной печи с помощью специальных стоек. Это делается для того чтобы избежать нежелательных контактов токоведущих частей с металлическим покрытием самого корпуса (рис. 10).
Для безопасной работы с установкой, она полностью закрывается прочным корпусом (рис. 11), чтобы таким образом создать преграду между опасными элементами конструкции и телом человека, работающего с ней.
Для удобства наладки индукционной установки в целом было изготовлена панель индикации для размещения метрологических устройств, с помощью которых и происходит контроль за всеми параметрами установки. В таких метрологических устройств относятся: амперметр, который показывает ток в индукторе, вольтметр, подключенный на выходе индуктора, индикатор температурного режима, регулятор частоты генерации сигнала. Все приведенные параметры дают возможность для регулирования режимов работы индукционной установки. Также конструкция оборудована системой ручного включения, и системой индикации процессов нагрева. С помощью показов на устройствах собственно и происходит контроль за работой установки в целом.
Конструирование малогабаритной индукционной установки является достаточно сложным технологическим процессом, так как он должен обеспечить соблюдение большого количества критерий, таких как: удобство конструкции, малогабаритность, портативность и т.д. Данная установка работает по принципу бесконтактной передачи энергии в предмет, нагревается. В следствие целенаправленного движения индукционных токов в индукторе происходит непосредственно сам процесс плавки, продолжительность которого составляет несколько минут.
Создание данной установки является достаточно выгодным, так как область ее применения безгранична, начиная с использования для обычной лабораторной работы и заканчивая изготовлением сложных однородных сплавов из тугоплавких металлов.
© При использовании материалов сайта (цитат, изображений) указание источника обязательно.
Индукционная печь изобретена давно, еще в 1887 г, С. Фарранти. Первая промышленная установка заработала в 1890 г. на фирме Benedicks Bultfabrik. Долгое время индукционные печи и в индустрии были экзотикой, но не вследствие дороговизны электричества, тогда оно было не дороже теперешнего. В процессах, происходящих в индукционных печах, было еще много непонятного, а элементная база электроники не позволяла создавать эффективные схемы управления ими.
В индукционно-печной сфере переворот произошел буквально на глазах в наши дни, благодаря появлению, во-первых, микроконтроллеров, вычислительная мощность которых превышает таковую персональных компьютеров десятилетней давности. Во-вторых, благодаря… мобильной связи. Ее развитие потребовало появления в продаже недорогих транзисторов, способных отдавать мощность в несколько кВт на высоких частотах. Они, в свою очередь, были созданы на основе полупроводниковых гетероструктур, за исследования которых российский физик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию.
В конечном итоге, индукционные печки не только совершенно преобразились в промышленности, но и широко вошли в быт. Интерес к предмету породил массу самоделок, которые, в принципе, могли бы быть полезными. Но большинство авторов конструкций и идей (описаний которых в источниках много больше, чем работоспособных изделий) плоховато представляют себе как основы физики индукционного нагрева, так и потенциальную опасность неграмотно выполненных конструкций. Настоящая статья призвана прояснить некоторые наиболее смутные моменты. Материал построен на рассмотрении конкретных конструкций:
- Промышленной канальной печи для плавки металла, и возможности ее создания самостоятельно.
- Тигельных печей индукционного типа, самых простых в исполнении и наиболее популярных среди самодельщиков.
- Индукционных водогрейных котлов, стремительно вытесняющих бойлеры с ТЭНами.
- Бытовых варочных индукционных приборов, конкурирующих с газовыми плитами и по ряду параметров превосходящих микроволновки.
Примечание: все рассматриваемые устройства основаны на магнитной индукции, создаваемой катушкой индуктивности (индуктором), поэтому и называются индукционными. В них можно плавить/нагревать только электропроводящие материалы, металлы и т.п. Есть еще электроиндукционные емкостные печи, основанные на электрической индукции в диэлектрике между обкладками конденсатора, они применяются для «нежного» плавления и электротермообработки пластиков. Но распространены они гораздо меньше индукторных, рассмотрение их требует отдельного разговора, поэтому пока оставим.
Принцип действия
Принцип работы индукционной печи иллюстрирует рис. справа. В сущности она – электрический трансформатор с короткозамкнутой вторичной обмоткой:
- Генератор переменного напряжения G создает в индукторе L (heating coil) переменный ток I1.
- Конденсатор С совместно с L образуют колебательный контур, настроенный на рабочую частоту, это в большинстве случаев повышает техпараметры установки.
- Если генератор G автоколебательный, то С часто исключают из схемы, используя вместо него собственную емкость индуктора. Она у описанных ниже высокочастотных индукторов составляет несколько десятков пикофарад, что как раз соответствует рабочему диапазону частот.
- Индуктор в соответствии с уравнениями Максвелла создает в окружающем пространстве переменное магнитное поле с напряженностью H. Магнитное поле индуктора может как замыкаться через отдельный ферромагнитный сердечник, так и существовать в свободном пространстве.
