Как изготовить индукционный нагреватель своими руками. Индукционная печь для плавки металла своими руками Индукционная катушка для нагрева металла

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

Описание метода.

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

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

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

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

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

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

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

Преимущества.

Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.

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

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

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

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

Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора.

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

Легко провести местный и избирательный нагрев.

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

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

Установки индукционного нагрева:

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

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

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

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

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

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

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

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

Недостатки трёх точки:

Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).

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

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

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

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

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

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

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

Замечания.

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

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

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

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

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

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

Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений.

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

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

И устройствах тепло в нагреваемом приборе выделяется токами, возникающими в переменном электромагнитном поле внутри агрегата. Называются они индукционными. В результате их действия происходит повышение температуры. Индукционный нагрев металлов основывается на двух главных физических законах:

Фарадея-Максвелла;
Джоуля-Ленца.

В металлических телах при их помещении в переменное поле начинают возникать вихревые электрические поля.

Устройство индукционного нагрева

Все происходит следующим образом. Под действием переменного изменяется электродвижущая сила (ЭДС) индукции.

ЭДС действует так, что внутри тел протекают вихревые токи, которые и выделяют теплоту в полном соответствии с законом Джоуля-Ленца. Также ЭДС генерирует переменный ток в металле. При этом происходит выделение тепловой энергии, что и приводит к повышению температуры металла.

Этот вид нагрева самый простой, так как является бесконтактным. Он позволяет достигать очень высоких температур, при которых можно обрабатывать

Чтобы обеспечить индукционный нагрев, требуется создать в электромагнитных полях определенное напряжение и частоту. Сделать это можно в специальном приборе - индукторе. Питание его производится от промышленной сети в 50 Гц. Можно для этого использовать индивидуальные источники питания - преобразователи и генераторы.

Самое простое устройство индуктора небольшой частоты - спираль (проводник изолированный), который может быть помещен внутрь металлической трубы или намотан на нее. Проходящие токи нагревают трубу, которая, в свою очередь, передает тепло в окружающую среду.

Применение индукционного нагрева на малых частотах - достаточно редко. Более распространена обработка металлов на средней и высокой частоте.

Такие устройства отличаются тем, что магнитная волна попадает на поверхность, где происходит ее затухание. Тело преобразует энергию этой волны в тепло. Для достижения максимального эффекта обе составляющие должны быть близки по форме.

Где используются

Применение индукционного нагрева в современном мире широко распространено. Область использования:

плавка металлов, их пайка бесконтактным способом;
получение новые сплавов металлов;
машиностроение;
ювелирное дело;
изготовление небольших деталей, которые могут быть повреждены при применении других методов;
(причем детали могут быть самой сложной конфигурации);
термообработка (обработка деталей для машин, закаленных поверхностей);
медицина (дезинфекция приборов и инструментов).

Индукционный нагрев: положительные характеристики

У такого способа немало преимуществ:

С его помощью можно быстро нагреть и расплавить любой проводящий ток материал.
Позволяет производить нагрев в любой среде: в вакууме, атмосфере, жидкости, не проводящей ток.
За счет того что нагревается только проводящий материал, стенки, слабо поглощающие волны, остаются холодными.
В специализированных областях металлургии получение сверхчистых сплавов. Это занимательный процесс, ведь металлы перемешиваются в в оболочке из защитного газа.

В сравнении с другими типами, индукционный не загрязняет окружающую среду. Если в случае с газовыми горелками загрязнение присутствует, так же как и в дуговом нагреве, то индукционный это исключает, за счет "чистого" электромагнитного излучения.
Малые размеры прибора индуктора.
Возможность изготовления индуктора любой формы, это не приведет к локальному нагреву, а будет способствовать равномерному распределению тепла.
Незаменим, если необходимо нагреть только определенный участок поверхности.
Не составляет большого труда настроить такое оборудование на нужный режим и регулировать его.

Недостатки

Система имеет такие минусы:

Самостоятельно установить и наладить тип нагрева (индукционный) и его оборудование довольно непросто. Лучше обратиться к специалистам.
Необходимость точно сопоставить индуктор и заготовку, иначе недостаточным будет индукционный нагрев, мощность его может достигать малых величин.

Отопление индукционным оборудованием

Для обустройства индивидуального отопления можно рассмотреть такой вариант, как индукционный нагрев.

В качестве агрегата пойдет трансформатор, состоящий из обмоток двух видов: первичной и вторичной (которая, в свою очередь, коротко замкнута).

Как работает

Принцип работы обычного индуктора: вихревые потоки проходят внутри и направляют электрическое поле на второй корпус.

Чтобы через такой котел проходила вода, к нему подводят два патрубка: для холодной, что поступает, и на выходе теплой воды - второй патрубок. За счет давления вода постоянно циркулирует, что исключает возможность нагрева элемента индуктора. Наличие накипи здесь исключено, так как в индукторе происходят постоянные вибрации.

