Индукционный нагреватель: принцип работы, применение, схемы генерирования ТВЧ, как сделать своими руками


Полезное про электронику: Индукционный нагреватель для плавки и закалки металла своими руками, от Maestro – читайте и комментируйте на Радиосхемах

Шаг 1: Компоненты

Основные компоненты высокочастотного индукционного нагревателя для нагрева металла электричеством — инвертор, драйвер, соединительный трансформатор и колебательный контур RLC. Вы увидите схему чуть позже. Начнем с инвертора. Это — электрическое устройство, которое изменяет постоянный ток на переменный. Для мощного модуля он должен работать стабильно. Сверху находится защита, которая используется, чтобы защитить привод логического элемента МОП-транзистора от любого случайного перепада напряжения. Случайные перепады вызывают шум, который приводит к переключению на высокие частоты. Это приводит к перегреву и отказу МОП-транзистора.

Линии с большой силой тока находятся внизу печатной платы. Много слоев меди используются, чтобы позволить им пропускать более 50А тока. Нам не нужен перегрев. Также обратите внимание на большие алюминиевые радиаторы с водяным охлаждением с обеих сторон. Это необходимо, чтобы рассеивать тепло, вырабатываемое МОП-транзисторами.

Изначально я использовал вентиляторы, но чтобы справиться с этой мощностью, я установил небольшие водяные насосы, благодаря которым вода циркулирует через алюминиевые теплоотводы. Пока вода чистая, трубки не проводят ток. У меня также установлены тонкие слюдяные пластины под МОП-транзисторами, чтобы гарантировать отсутствие проводимости через стоки.

Принцип функционирования прибора

Индукционная плита не сможет функционировать без трех основных элементов, к которым относятся:

  • Индуктор.
  • Генератор.
  • Нагревательная часть.

Из школьного курса физики мы знаем о том, что индуктор – это обычная катушка, произведенная из многих витков простой медной проволоки. С помощью индуктора происходит формирование магнитного поля.

Следующее необходимое для качественной работы прибора устройство – генератор переменного тока. Несложно догадаться о том, что с помощью генератора получают ток со стандартной характеристикой частоты в 50ГЦ.

Нагревательным элементом называется практически любая металлическая поверхность, способная поглощать тепловые излучения, полученные при формировании магнитного поля.

Имея все три вышеприведенных предмета несложно индукционную печь своими руками, способную без особых проблем справляться с задачами по подогреву жидкого теплоносителя. Таким образом, индукционные нагреватель может стать инструментом обогрева жилого здания или коттеджной постройки.

Схема функционирования прибора крайне проста: ток, полученный от генератора, подается на катушку, вследствие чего образуется магнитное излучение, нагревающее какой-либо металлический предмет.

Принцип работы

Сам принцип работы индукционного нагревателя не такой сложный, как казалось бы. В качестве примера можно рассмотреть нагреватели вихревого типа. Они широко применяются в отопительных котлах, большая часть населения с ними знакома. Из названия понятно, что энергия рождается из магнитного поля, которая передается теплоносителю.

Вода, которая поступает в устройство, нагревается за счет подаваемой энергии, после чего поступает в систему отопления. Для создания давления, используется обыкновенный насос.

Таким образом вода циркулирует внутри системы, защищая ее от перегрева. В это же время теплоноситель постоянно вибрирует, что защищает от появления накипи. Фактически, это вся рабочая схема данного агрегата.

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.

Виды нагревателей

Нагреватели широко распространены на территории нашей страны, а конкретный масштаб устройств варьируется от потребителя к потребителю. Понятно, что самостоятельно собрать высокотехнологичный индукционный нагреватель вряд ли получится, поэтому в статье предлагаются альтернативные варианты.

Своими руками изготавливаются такие приборы, как:

  • Печки для расплавления металла.
  • Электрические плитки, использующиеся для приготовления еды.
  • Устройства для подогрева теплоносителя отопительной системы.