- Магнитное поле, пронизывая помещенную в индуктор заготовку (или плавильную шихту) W, создает в ней магнитный поток Ф.
- Ф, если W электропроводящая, индуцирует в ней вторичный ток I2, то тем же уравнениям Максвелла.
- Если Ф достаточно массивна и цельная, то I2 замыкается внутри W, образуя вихревой ток, или ток Фуко.
- Вихревые токи по закону Джоуля-Ленца отдает полученную им через индуктор и магнитное поле от генератора энергию, нагревая заготовку (шихту).
Электромагнитное взаимодействие с точки зрения физики достаточно сильно и обладает довольно высоким дальнодействием. Поэтому, несмотря на многоступенчатое преобразование энергии, индукционная печь способна показать в воздухе или вакууме КПД до 100%.
Примечание: в среде из неидеального диэлектрика с диэлектрической проницаемостью >1 потенциально достижимый КПД индукционных печей падает, а в среде с магнитной проницаемостью >1 добиться высокого КПД проще.
Канальная печь
Канальная индукционная плавильная печь – первая из примененных в промышленности. Она и конструктивно похожа на трансформатор, см. рис. справа:
- Первичная обмотка, питаемая током промышленной (50/60 Гц) или повышенной (400 Гц) частоты, выполнена из медной, охлаждаемой изнутри жидким теплоносителем, трубки;
- Вторичная короткозамкнутая обмотка – расплав;
- Кольцеобразный тигель из жаростойкого диэлектрика, в котором помещается расплав;
- Наборный из пластин трансформаторной стали магнитопровод.
Канальные печи используются для переплавки дюраля, цветных спецсплавов, получения высококачественного чугуна. Промышленные канальные печи требуют затравки расплавом, иначе «вторичка» не замкнется накоротко и нагрева не будет. Или между крошками шихты возникнут дуговые разряды, и вся плавка просто взорвется. Поэтому перед пуском печи в тигель наливают немного расплава, а переплавленную порцию выливают не до конца. Металлурги говорят, что канальная печь имеет остаточную емкость.
Канальную печь на мощность до 2-3 кВт можно сделать и самому из сварочного трансформатора промышленной частоты. В такой печи можно расплавить до 300-400 г цинка, бронзы, латуни или меди. Можно переплавлять дюраль, только отливке нужно по остывании дать состариться, от нескольких часов до 2-х недель, в зависимости от состава сплава, чтобы набрала прочность, вязкость и упругость.
Примечание: дюраль вообще был изобретен случайно. Разработчики, обозлившись, что легировать алюминий никак не удается, бросили в лаборатории очередной «никакой» образец и ушли в загул с горя. Протрезвились, вернулись – а никакой изменил цвет. Проверили – а он набрал прочность едва ли не стали, оставшись легким, как алюминий.
«Первичку» трансформатора оставляют штатной, она уже рассчитана на работу в режиме КЗ вторички сварочной дугой. «Вторичку» снимают (ее потом можно поставить обратно и использовать трансформатор по прямому назначению), а вместо нее надевают кольцевой тигель. Но пытаться переделать в канальную печь сварочный ВЧ-инвертор опасно! Его ферритовый сердечник перегреется и разлетится в куски из-за того, что диэлектрическая проницаемость феррита >>1, см. выше.
Проблема остаточной емкости в маломощной печке отпадает: в шихту для затравки кладут проволочку из того же металла, согнутую в кольцо и со скрученными концами. Диаметр проволоки – от 1 мм/кВт мощности печи.
Но появляется проблема кольцевого тигля: единственный подходящий для малого тигля материал – электрофарфор. В домашних условиях обработать его самому невозможно, а где взять покупной подходящий? Прочие огнеупоры не годятся вследствие высоких диэлектрических потерь в них или пористости и малой механической прочности. Поэтому, хотя канальная печь дает плавку высочайшего качества, не требует электроники, а ее КПД уже при мощности 1 кВт превышает 90%, у самодельщиков они не в ходу.
Под обычный тигель
Остаточная емкость раздражала металлургов – сплавы-то плавились дорогие. Поэтому, как только в 20-х годах прошлого века появились достаточно мощные радиолампы, тут же родилась идея: выкинуть на (не будем повторять профессиональные идиомы суровых мужиков) магнитопровод, а обычный тигель засунуть прямо в индуктор, см. рис.
На промышленной частоте так не сделаешь, магнитное поле низкой частоты без концентрирующего его магнитопровода расползется (это т. наз. поле рассеяния) и отдаст свою энергию куда угодно, только не в расплав. Компенсировать поле рассеяния можно повышением частоты до высокой: если диаметр индуктора соизмерим с длиной волны рабочей частоты, а вся система – в электромагнитном резонансе, то до 75% и более энергии ее электромагнитного поля будет сосредоточено внутри «бессердечной» катушки. КПД выйдет соответственный.