Такой элемент в обслуживании будет недорогим. Главный плюс в том, что прибор работает бесшумно. Устанавливать его можно в любом помещении.

Изготовление оборудования самостоятельно

Установка индукционного нагрева большой сложности не составит. Даже тот, кто не имеет опыта, после тщательного изучения справится с поставленной задачей. Перед началом работы нужно запастись следующими необходимыми элементами:

Инвертор. Его можно использовать от сварочного аппарата, он недорогой и будет необходимой высокой частоты. Изготовить его можно самостоятельно. Но это затратное занятие по времени.
Корпус нагревателя (для этого подойдет кусок пластиковой трубы, индукционный нагрев трубы в этом случае будет самым эффективным).
Материал (сгодится проволока диаметром не более семи миллиметров).
Приспособления для подключения индуктора к сети отопления.
Сетка для удержания проволоки внутри индуктора.
Индукционною катушку можно создать из (она должна быть эмалированной).
Насос (для того, чтобы вода подавалась в индуктор).

Правила изготовления оборудования самостоятельно

Для того чтобы установка индукционного нагрева работала правильно, ток для такого изделия должен соответствовать мощности (составлять он должен не меньше 15 ампер, если требуется, то можно больше).

Проволока должна быть нарезана на куски не более пяти сантиметров. Это нужно для эффективного нагрева в высокочастотном поле.
Корпус должен быть по диаметру не меньше, чем подготовленная проволока, и обладать толстыми стенками.
Для крепления к сети отопления на одну сторону конструкции крепится специальный переходник.
На дно трубы нужно положить сетку для предотвращения выпадения проволоки.
Последняя нужна в таком количестве, чтобы она заполнила все внутреннее пространство.
Конструкция закрывается, ставится переходник.
Затем сооружают из этой трубы катушку. Для этого обматывают ее уже заготовленной проволокой. Число витков нужно соблюсти: минимум 80, максимум 90.
После подключения к системе отопления в аппарат заливают воду. Катушку подключают к заготовленному инвертору.
Устанавливается насос для подачи воды.
Монтируется регулятор температуры.

Таким образом, расчет индукционного нагрева будет зависеть от следующих параметров: длина, диаметр, температура и время обработки. Обращайте внимание и на индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше показателей самого индуктора.

Про варочные поверхности

Еще одно применение в домашнем обиходе, кроме системы отопления, данный вид нагрева нашел в варочных панелях плит.

Такая поверхность имеет вид обычного трансформатора. Катушка его спрятана под поверхность панели, которая может быть стеклянной или керамической. По ней проходит ток. Это первая часть катушки. А вот второй является та посуда, в которой будет проходить приготовление пищи. На дне посуды создаются вихревые токи. Они и нагревают сначала посуду, а затем продукты в ней.

Тепло будет выделяться только тогда, когда на поверхность панели поставят посуду.

Если она отсутствует, никакого действия не происходит. Индукционная зона нагрева будет соответствовать диаметру поставленной на нее посуды.

Для таких плит нужна специальная посуда. Большинство ферромагнитных металлов могут взамодействовать с индукционным полем: алюминий, нержавеющая и эмалированная сталь, чугун. Не подходят для таких поверхностей только: медная, керамическая, стеклянная и изготовленная из неферромагнитных металлов посуда.

Естественно, что включится только тогда, когда подходящая посуда будет на ней установлена.

Современные плиты снабжены электронным блоком управления, что позволяет распознавать пустую и непригодную для применения посуду. Основными преимуществами варочных являются: безопасность, легкость уборки, быстрота, эффективность, экономичность. Об поверхность панели никогда нельзя обжечься.

Итак, мы выяснили, где используется данный тип нагрева (индукционный).

Идея нагревать металл вихревыми токами Фуко, возбуждаемыми электромагнитным полем катушки, отнюдь не нова. Она давно и успешно эксплуатируется в промышленных плавильных печах, кузнечных мастерских, бытовых нагревательных приборах – плитах и электрокотлах. Последние довольно дороги, так что домашние умельцы не оставляют попыток сделать индукционный нагреватель воды своими руками. Наша задача – рассмотреть работоспособные варианты самодельных устройств и разобраться, можно ли применять их для отопления дома.

О принципе индуктивного нагрева

Для начала разъясним, как функционируют электрические индукционные нагреватели. Переменный ток, проходя по виткам катушки, образует вокруг нее электромагнитное поле. Если поместить внутрь обмотки сердечник из магнитящегося металла, то он станет нагреваться вихревыми токами, возникающими под воздействием поля. Вот и весь принцип.