Обратите внимание на то, что изготовление индукционных нагревателей должно производиться строго в соответствии со всеми нормами и правилами, установленными государственными регламентами, касающимися безопасности жизнедеятельности.

Перед началом работы над прибором следует ознакомиться с Гостами и прочими документами, а также пролистать ПУЭ. Помните, что устройство, за контейнер которого выходит напряжение, является не безопасным и запрещенным к эксплуатации.

Самодельный

Очевидно, что самодельный простейший индукционный нагреватель будет весить мало, однако будет иметь относительно хороший КПД, при компактных размерах.

В качестве сердечника будет использоваться труба с обмоткой. Также понадобится вторая, аналогичная труба. Ее функция будет заключаться в нагревании.

Шаг 2: Схема инвертора

Это схема для инвертора. Схема на самом деле не такая сложная. Инвертированный и неинвертированный драйвер повышает или понижает напряжение 15В, чтобы настроить переменный сигнал в трансформаторе (GDT). Этот трансформатор изолирует чипы от мосфетов. Диод на выходе мосфета действует для ограничения пиков, а резистор минимизирует колебания.

Конденсатор C1 поглощает любые проявления постоянного тока. В идеале, вам нужны самые быстрые перепады напряжения на цепи, так как они уменьшают нагрев. Резистор замедляет их, что кажется нелогичным. Однако если сигнал не угасает, вы получаете перегрузки и колебания, которые разрушают мосфеты. Больше информации можно получить из схемы демпфера.

Диоды D3 и D4 помогают защитить МОП-транзисторы от обратных токов. C1 и C2 обеспечивают незамкнутые линии для проходящего тока во время переключения. T2 — это трансформатор тока, благодаря которому драйвер, о котором мы поговорим далее, получает обратный сигнал от тока на выходе.

Преимущества и недостатки прибора

“Плюсов” у вихревого индукционного нагревателя великое множество. Это простая для самостоятельного изготовления схема, повышенная надежность, высокий КПД, относительно низкие затраты на электроэнергию, длительный срок эксплуатации, малая вероятность возникновения поломок и т.п.

Производительность прибора может быть значительной, агрегаты этого типа успешно используются в металлургической промышленности. По скорости нагрева теплоносителя устройства этого типа уверенно соперничают с традиционными электрическими котлами, температура воды в системе быстро достигает необходимого уровня.

Во время функционирования индукционного котла нагреватель слегка вибрирует. Эта вибрация стряхивает со стенок металлической трубы известковый осадок и другие возможные загрязнения, поэтому в очистке такой прибор нуждается крайне редко. Конечно, отопительную систему следует защитить от этих загрязнений с помощью механического фильтра.

Схема индукционного нагревателя

Индукционная катушка нагревает металл (трубу или куски проволоки), помещенные внутри нее, с помощью высокочастотных вихревых токов, контакт не обязателен

Постоянный контакт с водой сводит к минимуму и вероятность перегорания нагревателя, что является довольно частой проблемой для традиционных котлов с ТЭНами. Несмотря на вибрацию, котел работает исключительно тихо, дополнительная шумоизоляция в месте установки прибора не понадобится.

Еще индукционные котлы хороши тем, что они практически никогда не протекают, если только монтаж системы выполнен правильно. Это очень ценное качество для электрического отопления, так как исключает или значительно сокращает вероятность возникновения опасных ситуаций.

Отсутствие протечек обусловлено бесконтактным способом передачи тепловой энергии нагревателю. Теплоноситель с помощью описанной выше технологии можно разогреть чуть ли не до парообразного состояния.

Это обеспечивает достаточную тепловую конвекцию, чтобы стимулировать эффективное перемещение теплоносителя по трубам. В большинстве случаев отопительную систему не придется оборудовать циркуляционным насосом, хотя все зависит от особенностей и схемы конкретной системы отопления.