Однако уже в лабораториях выяснилось, что авторы идеи проглядели очевидное обстоятельство: расплав в индукторе, хотя бы и диамагнитный, но электропроводящий, за счет собственного магнитного поля от вихревых токов изменяет индуктивность нагревательной катушки. Начальную частоту понадобилось устанавливать под холодную шихту и менять по мере ее плавления. Причем в пределах тем больших, чем больше заготовка: если для 200 г стали можно обойтись диапазоном в 2-30 МГц, то для болванки с железнодорожную цистерну начальная частота будет около 30-40 Гц, а рабочая – до нескольких кГц.
Подходящую автоматику на лампах сделать сложно, «тянуть» частоту за болванкой – нужен высококвалифицированный оператор. Кроме того, на низких частотах сильнейшим образом проявляет себя поле рассеяния. Расплав, который в такой печи еще и сердечник катушки, до некоторой степени собирает магнитное поле возле нее, но все равно, для получения приемлемого КПД понадобилось окружать всю печь мощным ферромагнитным экраном.
Тем не менее, благодаря своим выдающимся достоинствам и уникальным качествам (см. далее) тигельные индукционные печи широко применяются и в промышленности, и самодельщиками. Поэтому остановимся подробнее на том, как правильно сделать такую своими руками.
Немного теории
При конструировании самодельной «индукционки» нужно твердо помнить: минимум потребляемой мощности не соответствует максимуму КПД, и наоборот. Минимальную мощность от сети печка возьмет при работе на основной резонансной частоте, Поз. 1 на рис. Болванка/шихта при этом (и на более низких, дорезонансных частотах) работает как один короткозамкнутый виток, а в расплаве наблюдается всего одна конвективная ячейка.
В режиме основного резонанса в печке на 2-3 кВт можно расплавить до 0,5 кг стали, но разогрев шихты/заготовки займет до часа и более. Соответственно, общее потребление электричества от сети будет большим, а общий КПД – низким. На дорезонансных частотах – еще ниже.
Вследствие этого индукционные печи для плавки металла работают чаще всего на 2-й, 3-й и др. высших гармониках (Поз. 2 на рис.) Требуемая для разогрева/расплавления мощность при этом возрастает; для того же полкило стали на 2-й понадобится 7-8 кВт, на 3-ей 10-12 кВт. Но прогрев происходит очень быстро, за минуты или доли минут. Поэтому и КПД выходит высокий: печка не успевает «съесть» много, как расплав уже можно лить.
У печей на гармониках есть важнейшее, даже уникальное достоинство: в расплаве возникает несколько конвективных ячеек, мгновенно и тщательно его перемешивающих. Поэтому можно вести плавку в режиме т. наз. быстрой шихты, получая сплавы, которые в любых других плавильных печах выплавить принципиально невозможно.
Если же «задрать» частоту в 5-6 и более раз выше основной, то КПД несколько (ненамного) падает, но проявляется еще одно замечательное свойство индукционки на гармониках: поверхностный нагрев вследствие скин-эффекта, вытесняющего ЭМП к поверхности заготовки, Поз. 3 на рис. Для плавки этот режим используется редко, но для разогрева заготовок под поверхностную цементацию и закалку – милое дело. Современная техника без такого способа термообработки была бы просто невозможна.
О левитации в индукторе
А теперь проделаем фокус: накрутим первые 1-3 витка индуктора, затем перегнем трубку/шину на 180 градусов, и остальную обмотку навьем в обратном направлении (Поз 4 на рис.) Подключим к генератору, введем в индуктор тигель в шихтой, дадим ток. Дождемся расплавления, уберем тигель. Расплав в индукторе соберется в сферу, которая там останется висеть, пока не выключим генератор. Тогда – упадет вниз.
Эффект электромагнитной левитации расплава используют для очистки металлов путем зонной плавки, для получение высокоточных металлических шариков и микросфер, и т.п. Но для надлежащего результата плавку нужно вести в высоком вакууме, поэтому здесь о левитации в индукторе упомянуто только для сведения.
Зачем индуктор дома?
Как видим, даже маломощная индукционная печка для квартирной проводки и лимитов потребления мощновата. Для чего же стоит ее делать?
Во-первых, для очистки и разделения драгоценных, цветных и редких металлов. Берем, к примеру, старый советский радиоразъем с позолоченными контактами; золота/серебра на плакировку тогда не жалели. Кладем контакты в узкий высокий тигелек, суем в индуктор, плавим на основном резонансе (выражаясь профессионально, на нулевой моде). По расплавлении постепенно снижаем частоту и мощность, давая застыть болванке в течение 15 мин – получаса.
По остывании разбиваем тигелек, и что видим? Латунный столбик с ясно различимым золотым кончиком, который остается только отрезать. Без ртути, цианидов и прочих убийственных реагентов. Нагревом расплава извне любым способом этого не добиться, конвекция в нем не даст.
Ну, золото-золотом, а сейчас и черный металлолом на дороге не валяется. Но вот необходимость равномерного, или точно дозированного по поверхности/объему/температуре нагрева металлических деталей для качественной закалки у самодельщика или ИП-индивидуала всегда найдется. И тут опять выручит печка-индуктор, причем расход электричества будет посильным для семейного бюджета: ведь основная доля энергии нагрева приходится на скрытую теплоту плавления металла. А меняя мощность, частоту и расположение детали в индукторе, можно нагреть именно нужное место именно как надо, см. рис. выше.