Важное условие. Чтобы металлический сердечник нагревался, катушка должна питаться переменным током, меняющим знак и вектор поля с высокой частотой. При подаче на обмотку постоянного тока вы получите обыкновенный электромагнит.

Сам нагревательный элемент носит название индуктора и является главной частью установки. В отопительных котлах он представляет собой стальную трубу с протекающим внутри теплоносителем, а в кухонных плитах – плоскую катушку, максимально приближенную к варочной панели, как изображено далее на фото.

Катушка-индуктор нагревает железную трубу, которая передает тепло протекающей воде

Вторая часть индукционного нагревателя - схема, повышающая частоту тока. Дело в том, что напряжение с промышленной частотой 50 Гц малопригодно для работы подобных устройств. Если присоединить индуктор к сети напрямую, то он начнет сильно гудеть и слабо прогревать сердечник, причем вместе с обмотками. Чтобы эффективно преобразовывать электричество в теплоту и полностью передавать ее металлу, частоту нужно повысить минимум до 10 кГц, чем и занимается электросхема.

В чем заключаются реальные преимущества индукционных котлов перед ТЭНовыми и электродными:

Деталь, нагревающая воду, - это простой кусок трубы, не участвующий в электрохимических процессах (как в электродных теплогенераторах). Поэтому срок службы индуктора ограничивается только работоспособностью катушки и может достигать 10-20 лет.
По той же причине элемент одинаково хорошо «дружит» со всеми видами теплоносителей – водой, антифризом и даже машинным маслом, разницы нет.
Внутренности индуктора не покрываются накипью в процессе эксплуатации.

Здесь сердечником служит посуда из магнитного металла

Варианты самодельных устройств

На просторах интернета размещено достаточное количество разнообразных конструкций, создаваемых для различных целей. Взять индукционный малогабаритный нагреватель, сделанный из компьютерного блока питания 250-500 Вт. Модель, показанная на фото, пригодится мастеру в гараже или автосервисе для плавки стержней из алюминия, меди и латуни.

Но для отопления помещений конструкция не подойдет по причине малой мощности. В интернете есть два реальных варианта, чьи испытания и работа засняты на видео:

водонагреватель из полипропиленовой трубы с питанием от сварочного инвертора либо индукционной кухонной панели;
стальной котел с нагревом от той же варочной панели.

Справка. Существуют и другие, полностью самодельные конструкции, где преобразователи частоты умельцы собирают с нуля. Но для этого нужны знания и навыки в области радиотехники, поэтому рассматривать их мы не будем, а просто приведем пример такой схемы.

Теперь давайте подробнее разберем, как делаются индукционные нагреватели своими руками, а главное, - как они потом функционируют.

Изготавливаем нагревательный элемент из трубы

Если вы плотно занимались поиском информации по данной теме, то наверняка столкнулись с этой конструкцией, поскольку мастер выложил ее сборку на популярном видеоресурсе YouTube. После чего многие сайты разместили текстовые версии изготовления этого индуктора в виде пошаговых инструкций. Вкратце нагреватель делается так:

Важный нюанс. Длину и сечение провода для намотки катушки следует определять по штатному индуктору печки, чтобы она соответствовала мощности полевых транзисторов в электросхеме. Если взять больше провода, то упадет мощность нагрева, меньше – перегреются и выйдут из строя транзисторы. Как это выглядит визуально, смотрите на видео:

Как нетрудно догадаться, роль нагревательного элемента здесь играют металлические ершики, находящиеся в переменном магнитном поле катушки. Если запустить варочную панель на максимум, одновременно пропуская через импровизированный котел проточную воду, то ее удастся нагреть на 15-20 °С, что и показали испытания агрегата.

Поскольку мощность большинства индукционных плит лежит в пределах 2-2.5 кВт, то с помощью теплогенератора можно обогреть помещения общей площадью не более 25 м². Есть способ увеличить нагрев, подключив индуктор к сварочному аппарату, но здесь есть свои сложности:

Инвертор выдает постоянный ток, а нужен переменный. Для подсоединения индукционного нагревателя аппарат придется разобрать и найти на схеме точки, где напряжение еще не выпрямлено.
Нужно взять провод большего сечения и подобрать число витков путем расчета. Как вариант, медную проволоку Ø1.5 мм в эмалевой изоляции.
Понадобится организовать охлаждение элемента.

Проверку работоспособности индуктивного водонагревателя автор демонстрирует в своем видео, представленном ниже. Испытания показали, что агрегат требует доработки, но конечный результат, к сожалению, неизвестен. Похоже, что умелец оставил проект незавершенным.