Иногда циркуляционный насос необходим. Установить прибор относительно несложно. Хотя для этого понадобятся некоторые навыки монтажа электроприборов и отопительных труб. Но есть у этого удобного и надежного прибора ряд недостатков, с которыми также следует считаться.

Например, котел греет не только теплоноситель, но и все окружающее его рабочее пространство. Нужно выделить для такого агрегата отдельное помещение и удалить из него все посторонние предметы. Для человека длительное пребывание в непосредственной близости от работающего котла также может быть небезопасным.

Энергозависимость индукционных приборов

Для работы индукционным нагревателям необходим электроток. Как самоделки, так и оборудование заводского изготовления подключают к бытовой сети переменного тока

Для работы прибора необходима электроэнергия. В местностях, где свободный доступ к этому благу цивилизации отсутствует, индукционный котел будет бесполезен. Да и там, где наблюдаются частые перебои с электричеством, он продемонстрирует невысокую эффективность. При неосторожном обращении с прибором может произойти взрыв.

Если перегреть теплоноситель, он превратится в пар. В результате давление в системе резко возрастет, чего трубы просто не выдержат, их разорвет. Поэтому для нормальной работы системы прибор следует снабдить как минимум манометром, а еще лучше — устройством аварийного отключения, терморегулятором и т.п.

Все это может заметно повысить стоимость самодельного индукционного котла. Хотя прибор и считается практически бесшумным, это не всегда так. Некоторые модели в силу разных причин могут все же издавать некоторые шумы. Для устройства, выполненного самостоятельно, вероятность такого исхода возрастает.

Долгосрочность службы индукционных нагревателей

В конструкции как заводских, так и самодельных индукционных нагревателей практически нет изнашивающихся компонентов. Они долго служат и безупречно работают

Что понадобится

В работе предстоит использовать достаточно большое количество инструментов, которые, впрочем, с легкостью найдутся у каждого мастера. Возможно, некоторые специфичные наименования придется докупать в специализированных строительных и электротехнических магазинах.

  • Паяльная станция.
  • Припой.
  • Текстолит.
  • Дрель небольшого размера.
  • Радиодетали.
  • Термопаста.
  • Химикаты для создания платы из текстолита.

Как уже говорилось ранее, все предметы из вышеприведенного списка без особых проблем приобретаются в специализированных супермаркетах.

Промышленная сфера

Применяется для плавки металлов, получения некоторых видов сплавов, которые затем используется в широком перечне работ. За счет создания сплавов осуществляется производство металлической проволоки.

Различные модификации индукционного нагревателя используются для автосервиса, с целью термической обработки запасных автомобильных частей. Фактически с той же целью технология применяется в медицине, термической обработке подвергаются медицинские аппараты, мебель и оборудование.

Что понадобится

Для создания нагревателя металла своими руками, помимо рабочих инструментов также следует озаботиться подготовкой целого ряда вещей, приобрести которые следует отдельно:

Восьмисот миллиметровый отрезок медной трубы, с диаметром в 8-10 мм. С помощью медной проволоки в дальнейшем изготавливается индукционная катушка, излучающая магнитное поле, которое, впоследствии, нагревает металлическую емкость.

Высокомощные силовые транзисторы, приобретение которых станет основной тратой для всех желающих собрать индукционную плиту. Обратите внимание на то, что схема создания частотного генератора предусматривает наличие сразу двух силовых транзисторов.

В качестве основного материала, предназначенного для создания колебательного контура, используется обыкновенный керамический конденсатор с характеристиками 0,1мФ и 1600В.

Обратите внимание на то, что для создания потока высокой мощности понадобится использовать 7 керамических конденсаторов с аналогичными характеристиками.

Также следует озаботиться созданием теплоотводов, собрать которые можно из радиаторов, изготовленных из алюминиевых сплавов. Дело в том, что при включении индукционной плиты обычные полевые транзисторы попросту не выдержат высокой температуры и сломаются. Монтаж транзисторов также следует производить с задействованием термопасты, для того, чтобы КПД подобного охлаждения был максимальным.

