Как сделать индукционный нагреватель своими руками? Схемы индукционных печей Индукционная плавка расчет схемы

Бытовая индукционная печь способна с легкостью обогреть жилище. В промышленности данные устройства задействованы в плавке различных металлов. Дополнительно они могут участвовать в термообработке деталей, а также их закалке. Основным преимуществом печи индукционного типа является простота использования. Вдобавок, они просты в обслуживании и не требуют периодических осмотров, что очень важно.

Для установки данного устройства абсолютно не нужно выделять отдельное помещение. Производительность у этих приборов очень хорошая. Во многом это связано с тем, что в конструкции отсутствуют детали, которые подвержены механическому износу. В целом печи индукционного типа являются безопасными для здоровья человека и опасности во время эксплуатации не представляют.

Как это работает?

Работа индукционной печи начинается с подачи переменного тока на генератор. При этом он проходит через специальный индуктор, который находится внутри конструкции. Далее в устройстве задействуется конденсатор. Его основной задачей является образование колебательного контура. При этом вся система настраивается на рабочую частоту. Индуктор в печи занимается созданием переменного магнитного поля. В это время напряжение в устройстве возрастает до 200 В.

Для замыкания цепи в системе имеется феромагнитный сердечник, однако он устанавливается не во всех моделях. Впоследствии магнитное поле взаимодействует с заготовкой и создает мощный поток. Далее происходит индуцирование электропроводящего элемента и возникает вторичное напряжение. При этом в конденсаторе образуется вихревой ток. Согласно закону Джоуля-Ленца он отдает свою энергию индуктору. В результате заготовка в печи нагревается.

Самодельные печи индукционного типа

Индукционная печь своими руками делается строго по чертежам с соблюдением правил безопасности. Корпус устройства следует подбирать из алюминиевого сплава. В верхней части конструкции должна быть предусмотрена большая площадка. Ее толщина обязана составлять не менее 10 мм. Для набивки тигля чаще всего используют шаблон из стали. Для слива расплавленного металла потребуется полость футеровки в виде носика. При этом в конструкции должна иметься площадка для набивки.

Для секций над шаблоном устанавливают изолирующую подставку. Непосредственно под ней будет располагаться шарнирная опора. С целью охлаждения индуктора в печи должен иметься штуцер. Напряжение на прибор подается через мост, который находится в нижней части устройства. Для наклона емкости индукционная печь, своими руками сделанная, должна иметь отдельный редуктор. При этом лучше всего сделать рукоять, чтобы была возможность сливать металл вручную.

Печи компании "Термолит"

Индукционные печи для плавки металла данной торговой марки имеют приемлемую мощность преобразователя. При этом емкость камер в моделях может сильно отличаться. Средняя скорость плавления металла составляет 0.4 т/ч. При этом номинальное напряжение питающей сети колеблется в районе 0.3 В. Расход воды в печи индукционного типа зависит от системы охлаждения. Обычно данный параметр составляет 10 куб.м/ч. При этом удельный расход электроэнергии довольно высокий.

Характеристики печи "Термолит ТМ1"

Данная печь для плавки (индукционная) имеет общую емкость 0.03 тонны. При этом мощность преобразователя составляет только 50 кВт, а средняя скорость плавления - 0.04 тонны в час. Напряжение питающей среды должно быть не менее 0.38 В. Расход воды для охлаждения в этой модели незначительный. Во многом это связано с малой мощностью устройства.

Из недостатков следует выделить большой расход электроэнергии. В среднем за час работы печи потребляется примерно 650 кВт. Преобразователь частоты в данной модели имеется класса "ТПЧ-50". В целом "Термолит ТМ1" является оборудованием экономным, но со слабой производительностью.

Печь индукционного типа "ТГ-2"

Индукционные плавильные печи серии "ТГ" выпускаются с емкостью камеры 0.6 тонны. Номинальная мощность устройства составляет 100 кВт. При этом за час непрерывной работы есть возможность расплавить 0.16 тонны цветных металлов. Питается данная модель от сети с напряжением 0.3 В.