Как собрать индукционный котел

В этом случае дешевую китайскую плиту разбирать не нужно. Суть в том, чтобы сварить по ее размерам котловой бак, руководствуясь пошаговой инструкцией:

Возьмите стальную профильную трубу 20 х 40 мм с толщиной стенки 2 мм и нарежьте из нее заготовок по ширине панели.
Сварите трубки между собой по длине, стыкуя меньшими сторонами.
Сверху и снизу к торцам герметично приварите железные крышки. Сделайте в них отверстия и поставьте патрубки с резьбами.
К одной из сторон прикрепите сваркой 2 уголка, чтобы они образовали полку для индукционной печки.
Покрасьте агрегат термостойкой эмалью из баллончика. Подробнее процесс сборки показан в видеоролике.

Окончательная сборка и запуск заключается в монтаже котла на стену и его врезке в систему отопления. Варочная панель вставляется в гнездо из уголков на задней стенке бака и подключается к электросети. Остается и включить нагрев индуктора.

Здесь вас подстерегает та же проблема, что встречалась с предыдущей моделью. Несомненно, индукционный нагрев будет работать, но его мощности 2.5 кВт хватит для обогрева парочки небольших комнат при морозе на улице. Осенью и весной, когда температура не опустилась ниже нуля, самодельный котел сможет отопить площадь 35-40 м². Как его правильно подключить к системе, смотрите в очередном видеосюжете:

Мы намеренно представили варианты индукционных водонагревателей несложной конструкции, чтобы каждый желающий мог сделать подобный агрегат своими силами. Но остался вопрос, нужно ли заниматься этим делом и тратить собственное время. На этот счет есть ряд объективных соображений:

Пользователи, не разбирающиеся в электрике и радиотехнике, вряд ли смогут добиться увеличения мощности нагрева свыше 2.5 кВт. Для этого придется собрать схему преобразователя частоты.
КПД индуктора ничуть не выше, чем у других электрических котлов. Но собрать нагреватель с ТЭНами гораздо проще.
Если у вас не завалялась дома индукционная панель, то потребуется ее купить примерно за 80 у. е. Столько стоят дешевые китайские изделия в интернет-магазинах. За те же деньги продаются готовые электродные котлы мощностью до 10 кВт.
Электроплиты оснащаются автоматикой безопасности, отключающих бытовой прибор спустя 1 или 2 часа работы. Это доставляет неудобство при эксплуатации.
Если в силу разных причин теплоноситель вытечет из самодельного теплогенератора, то нагрев не прекратится. Это чревато пожаром.

Конечно, вы можете обойтись без дорогих покупок, досконально разобраться в конструкции и смастерить индукционный нагреватель с нуля. Но выполнить все бесплатно не получится, ведь потребуется приобрести комплектующие для схемы. Заметьте, что бонусы от подобного отопительного агрегата невелики, так что всерьез браться за его изготовление с целью обогрева частного дома нецелесообразно.

Объяснить популярность индукционного нагревателя IR2153 можно тем, что человек все время находится в поисках – бесконечный поиск человеком источников тепла для обогрева своего жилья, которые будут: экономичными, экологичными и функциональными. Многие даже осмелились и не зря сделать индукционный нагреватель своими руками с целью присоединения его к отопительной системе жилища. В статье будет подробно рассказано, как это сделать индуктор обогреватель, чтобы затратить минимум денежных средств и времени.

Схема индукционного нагревателя

Из-за того, что М. Фарадей в далеком 1831 году открыл явление электромагнитной индукции, мир увидел большое количество приспособлений, которые греют воду и прочие среды.

Потому как было реализовано данное открытие люди ежедневно используют в быту :

Электрочайник с дисковым нагревателем для нагрева воды;
Печь мультиварка;
Индукционная варочная панель;
Микроволновки (плита);
Калорифер;
Нагревательная колонка.

Также открытие применяется для экструдера (не механический). Раньше оно широко применялось в металлургии и прочих отраслях промышленности, связанной с обработкой металла. Заводской индуктивный котел функционирует по принципу действия вихревых токов на специальный сердечник, расположенный во внутренне части катушки. Вихревые токи Фуко поверхностные, поэтому лучше брать в качестве сердечника полую трубу из металла, сквозь которую проходит элемент теплоносителя.

Возникновение электротоков происходит из-за подачи на обмотку переменного электронапряжения, вызывающего появление переменного электрического магнитного поля, которое меняет потенциалы 50 раз/сек. при стандартной пром частоте 50 Гц.

При этом индукционная катушка Румкорфа выполнена так, что её можно подключить к электросети переменного тока напрямую. На производстве для такого нагрева применяют высокочастотные электротоки – до 1 МГц, поэтому добиться функционирования устройства при 50 Гц довольно сложно. Толщина проволоки и число обматывающих витков, которую применяет устройство, водонагреватель , рассчитано в отдельности для каждого агрегата по специальному методу под требуемую мощность тепла. Самодельный, мощный агрегат должен функционировать эффективно, быстро греть идущую по трубе воду и при этом не нагреваться.