Диоды, применяемые в качестве рабочих элементов, согласно схеме, должны обладать высокой скоростью срабатывания. Индукционная печь своими руками, схема изготовления которой расположена в руководстве, является требовательным устройством на высокоскоростных диодах.

Резисторы: пара штук на 10кОм и 0,25Вт, и еще пара 440Ом и 2Вт. Также следует приобрести стабилитроны с характеристикой рабочего напряжения в 2Вт.

В качестве основного элемента питания используется стандартный блок на 500 ватт. Характеристика рабочего напряжения блока питания должна колебаться в промежутке от двенадцати до сорока ватт.

Обратите внимание на то, что изначальная подпитка устройства проводится с использованием автомобильного аккумулятора. Однако таким образом достигнуть лучшего показателя мощности попросту не выйдет.

Используя все вышеприведенные материалы инструменты можно с легкостью собрать индуктор своими руками, схема которого рассматривается в статье.

Пошаговое руководство по изготовлению нагревателя

Вся работа по изготовлению индукционного нагревателя подразделяется на несколько этапов, на протяжении каждого из которых выполняется обработка одной из основных деталей.

Далее мы подробно расскажем о том, как собрать индукционный нагреватель для автосервиса своими руками, используя все вышеприведенные наборы.

Как сделать своими руками

Рассмотрим второй способ изготовления мощного индукционного нагревателя своими руками. В отличие от первого способа, составляющих будет гораздо меньше, однако его мощность будет выше, за счет использования несколько иных компонентов и типа подключения.

Нам понадобится:

1. Инвертор сварочный;
2. Генерирующий сварочный ток (от 15 А);
3. Медная проволока.

В качестве сердечника рекомендуется использовать полимерные материалы. Это обусловлено тем, что они способны выдерживать довольно высокие температуры при нагревании. В нашем случае будет полимерная труба с диаметром 50 мм.

На сердечник необходимо намотать проволоку, соединить ее с инверторными клеммами таким образом, чтобы не было перекручивания.

Шаг 7: Делаем рабочую катушку

Один из вопросов, который мне часто задавали: «Как ты делаешь такую изогнутую катушку?» Ответ — песок. Песок будет препятствовать разрушению трубки во время процесса изгиба.

Возьмите медную трубку от холодильника 9мм и заполните ее чистым песком. Перед тем, как сделать это, закройте один конец какой-нибудь лентой, а также закройте другой после заполнения песком. Вкопайте трубу соответствующего диаметра в землю. Отмерьте длину трубки для вашей катушки и начните медленно наматывать её на трубу. Как только вы сделаете один виток, остальные будет сделать несложно. Продолжайте наматывать трубку, пока не получите количество желаемых витков (обычно 4-6). Второй конец нужно выровнять с первым. Это упростит подключение к конденсатору.

Теперь снимите колпачки и возьмите воздушный компрессор, чтобы выдуть песок. Желательно делать это на улице.

Обратите внимание, что медная трубка также служит для водного охлаждения. Эта вода циркулирует через емкостный конденсатор и через рабочую катушку. Рабочая катушка генерирует много тепла от тока. Даже если вы используете керамическую изоляцию внутри катушки (чтобы удерживать тепло), вы по-прежнему будете иметь чрезвычайно высокие температуры в рабочем пространстве, нагревающие катушку. Я начну работу с большим ведром ледяной воды и через некоторое время она станет горячей. Советую заготовить очень много льда.

Второй

Относительно первого варианта, этот намного проще, но требует дополнительных затрат. В качестве основы берется длинная труба. Примерно на метр с ее поверхности необходимо снять краску. Когда краска будет снята, очищенный участок нужно покрыть тканью электротехнической в 3-4 слоя. Следом, поверх ткани, наматывается проволока из меди, образуя катушку.

Собранный прибор изолируется, остается только подключить его к инвертору.


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.