Расход воды у печи "ТГ-2" индукционного типа довольно значительный и за час работы в среднем расходуется до 10 кубических метров жидкости. Все это связано с необходимостью интенсивного охлаждения редуктора. Положительной стороной является умеренное потребление электроэнергии. Обычно за час эксплуатации потребляется до 530 кВт электричества. Преобразователь частоты в модели "ТГ-2" установлен класса "ТПЧ-100".

Печи "Термо Про"

Основными модификациями оборудования от данной компании являются индукционные плавильные печи "САТ 05", "САК-1", и "СОТ 05". Средняя номинальная температура плавления составляет у них 900 градусов. При этом мощность устройств колеблется в районе 150 кВт. Дополнительно следует отметить хорошую их производительность. За час работы цветных металлов можно расплавить 80 кг. При этом многие модели "Термо Про" изготавливаются для узконаправленного использования. Некоторые из них предназначены исключительно для работы с алюминием, в то время как другие модификации служат для расплавления свинца или олова.

Модификация "САТ 05"

Данная индукционная печь предназначена для расплава алюминия. Мощность этого устройства составляет ровно 20 кВт. При этом за час работы можно пропускать до 20 кг металла. Емкость камеры в модели "САТ 05" составляет 50 кг, а преобразователь частоты имеется класса "ТПЧ".

Батареи в устройстве установлены конденсаторного типа. В нижней части конструкции производителем проведен специальный водоохлаждаемый кабель. Пульт управления в данной модели имеется. Среди прочего следует отметить большой комплект печи "САТ 05". Включает он в себя все монтажные принадлежности, а также эксплуатационные документы.

Параметры печи "САК-1"

Данная индукционная печь чаще всего используется для плавки свинца, а также олова. В отдельных случаях разрешается закладывать медь, однако производительность значительно падает. Средняя температура плавления колеблется в районе 1000 градусов, мощность данное устройство имеет в 250 кВт. За час непрерывной работы есть возможность пропустить до 400 кг цветных металлов. При этом емкость оборудования позволяет загружать до 1000 кг материала. Напряжение питающей сети составляет 0.3 кВ.

Расход воды для охлаждения модели "САК-1" незначительный. За час печью потребляется примерно 10 кубических метров жидкости. Удельный расход электроэнергии также небольшой и составляет 530 кВт. Преобразователь частоты в данной конструкции предусмотрен марки "ТПЧ-400". В целом модель "САК-1" получилась экономичной и простой в использовании.

Обзор модели "САК 05"

Индукционные печи для плавки металла "САК 05" отличаются большой емкостью - 0.5 т. При этом мощность питающего преобразователя составляет 400 кВт. Рабочая скорость расплавления в данной печи довольно высокая. Номинальное напряжение устройства равняется 0.3 кВ. За час работы воды для охлаждения системы расходуется примерно 11 кубических метров. Также следует отметить, что расход электроэнергии немалый и составляет 530 кВт. Преобразователь частоты в устройстве имеется класса "ТПЧ-400". При этом он способен нагнетать предельную температуру до 800 градусов. Предназначена индукционная печь "САК 05" исключительно для расплава алюминия и бронзы. Теплообменный шкаф установлен производителем марки "ИМ". Еще следует отметить удобный пульт для управления. Сигнализация и гидростанция в системе имеются.

Помимо прочего, в стандартный комплект включается набор турбошин и монтажных принадлежностей. В целом модель "САК 05" получилась довольно защищенной, и пользоваться ей можно без риска для здоровья. Во многом это было достигнуто за счет штоков, которые крепятся на гидроцилиндрах. При этом металл практически не брызгает. Непосредственно подстройка частоты во время работы происходит в автоматическом режиме. Конденсаторы применяются в этой модели среднего напряжения.

Самым совершенным видом нагрева является такой, при котором тепло создается непосредственно в нагреваемом теле. Такой способ нагрева очень хорошо осуществляется пропусканием через тело электрического тока. Однако, прямое - включение нагреваемого тела в электрическую цепь не всегда возможно по причинам технического и практического характера.