Организации вкладывают серьезные финансы в разработку и внедрение таких продуктов, поэтому :

Все задачи разрешаются удачно;
КПД нагревательный прибор имеет 98%;
Функционирует без перебоев.

Кроме высочайшей эффективности не может не привлекать скорость, с которой идет нагревание идущей через сердечник среды. На рис. предложена схема функционирования индукционного водонагревателя, созданного на заводе. Такую схему имеет агрегат марки «ВИН», которые производит Ижевский завод.

Насколько долго будет работать агрегат, зависит исключительно от того, насколько герметичен корпус и не повреждена изоляции витков провода, а это довольно значительный период, по заявлению изготовителя – до 30 лет.

За все эти плюсы, которыми 100% обладает аппарат, нужно выложить немалые финансы, индукторный, магнитный водонагреватель – самый дорогой из всех видов установок для отопления. Поэтому многие мастера предпочитают собрать сверхэкономичный агрегат для отопления самостоятельно.

Делаем индукционный нагреватель своими руками

Изготовление изобретения не сложное, если есть навыки, получится сделать хорошее устройство. Самый простой агрегат, который собирают вручную, состоит из отреза трубы (пластик), внутрь которой устраиваются разные элементы (металл) чтобы создать сердечник.

Это может быть :

Проволока из нержавейки;
Скатанная шариками, рубленная небольшими кусками проволока – катанка, диаметр которой 8 мм;
Сверло по диаметру трубы.

С наружной стороны к ней наклеиваются палочки из стеклотекстолита, а на них нужно намотать провод толщиной 1,7 мм в изоляции. Длина провода – примерно 11 м. Затем индукционный нагреватель надо испытать, наполнив его водой и подключив, например, к индукционной варочной панели марки ORION мощность которой 2 кВт вместо штатного индуктора. Сваренный из нескольких труб из металла вихревой радиатор выступает в роли внешнего сердечника для вихревых электротоков, которые создает катушка той же панели.

В результате можно сделать следующий вывод :

Мощность тепла сделанного отопительного устройства выше электромощности панели.
Число и размер трубок были выбраны случайно, но создали достаточную поверхность для подачи тепла, которое возникает от вихревых токов.
Данная схема водонагревателя оказалась удачной для конкретного случая, когда квартирное помещение окружено другими квартирами, которые отапливаются.

Работает прибор правильно, поэтому если есть желания, опыт и знания можно воплотить эту идею в жизнь. Для сложных моделей может понадобиться применение 3-фазного трансформатора.

Высокоточный индукционный нагрев

Такое нагревание имеет самый простой принцип, так как является бесконтактным. Высокочастотный импульсный нагрев дает возможность достигать высочайшего температурного режима, при котором возможно обрабатывать самые сложные в плавке металлы. Чтобы выполнить индукционный нагрев, нужно создать в электромагнитных полях необходимое напряжение 12В (вольт) и частоту индуктивности.

Сделать это возможно в специальном устройстве – индукторе. Питается оно электричеством от промышленной электросети в 50 Гц.

Возможно, для этого применять индивидуальные источники электропитания – преобразователи/генераторы. Наиболее простое устройство прибора малой частоты – спираль (проводник заизолированный), который может размещаться во внутренней части трубы из металла или наматываться на неё. Идущие токи греют трубку, которая, в дальнейшем, дает тепло в жилое помещение.

Использование индукционного нагрева на минимальных частотах явление не частое. Наиболее распространено обрабатывание металлов на более высокой или средней частоте. Такие приспособления отличаются тем, что магнитная волна идет на поверхность, где затухает. Энергия преобразуется в тепло. Чтобы эффект был лучше обе составные части должны иметь схожую форму. Где применяется нагрев?

Сегодня применение высокочастотного нагрева широко распространено :

Для плавки металлов, и их пайка бесконтактным методом;
Машиностроительная промышленность;
Ювелирное дело;
Создание небольших элементов (плат), которые могут быть повреждены при использовании других методик;
Закалка поверхностей деталей, разной конфигурации;
Термическая обработка деталей;
Медицинская практика (дезинфекция приборов/инструментов).

С помощью нагрева можно решить множество задач.

Преимущества: индукционный нагрев металла

У нагрева множество преимуществ. При помощи него, возможно, быстро нагреть и расплавить до жидкого состояния любой токопроводимый материал. Дает возможность выполнять нагревание в любой среде, которая не проводит ток, то есть плавильно-рабочую функцию.

Потому как нагревается только проводник, стенки остаются холодными. Этот вид нагрева не загрязняет окружающую среду. Если горелки на газу загрязняют воздух, то индукционный нагрев это исключает, потому как работает электромагнитное излучение. Компактные размеры индуктора. Возможность создания устройства любой формы.