Наконец, сделав индуктор специальной формы (см. рис. слева), можно отпустить закаленную деталь в нужном месте, на нарушая цементации с закалкой на конце/концах. Затем, где надо – гнем, плющим, а остальное остается твердым, вязким, упругим. В конце можно снова разогреть, где отпускали, и опять закалить.
Приступаем к печке: что нужно знать обязательно
Электромагнитное поле (ЭМП) воздействует на человеческий организм, хотя бы прогревая его во всем объеме, как мясо в микроволновке. Поэтому, работая с индукционной печью в качестве конструктора, мастера или эксплуатанта, нужно четко уяснить себе суть следующих понятий:
ППЭ – плотность потока энергии электромагнитного поля. Определяет общее физиологическое воздействие ЭМП на организм независимо от частоты излучения, т.к. ППЭ ЭМП одной и той же напряженности растет с ростом частоты излучения. По санитарным нормам разных стран допустимое значение ППЭ от 1 до 30 мВт на 1 кв. м. поверхности тела при постоянном (свыше 1 часа в сутки) воздействии и втрое-впятеро больше при однократном кратковременном, до 20 мин.
Примечание: особняком стоят США, у них допустимая ППЭ – 1000 мВт (!) на кв. м. тела. Фактически, американцы считают началом физиологического воздействия внешние его проявления, когда человеку уже становится плохо, а долговременные последствия облучения ЭМП полностью игнорируют.
ППЭ при удалении от точечного источника излучения падает по квадрату расстояния. Однослойная экранировка оцинковкой или мелкоячеистой оцинкованной сеткой снижает ППЭ в 30-50 раз. Вблизи катушки по ее оси ППЭ будет в 2-3 раза выше, чем сбоку.
Поясним на примере. Есть индуктор на 2 кВт и 30 МГц с КПД в 75%. Следовательно, наружу из него уйдет 0,5 кВт или 500 Вт. На расстоянии в 1 м от него (площадь сферы радиусом 1 м – 12,57 кв. м.) на 1 кв. м. придется 500/12,57=39,77 Вт, а на человека – около 15 Вт, это очень много. Индуктор нужно располагать вертикально, перед включением печи надевать на него заземленный экранирующий колпак, следить за процессом издали, а по его окончании немедленно выключать печь. На частоте в 1 МГц ППЭ упадет в 900 раз, и с экранированным индуктором можно работать без особых предосторожностей.
СВЧ – сверхвысокие частоты. В радиэлектронике СВЧ считают с т.наз. Q-диапазона, но по физиологии СВЧ начинается примерно со 120 МГц. Причина – электроиндукционный нагрев плазмы клеток и резонансные явления в органических молекулах. СВЧ обладает специфически направленным биологическим действием с долговременными последствиями. Достаточно получить 10-30 мВт в течение получаса, чтобы подорвать здоровье и/или репродуктивную способность. Индивидуальная восприимчивость к СВЧ крайне изменчива; работая с ним, нужно регулярно проходить специальную медкомиссию.
Пресечь СВЧ-излучение очень трудно, оно, как говорят профи, «сифонит» сквозь малейшую щелочку в экране или при малейшем нарушении качества заземления. Эффективная борьба с СВЧ-излучением аппаратуры возможна только на уровне его конструирования высококлассными специалистами.
Компоненты печи
Индуктор
Важнейшая часть индукционной печи – ее нагревательная катушка, индуктор. Для самодельных печей на мощность до 3 кВт пойдет индуктор из голой медной трубки диаметром 10 мм или медной же голой шины сечением не менее 10 кв. мм. Внутренний диаметр индуктора – 80-150 мм, количество витков – 8-10. Витки не должны соприкасаться, расстояние между ними – 5-7 мм. Также никакая часть индуктора не должна касаться его экрана; минимальный зазор – 50 мм. Поэтому для прохождения выводов катушки к генератору нужно предусмотреть окно в экране, не мешающее его снимать/ставить.
Индукторы промышленных печей охлаждают водой или антифризом, но на мощности до 3 кВт описанный выше индуктор при работе его в продолжении до 20-30 мин принудительного охлаждения не требует. Однако он сам при этом сильно нагревается, а окалина на меди резко снижает КПД печи вплоть до потери ею работоспособности. Сделать самому индуктор с жидкостным охлаждением невозможно, поэтому его придется время от времени менять. Применять принудительное воздушное охлаждение нельзя: пластиковый или металлический корпус вентилятора вблизи катушки «притянут» к себе ЭМП, перегреются, а КПД печи упадет.
Примечание: для сравнения – индуктор для плавильной печи на 150 кг стали согнут из медной трубы 40 мм наружным диаметром и 30 внутренним. Число витков – 7, диаметр катушки по внутри 400 мм, высота тоже 400 мм. Для его раскачки на нулевой моде нужно 15-20 кВт при наличии замкнутого контура охлаждения дистиллированной водой.