Нагрев незаменим, если нужно нагреть только выбранную область на поверхности. Также устройство настроить такое спецоборудование на требуемый режим и отрегулировать его.

Как сделать индукционный нагреватель из компьютерного блока питания

Нагреватель можно сделать из компьютерного блока питания.

Понадобится :

Дроссель от компьютерного блока;
Паяльник;
Сварочный аппарат;
Кусачки;
Проволока из нержавеющей стали 6 мм;
Эмалированный плоский медный провод 2 мм;
Трубы из стали 25 мм;
Труба из пластика 50 мм;
Прочная сантехническая фурнитура;
Взрывной клапан;
Детали для сборки схемы.

Состоит котел из катушки, теплообменника, клеммной коробки, шкафа управления, входного и выходного патрубков. Установка простая, главное действовать по схеме. Хороший лабораторный блок питания можно разработать за день и реализовать тоже за день. Подключаются устройства через трансформаторный пункт.

Простой индуктор своими руками

В домашнем быту часто может пригодиться индуктор ТВЧ.

Это устройство часто используют для нагревания прикипевших :

Гаек/болтов;
Рамок и балок авто;
Деталей для автосервиса, включая подшипники и разнообразные втулки.

Такие приборы можно купить в специализированном магазине, так же, как и любое другое оборудование, например, инверторный китайский кондиционер, сейсмодатчик, но стоят они очень дорого. Однако выход есть, вполне реально создать индукционный нагреватель дома. Для сборки потребуется трансформатор, его возможно сделать из 2-х колец. Марку феррита можно применить М 2000 НМ.

В первичной обмотке должно присутствовать примерно 26 витков провода диаметр, которого 0,75 мм. Первичная обмотка присоединяется там, где выходит инвертор. Вторую обмотку составляет одна петля из медной трубки диаметра 6 мм, она же является и отводом индуктора-трубки, которая проходит через центр кольцевой части трансформатора.

Сам индуктор представляет из себя катушку из нескольких витков трубки из меди – 4 мм.

Конденсатор вместе с устройством выполняет работу контура колебаний, создающего частоту резонанс (резонансный), на которую настроен инвертор. Если в центральной части медной спирали устроить заготовку, то она будет обеспечивать активное сопротивление. В самой катушке возникают ТВЧ, поэтому трубка с витками очень сильно нагревается, а значит, её необходимо в обязательном порядке охладить, для этого возможно использовать обычную воду из трубопроводов.

Для подвода к индуктору необходимо применить диэлектрические трубки, так как в контуре развивается высокое напряжение. За проточной водой, что охлаждает индуктор, нужен постоянный контроль, поэтому в слив устраивается специальная вставка, к которой крепятся термопара и тестер, чтобы контролировать температурный режим. В устройстве следует использовать мощнейший конденсатор, его можно собрать из сорока высоковольтных конденсаторов на 0,033 мкФ каждый.

Индукционный нагреватель своими руками (видео)

Как видите сделать индуктор своими руками несложно, главное следовать схеме, также можно создать индукционный горн или собрать схему на тиристорах или любую другую, к примеру, внутреннее содержимое транзистора.

Самодельный индукционный нагреватель 4 кВт.

Представьте такой фокус. Человек берёт в руки железный гвоздь и засовывает его в медную петлю - индуктор. Гвоздь тут же раскаляется добела. Секрет фокуса - индукционный нагрев. Старинная технология, впервые разработанная русским электротехником Вологдиным в 1880 году, и, к сожалению, до сих пор мало распространённая среди домаших мастеров.

По медной петле - индуктору - пропускается электрический ток большой силы (сотни ампер) и большой частоты (десятки - сотни кГц). В результате в металлической заготовке, стоящей внутри индуктора или рядом с ним, наводятся токи Фуко, тоже большой силы и частоты. Высокочастотный ток в заготовке под действием скин-эффекта вытесняется в тонкие поверхностные слои, в результате чего его плотность резко возрастает. Слой заготовки, по которому протекают большие токи, начинает быстро разогреваться. Температура может достичь нескольких тысяч градусов, что позволяет плавить металл в домашних условиях, придумывать и создавать свои собственные необычные сплавы; сваривать и паять металлические детали; закаливать отвёртки, свёрла, ножи и так далее, применять установку в кузнечных и ремонтных мастерских.

Индукционный нагрев позволяет разогревать электропроводящие материалы (любой металл, графит, электропроводную керамику) бесконтактно. Прямо через воздух, через слой воды, через стеклянную, деревянную или пластиковую стенку, в вакуумной камере или в камере с защитным газом. При этом заготовка остаётся идеально чистой, так как не окисляется в газовой струе, не касается грязной поверхности печки и т п.

_________________________________________________________________________

За основу был взят инвертор Сергея Владимировича Кухтецкого, разработанны й в Институте химии. Схема инвертора, её подробное описание и рекомендации по сборке опубликованы по адресу: www.icct.ru В схеме применены современные электронные компоненты, что позволяет собрать мощный и надёжный инвертор в домашних условиях за небольшую цену порядка нескольких тысяч рублей (цены на промышленные аналоги достигают десятков и сотен тысяч руб).

На форуме induction.listbb.ru совместными усилиями с форумчанами Derba, Феникс, Jab, Фулюган, Ostap, -CE- проведена до работка схемы, установлена дополнительная плата фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ для автоматического удержания резонанса, установлена скоростная защита от превышения тока (как при превышении питания, так и в результате пробоя силовых мосфетов из-за их перегрева или сбоя модуля управления). Добавлены некоторые детали, уменьшающие вероятность перегрева мосфетов и сбоя модуля управления (приводящие к появлению сквозных токов в силовом мосте).

Потребляемая мощность инвертора в зависимости от применяемых индукторов: 1...4 кВт.
Частота тока в индукторе: 300 кГц.
Сила тока в индукторе: ~400А.
Максимальный потребляемый от сети ток при двухвитковом индукторе - 20А, потребляемое напряжение - 220V.

Индукционной нагреватель снабжён защитой, отключающей схему при превышении напряжения питания, при коротком замыкании индуктора, при заливании индуктора водой.

Схемы и обсуждение доработок смотрите на форуме: induction.listbb.ru и

Видео - плавление низкоуглеродистой стали (гайки) на воздухе:

Видео - плавление высокоуглеродистой стали (шарик от подшипника из стали ШХ-15):

Видео - плавление низкоуглеродистой стали в защитном газе (аргоне):

Видео - нагрев стального шарика через слой воды. Возможность нагрева железяк через слой воды интересна, вода электромагнитному полю не помеха

Мощное высокочастотное электромагнитное поле выталкивает железные заготовки из индуктора. С одной стороны это создаёт проблемы - сложно греть мелкие заготовки, их выносит из индуктора прочь и приходится их как-то закреплять (так называемый эффект электромагнитного дутья).
С другой стороны, можно плавить металл в подвешенном состоянии - (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле):

Доработка инвертора для индукционного нагрева.

Метод бесконтактного нагрева жидкометаллических образцов токами высокой частоты в вакууме или защитном газе является оптимальным для экспериментов с мелкими образцами электропроводящих материалов.

Промышленные инверторы высокой частоты не обладают нужными для проведения эксперимента характеристиками (высокой мощностью при высокой частоте, необходимой для нагрева мелких образцов), в связи с чем был изготовлен самодельный инвертор. За основу был принят инвертор, разработанный Сергеем Кухтецким в Институте химии и химической технологии РАН, работающий следующим образом.
Индуктор для нагрева образцов, представляющий собой катушку колебательного контура совместно с компенсирующий батареей конденсаторов, накачивается от независимо работающего генератора высокой частоты.

Генератор выполнен по схеме полный мост, его частота автоматически подстраивается под собственную частоту колебательного контура вручную и не может изменяться во время работы. Предлагаемый инвертор не имеет схемы защиты силовых транзисторов от сквозных токов и схемы управления мощностью нагрева (Рис.1).

Рис.1. Блок-схема простого инвертора для индукционного нагрева.

Эксплуатация данного простого инвертора выявило следующие проблемы. В результате нагрева образца, а также в результате движения образца в индукторе происходит изменение индуктивности, входящей в состав колебательного контура, и изменению его собственной частоты. Поскольку частота работы инвертора задается генератором с неизменяемой во время работы частотой, рассогласование частот колебательного контура и генератора приводит к резкому падению мощности нагрева, вибрациям заготовки в индукторе, а также выходу силовых транзисторов на неоптимальный режим работы в емкостном режиме, что приводит к выходу их из строя.

Для решения указанных проблем инвертор был дооборудован схемой фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, схемой скоростной защиты силовых транзисторов от превышения тока и импульсным регулятором мощности с управлением от ПК. Схемы защиты и регулирования мощности выполнены в виде отдельных модулей и могут применяться для иных задач.

Схема ФАПЧ состоит из генератора с изменяемой частотой, датчика тока, датчика напряжения, регулируемой линии задержки, формирователя управляющих импульсов для силового моста. Датчики тока и напряжения измеряют соответствующие величины на колебательном контуре, после чего производится сравнение их фаз. Нулевой сдвиг фаз означает синхронную работу колебательного контура на собственной частоте и задающего генератора. В случае сдвига фаз задающий генератор автоматически корректирует частоту, подстраивая ее под собственную частоту колебательного контура (Рис.2). Электрическая схема доработанного инвертора приведена на Рис.5.

Настройка диапазона слежения ФАПЧ, порядок действий:

Необходимо определить собственную частоту колебательного контура, например, следующим образом.