Генератор
Вторая главная часть печи – генератор переменного тока. Сделать индукционную печь, не владея основами радиоэлектроники хотя бы на уровне радиолюбителя средней квалификации, не стоит и пытаться. Эксплуатировать – тоже, ведь, если печка не под компьютерным управлением, настроить ее в режим можно, только чувствуя схему.
При выборе схемы генератора следует всячески избегать решений, дающих жесткий спектр тока. В качестве антипримера приводим довольно распространенную схему на тиристорном ключе, см. рис. выше. Доступный специалисту расчет по прилагаемой к ней автором осциллограмме показывает, что ППЭ на частотах свыше 120 МГц от индуктора, запитанного таким образом, превышает 1 Вт/кв. м. на расстоянии 2,5 м от установки. Убийственная простота, ничего не скажешь.
В качестве ностальгического курьеза приводим еще схему древнего лампового генератора, см. рис. справа. Такие делали советские радиолюбители еще в 50-х годах, рис. справа. Настройка в режим – воздушным конденсатором переменной емкости С, с зазором между пластинами не менее 3 мм. Работает только на нулевой моде. Индикатор настройки – неоновая лампочка Л. Особенность схемы – очень мягкий, «ламповый» спектр излучения, так что пользоваться этим генератором можно без особых мер предосторожности. Но – увы! – ламп для него сейчас не найдешь, а при мощности в индукторе около 500 Вт энергопотребление от сети – более 2 кВт.
Примечание: указанная на схеме частота 27,12 МГц не оптимальна, она выбрана из соображений электромагнитной совместимости. В СССР она была свободной («мусорной») частотой, для работы на которой разрешения не требовалось, лишь бы устройство помех никому не давало. А вообще-то С можно перестраивать генератор в довольно широком диапазоне.
На следующем рис. слева – простейший генератор с самовозбуждением. L2 – индуктор; L1 – катушка обратной связи, 2 витка эмалированного провода диаметром 1,2-1,5 мм; L3 – болванка или шихта. В качестве контурной емкости используется собственная емкость индуктора, поэтому эта схема не требует настройки, она автоматически входит в режим нулевой моды. Спектр мягкий, но при неправильной фазировке L1 мгновенно сгорает транзистор, т.к. он оказывается в активном режиме с КЗ по постоянному току в цепи коллектора.
Также транзистор может сгореть просто от изменения наружной температуры или саморазогрева кристалла – каких-либо мер по стабилизации его режима не предусмотрено. В общем, если у вас завалялись где-то старые КТ825 или им подобные, то начинать эксперименты по индукционному нагреву можно с этой схемки. Транзистор должен быть установлен на радиатор площадью не менее 400 кв. см. с обдувом от компьютерного или ему подобного вентилятора. Регулировка можности в индукторе, до 0,3 кВт – изменением напряжения питания в пределах 6-24 В. Его источник должен обеспечивать ток не менее 25 А. Мощность рассеивания резисторов базового делителя напряжения не менее 5 Вт.
Схема на след. рис. справа – мультивибратор с индуктивной нагрузкой на мощных полевых тразисторах (450 B Uk, не менее 25 A Ik). Благодаря применению емкости в цепи колебательного контура дает довольно мягкий спектр, но внемодовый, поэтому пригоден для разогрева деталей до 1 кг для закалки/отпуска. Главный недостаток схемы – дороговизна компонент, мощных полевиков и быстродействующих (граничная частота не менее 200 кГц) высоковольтных диодов в их базовых цепях. Биполярные мощные транзисторы в этой схеме не работают, перегреваются и сгорают. Радиатор здесь такой же, как и в предыдущем случае, но обдува уже не нужно.
Следующая схема уже претендует на звание универсальной, мощностью до 1 кВт. Это – двухтактный генератор с независимым возбуждением и мостовым включением индуктора. Позволяет работать на 2-3 моде или в режиме поверхностного нагрева; частота регулируется переменным резистором R2, а диапазоны частот переключаются конденсаторами С1 и С2, от 10 кГц до 10 МГц. Для первого диапазона (10-30 кГц) емкость конденсаторов С4-С7 должна быть увеличена до 6,8 мкФ.
Трансформатор между каскадами – на ферритовом кольце с площадью сечения магнитопровода от 2 кв. см. Обмотки – из эмалированного провода 0,8-1,2 мм. Радиатор транзисторов – 400 кв. см. на четверых с обдувом. Ток в индукторе практически синусоидальный, поэтому спектр излучения мягкий и на всех рабочих частотах дополнительных мер защиты не требуется, при условии работы до 30 мин в день через 2 дня на 3-й.
Видео: самодельный индукционный нагреватель в работе
Индукционные котлы
Индукционные водогрейные котлы, без сомнения, вытеснят бойлеры с ТЭНами везде, где электричество обходится дешевле других видов топлива. Но их неоспоримые достоинства породили и массу самоделок, от которых у специалиста иной раз буквально волосы дыбом встают.