1) Снять с шин колебательного контура согласующий трансформатор.

2) Подсоединить к шинам, соединяющим индуктор с батареей конденсаторов, осциллограф.

3) Настроить осциллограф в режим ожидания (в режим одиночного измерения Trigger).

4) Кратковременно коснуться шин колебательного контура батарейкой (чем большего напряжения, тем лучше, например «Крона»). На экране появится "дребезг" – собственные колебания контура (аналог - звенящий на собственных частотах стакан, по которому ударили ложкой). При необходимости провести данную процедуру несколько раз о получения устойчивой картины на экране осциллографа.

Период собственных колебаний измеряется по сетке осциллографа, далее по формуле f = 1 / период , вычисляется собственная частота колебательного контура.

Настройка диапазона работы ФАПЧ проводится следующим образом.

1) К выходу микросхемы фапч-генератора CD4046 подсоединяется осциллограф (4 нога).

2) Задать минимальную частоту работы генератора CD4046. Для этого плюс источника питания напряжением 1 вольт (например подсевшая батарейка) подсоединить к ноге 9 микросхемы CD4046, минус источника питания подсоединить к общей шине.

3) Выставить минимальную частоту вращением потенциометра на ноге 12 микросхемы CD4046 на 30-50 кГц ниже собственной частоты колебательного контура (диапазон подбирается опытным путём для надёжного подхватывания ФАПЧ).

4) Задать максимальную частоту работы генератора CD4046. Для этого плюс источника питания напряжением 4.5 вольта (например три батарейки) подсоединить к ноге 9 микросхемы CD4046, минус источника питания подсоединить к общей шине.

5) Вращением потенциометра на ноге 11 микросхемы CD4046 задать частоту на 30-50 кГц выше собственной.

В результате проделанных операций инвертор автоматически стартует с подхватыванием резонанса и удерживает его в процессе работы.

Подбор витков согласующего трансформатора.

1) Наматываем согласующий трансформатор на глазок (например 20 витков).

2) Поключаем инвертор к ЛАТРу. Постепенно повышаем напряжение. Измеряем напряжение на ЛАТРе и потребляемый инвертором ток амперметром.

3) Необходимо добиться максимальной мощности инвертора - при напряжении на ЛАТРе 220 вольт ток должен быть максимальным для транзисторов данного типа.

4) Если потребляемый ток велик, а напряжение на ЛАТРе всё еще маленькое - доматываем несколько витков.

5) Если потребляемый ток мал, а напряжение на ЛАТРе уже велико - сматываем несколько витков.

Рис.2. Блок-схема инвертора для индукционного нагрева с ФАПЧ.

Модуль защиты состоит из выполненного на шунте датчика тока, схемы фиксации превышения тока с настройкой порога срабатывания и схемы отключения питания. Питание подводится к инвертору через шунт. В момент превышения тока на шунте фиксируется превышение падения напряжения, что приводит к перебрасыванию триггера и подаче сигнала запирания на силовой транзистор (Рис.3). Электрическая схема модуля защиты приведена на Рис.6.

Настройка модуля защиты.

Настройка порога срабатывания модуля защиты производится следующим образом. К выходным клеммам подсоединяется спираль из толстой нихромовой проволоки (имитатор нагрузки). Последовательно со спиралью подключаем амперметр. Поворачивая потенциометр настройки порога срабатывания, засекаем на корпусе потенциометра риски, соответствующие току в спирали.

Рис.3. Блок-схема модуля скоростной защиты.

Видео - срабатывание модуля скоростной защиты:

Импульсный регулятор мощности выполнен по схеме понижающего ШИМ-преобразователя типа step-down. Регулирование мощности осуществляется посредством изменения скважности управляющего ШИМ-сигнала. Управляющий сигнал генерируется микроконтроллером STM32F767 (готовая отладочная плата со встроенным USB-программатором). Параметры регулирования мощности задаются с компьютера через интерфейс USB, входящий в состав любого ПК, данное решение позволяет синхронизировать сбор данных и управление экспериментальной установкой (блок-схема изображена на Рис.4).

Рис.4. Блок-схема импульсного регулятора мощности.

Программа микроконтроллера предусматривает как ручное (педаль, ручка энкодера), так и дистанционное управление регулятором мощности (с помощью ПК), осуществление плавного старта и стопа, стабилизации выходной мощности по току или по напряжению, индикации работы прибора. Электрическая схема импульсного регулятора мощности приведена на Рис.7.

Рис.5. Схема инвертора для индукционного нагрева образцов с фазовой автоподстройкой частоты.

Рис.6. Электрическая схема универсального скоростного прерывателя тока для защиты установки индукционного нагрева.

Рис.7. Электрическая схема универсального импульсного регулятора мощности.