Скажем, такая конструкция: пропиленовую трубу с проточной водой окружает индуктор, а он запитан от сварочного ВЧ-инвертора на 15-25 А. Вариант – из термостойкого пластика делают пустотелый бублик (тор), по патрубкам пропускают через него воду, а для нагрева обматывают шиной, образующий свернутый в кольцо индуктор.
ЭМП передаст свою энергию воде хорошо; та обладает неплохой электропроводностью и аномально высокой (80) диэлектрической проницаемостью. Вспомните, как стреляют в микроволновке оставшиеся на посуде капельки влаги.
Но, во-первых, для полноценного обогрева квартиры или зимой нужно не менее 20 кВт тепла, при тщательном утеплении снаружи. 25 А при 220 В дают всего 5,5 кВт (а сколько это электричество стоит по нашим тарифам?) при 100% КПД. Ладно, пусть мы в Финляндии, где электричество дешевле газа. Но лимит потребления на жилье – все равно 10 кВт, а за перебор нужно платить по увеличенному тарифу. И квартирная проводка 20 кВт не выдержит, нужно тянуть отдельный фидер от подстанции. Во что такая работа обойдется? Если еще электрикам далеко до перебора мощности по району и они ее разрешат.
Затем, сам теплообменник. Он должен быть или металлическим массивным, тогда будет действовать только индукционный нагрев металла, или из пластика с низкими диэлектрическими потерями (пропилен, между прочим, к таким не относится, годится только дорогой фторопласт), тогда вода непосредственно поглотит энергию ЭМП. Но в любом случае выходит, что индуктор греет весь объем теплообменника, а воде тепло отдает только внутренняя его поверхность.
В итоге, ценой больших трудов с риском для здоровья, получаем бойлер с КПД пещерного костра.
Индукционный котел отопления промышленного изготовления устроен совсем по-иному: просто, но в домашних условиях невыполнимо, см. рис. справа:
- Массивный медный индуктор подключается непосредственно к сети.
- Его ЭМП греет также массивный металлический лабиринт-теплообменник из ферромагнитного металла.
- Лабиринт одновременно изолирует индуктор от воды.
Стоит такой бойлер в несколько раз дороже обычного с ТЭНом, и пригоден для установки только на пластиковые трубы, но взамен дает массу выгод:
- Никогда не сгорает – в нем нет раскаленной электроспирали.
- Массивный лабиринт надежно экранирует индуктор: ППЭ в непосредственной близости от 30 кВт индукционного бойлера – ноль.
- КПД – более чем 99,5%
- Абсолютно безопасен: собственная постоянная времени обладающей большой индуктивностью катушки – более 0,5 с, что в 10-30 раз больше времени срабатывания УЗО или автомата. Его еще ускоряет «отдача» от переходного процесса при пробое индуктивности на корпус.
- Сам же пробой вследствие «дубовости» конструкции исключительно маловероятен.
- Не требует отдельного заземления.
- Безразличен к удару молнии; сжечь массивную катушку ей не под силу.
- Большая поверхность лабиринта обеспечивает эффективный теплообмен при минимальном температурном градиенте, что почти исключает образование накипи.
- Огромная долговечность и простота пользования: индукционный бойлер совместно с гидромагнитной системой (ГМС) и фильтром-отстойником работает без обслуживания не менее 30 лет.
О самодельных котлах для ГВС
Здесь на рис. приведена схема маломощного индукционного нагревателя для систем ГВС с накопительным баком. В ее основе – любой силовой трансформатор на 0,5-1,5 кВт с первичной обмоткой на 220 В. Очень хорошо подходят сдвоенные трансформаторы от старых ламповых цветных телевизоров – «гробов» на двухстержневом магнитопроводе типа ПЛ.
Вторичную обмотку с таких снимают, первичку перематывают на один стержень, увеличив количество ее витков для работы в режиме, близком к КЗ (короткому замыканию) по вторичке. Сама же вторичная обмотка – вода в U-образном колене из трубы, охватывающем другой стержень. Пластиковая труба или металлическая – на промчастоте все равно, но металлическая должна быть изолирована от остальной системы диэлектрическими вставками, как показано на рис, чтобы вторичный ток замыкался только через воду.
В любом случае такая водогрейка опасна: возможная протечка соседствует с обмоткой под сетевым напряжением. Если уж идти на такой риск, то в магнитопроводе нужно насверлить отверстие под болт-заземлитель, и прежде всего наглухо, в грунт, заземлить трансформатор и бак стальной шиной не менее 1,5 кв. см. (не кв. мм!).
Далее трансформатор (он должен располагаться непосредственно под баком), с подключенным к нему сетевым проводом в двойной изоляции, заземлителем и водогрейным витком заливают в одну «куклу» силиконовым герметиком, как моторчик помпы аквариумного фильтра. Наконец, крайне желательно весь агрегат подключить к сети через быстродействующее электронное УЗО.
Видео: “индукционный” котел на основе бытовой плитки
Индуктор на кухне
Индукционные варочные поверхности для кухни стали уже привычными, см. рис. По принципу действия это та же индукционная печка, только в роли короткозамкнутой вторичной обмотки выступает днище любой металлической варочной посудины, см. рис. справа, а не только из ферромагнитного материала, как часто не знаючи пишут. Просто алюминиевая посуда выходит из употребления; медики доказали, что свободный алюминий – канцероген, а медная и оловянная давно уже не в ходу по причине токсичности.
Бытовая индукционная плитка – порождение века высоких технологий, хотя идея ее зародилась одновременно с индукционными плавильными печами. Во-первых, для изоляции индуктора от стряпни понадобился прочный, стойкий, гигиеничный и свободно пропускающий ЭМП диэлектрик. Подходящие стеклокерамические композиты появились в производстве сравнительно недавно, и на долю верхней пластины плиты приходится немалая доля ее стоимости.
Затем, все варочные посудины разные, а их содержимое изменяет их электрические параметры, и режимы приготовления блюд тоже разные. Осторожным подкручиванием ручек до нужной моды тут и специалист не обойдется, нужен высокопроизводительный микроконтроллер. Наконец, ток в индукторе должен быть по санитарным требованиям чистой синусоидой, а его величина и частота должны сложным образом меняться сообразно степени готовности блюда. То есть, генератор должен быть с цифровым формированием выходного тока, управляемым тем самым микроконтроллером.
Делать кухонную индукционную плиту самому нет смысла: на одни только электронные компоненты по розничным ценам денег уйдет больше, чем на готовую хорошую плитку. И управлять этими приборами пока еще сложновато: у кого есть, тот знает, сколько там кнопочек или сенсоров с надписями: «Рагу», «Жаркое» и т.п. Автор этой статьи видал плитку, где значилось отдельно «Борщ флотский» и «Суп претаньер».
Тем не менее, индукционные плиты имеют массу преимуществ перед прочими:
- Почти нулевая, в отличие от микроволновок, ППЭ, хоть сам на эту плитку садись.
- Возможность программирования для приготовления самых сложных блюд.
- Растопка шоколада, вытапливание рыбьего и птичьего жира, приготовление карамели без малейших признаков пригорания.
- Высокая экономичность как следствие быстрого нагрева и почти полного сосредоточения тепла в варочной посуде.
К последнему пункту: взгляните на рис. справа, там графики разогрева стряпни на индукционной плите и газовой конфорке. Кто знаком с интегрированием, тот сразу поймет, что индуктор на 15-20% экономичнее, а с чугунным «блином» его можно и не сравнивать. Затраты денег на энергоноситель при приготовлении большинства блюд для индукционной плиты сравнимы с газовой, а на тушение и варку густых супов даже меньше. Индуктор пока уступает газу только при выпечке, когда необходим равномерный прогрев со всех сторон.
Видео: неудавшийся индукционный нагреватель из кухонной плиты
В заключение
Итак, индукционные электроприборы для подогрева воды и приготовления пищи лучше покупать готовые, дешевле и проще выйдет. А вот завести самодельную индукционную тигельную печку в домашней мастерской не помешает: станут доступными тонкие способы плавки и термообработки металлов. Нужно только помнить о ППЭ с СВЧ и строго соблюдать правила конструирования, изготовления и эксплуатации.
Индукционная печь уже давно не новинка – это изобретение существует еще с 19-го века, однако лишь в наше время, с развитием технологий и элементной базы, оно наконец-то начинает повсеместно входить в быт. Раньше в тонкостях работы индукторных печей было множество вопросов, не все физические процессы были до конца понятны, а сами агрегаты имели массу недостатков и использовались только в промышленности, в основном для плавки металлов.
Теперь же, с появлением мощных высокочастотных транзисторов и дешевых микроконтроллеров, совершивших прорыв во всех сферах науки и техники, появились и по-настоящему эффективные индукционные печи, которые можно свободно использовать для бытовых нужд (готовка еды, подогрев воды, отопление) и даже собрать своими руками.
Физические основы и принцип действия печи
Рис.1. Схема индукционной печи
Прежде чем выбрать или изготовить индукторный нагреватель, следует разобраться, что это такое. В последнее время наблюдается вспышка интереса к данной теме, но мало кто имеет полноценное представление о физике магнитных волн. Это породило множество заблуждений, мифов и массу неработоспособных либо небезопасных самоделок. Сделать индукторную печь своими руками можно, но перед этим стоит получить хотя бы элементарные знания.
Индукционная печка по принципу работы основана на явлении электромагнитной индукции. Ключевой элемент здесь – это индуктор, представляющий собой высокодобротную катушку индуктивности. Индукционные печи широко применяются для нагрева или плавления электропроводящих материалов, чаще всего металлов, за счет термического эффекта от наведения в них вихревого электрического тока. Представленная выше схема иллюстрирует устройство этой печи (рис. 1).
Генератором G вырабатывается напряжение переменной частоты. Под действием его электродвижущей силы в катушке индуктора L протекает переменный ток I 1 . Индуктор L совместно с конденсатором C представляет собой колебательный контур, настроенный в резонанс с частотой источника G, благодаря чему эффективность работы печи существенно возрастает.
В соответствии с физическими законами в пространстве вокруг индуктора L возникает переменное магнитное поле H. Это поле может существовать и в воздушной среде, но для улучшения характеристик иногда применяют специальные ферромагнитные сердечники, имеющие лучшую магнитную проводимость в сравнении с воздухом.
Силовые линии магнитного поля проходят сквозь объект W, помещенный внутрь индуктора, и наводят в нем магнитный поток Ф. Если материал, из которого сделана заготовка W, является электропроводным, в ней возникает наведенный ток I 2 , замыкающийся внутри и формирующий вихревые индукционные потоки. В соответствии с законом теплового воздействия электричества вихревые токи разогревают объект W.
Изготовление индуктивного нагревателя
Индукционная печь состоит из двух основных функциональных блоков: индуктора (нагревающая индукционная катушка) и генератора (источника переменного напряжения). Индуктор представляет собой оголенную медную трубку, свернутую в спираль (рис. 2).
Для изготовления своими руками печи мощностью не более 3 кВт индуктор должен быть сделан со следующими параметрами:
- диаметр трубки – 10 мм;
- диаметр спирали – 8-15 см;
- количество витков катушки – 8-10;
- расстояние межу витками – 5-7 мм;
- минимальный просвет в экране – 5 см.
Нельзя допускать соприкосновения соседних витков катушки, соблюдайте указанное расстояние. Индуктор никаким образом не должен соприкасаться с защитным экраном печи, зазор между ними должен быть не меньше указанного.
Изготовление генератора
Рис.3. Схема на лампах
Стоит отметить, что индукционная печь для своего изготовления требует хотя бы средних радиотехнических навыков и умений. Особенно важно обладать ими для создания второго ключевого элемента – высокочастотного генератора тока. Ни собрать, ни воспользоваться сделанной своими руками печью не получится без этих знаний. Более того, это может быть опасно для жизни.
Для тех же, кто берется за это дело со знанием и пониманием процесса, существуют различные способы и схемы, по которым может быть собрана индукционная печь. Выбирая подходящую схему генератора, рекомендуется отказываться от вариантов с жестким спектром излучения. К ним относится широко распространенная схема с использованием тиристорного ключа. Высокочастотное излучение от такого генератора способно создать мощнейшие помехи для всех окружающих радиоприборов.
Еще с середины 20 века среди радиолюбителей большим успехом пользовалась индукционная печь, собранная на 4-х лампах. Ее качество и КПД далеко не самые лучшие, а радиолампы в наше время труднодоступны, тем не менее многие продолжают собирать генераторы именно по этой схеме, так как у нее есть большое преимущество: мягкий, узкополосный спектр генерируемого тока, благодаря которому такая печь излучает минимум помех и максимально безопасна (рис. 3).
Настройка режима работы этого генератора производится при помощи переменного конденсатора C. Конденсатор обязательно должен быть с воздушным диэлектриком, зазор между его пластинами должен составлять не менее 3 мм. На схеме также присутствует неоновая лампа Л, служащая индикатором.
Схема универсального генератора
Современные индукционные печи работают на более совершенных элементах – микросхемах и транзисторах. Большим успехом пользуется универсальная схема двухтактного генератора, развивающая мощность до 1 кВт. Принцип работы основан на генераторе независимого возбуждения, при этом индуктор включен в режиме моста (рис. 4).
Достоинства двухтактного генератора, собранного по такой схеме:
- Возможность работать на 2-й и 3-й моде помимо основной.
- Присутствует режим поверхностного нагрева.
- Диапазон регулирования 10-10000 кГц.
- Мягкий спектр излучения во всем диапазоне.
- Не нуждается в дополнительной защите.
Перестройка частоты осуществляется с помощью переменного резистора R 2 . Рабочий диапазон частот задается конденсаторами C 1 и C 2 . Межкаскадный согласующий трансформатор должен быть с кольцевым ферритовым сердечником сечением не менее 2 кв.см. Намотка трансформатора делается из эмалированного провода сечением 0,8-1,2 мм. Транзисторы нужно усадить на общий радиатор площадью от 400 кв.см.
Заключение по теме
Излучаемое индукторной печкой электромагнитное поле (ЭМП) оказывает воздействие на все проводники вокруг. В том числе происходит влияние на организм человека. Внутренние органы под действием ЭМП равномерно прогреваются, повышается общая температура тела во всем объеме.
Поэтому при работе с печью важно соблюдать определенные меры предосторожности во избежание негативных последствий.
Прежде всего, корпус генератора должен быть экранирован при помощи кожуха из листов оцинкованного железа или сетки с мелкими ячейками. Это снизит интенсивность облучения в 30-50 раз.
Также следует иметь в виду, что в непосредственной близости от индуктора плотность энергетического потока будет выше, особенно вдоль оси намотки. Поэтому индукционная катушка должна быть расположена вертикально, а за нагревом лучше наблюдать издалека.
Загрузка...