В этих случаях совершенный вид нагрева может быть осуществлен применением индукционного нагрева, при котором тепло также создается в самом нагреваемом теле, что исключает излишний, обычно большой, расход энергий в стенках печи или в других нагревающих элементах. Поэтому, несмотря на сравнительно невысокий к. п. д. генерирования токов повышенной и высокой частоты, общий к. п. д. индукционного нагрева оказываётся часто выше, чем .

Индукционный способ позволяет также осуществлять быстрый нагрев неметаллических тел равномерно по всей их толщине. Плохая теплопроводность таких тел исключает возможность быстрого нагрева их внутренних слоев обычным способом, т. е. подводом тепла извне. При индукционном способе тепло образуется одинаково как в наружных слоях, так и во внутренних и может даже возникнуть опасность перегрева последних, если не сделать необходимой теплоизоляции наружных слоев.

Особо ценным свойством индукционного нагрева является возможность весьма высокой концентрации энергии в нагреваемом теле, легко поддающейся точной дозировке. Только можно получить тот же порядок плотности энергии, однако, этот способ нагрева трудно поддается контролю.

Особенности и общеизвестные преимущества индукционного нагрева создали широкие возможности применения его во многих отраслях промышленности. Кроме того, он позволяет создавать новые виды конструкций, которые вовсе не осуществимы пои обычных способах термообработки.

Физический процесс

В индукционных печах и устройствах тепло в электропроводном нагреваемом теле выделяется токами, индуктированными в нем переменным электромагнитным полем. Таким образом, здесь осуществляется прямой нагрев.

Индукционный нагрев металлов основан на двух физических законах: и законе Джоуля-Ленца. Металлические тела (заготовки, детали и др.) помещают в , которое возбуждает в них вихревое . ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока. Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые (замкнутые внутри тел) токи, выделяющие теплоту . Эта ЭДС создает в металле , тепловая энергия, выделяемая данными токами, является причиной нагрева металла. Индукционный нагрев является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов.

Интенсивный индукционный нагрев возможен лишь в электромагнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создают специальными устройствами - индукторами. Индукторы питают от сети 50 Гц (установки промышленной частоты) или от индивидуальных источников питания - генераторов и преобразователей средней и высокой частоты.

Простейший индуктор устройств косвенного индукционного нагрева низкой частоты - изолированный проводник (вытянутый или свернутый в спираль), помещенный внутрь металлической трубы или наложенный на ее поверхность. При протекании по проводнику-индуктору тока в трубе наводятся греющие ее . Теплота от трубы (это может быть также тигель, емкость) передается нагреваемой среде (воде, протекающей по трубе, воздуху и т. д.).

Индукционный нагрев и закалка металлов

Наиболее широко применяется прямой индукционный нагрев металлов на средних и высоких частотах. Для этого используют индукторы специального исполнения. Индуктор испускает , которая падает на нагреваемое тело и затухает в нем. Энергия поглощенной волны преобразуется в теле в теплоту. Эффективность нагрева тем выше, чем ближе вид испускаемой электромагнитной волны (плоская, цилиндрическая и т. д.) к форме тела. Поэтому для нагрева плоских тел применяют плоские индукторы, цилиндрических заготовок - цилиндрические (соленоидные) индукторы. В общем случае они могут иметь сложную форму, обусловленную необходимостью концентрации электромагнитной энергии в нужном направлении.

Особенностью индукционного ввода энергии является возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания .

Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади, охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела.

Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит, кроме других факторов, от частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается с повышением частоты).

Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении.

Индукционный нагрев применяют для поверхностной закалки стальных изделий, сквозного нагрева под пластическую деформацию (ковку, штамповку, прессование и т. д.), плавления металлов, термической обработки (отжиг, отпуск, нормализация, закалка), сварки, наплавки, пайки металлов.

Косвенный индукционный нагрев применяют для обогрева технологического оборудования (трубопроводы, емкости и т. д.), нагрева жидких сред, сушки покрытий, материалов (например, древесины). Важнейший параметр установок индукционного нагрева - частота. Для каждого процесса (поверхностная закалка, сквозной нагрев) существует оптимальный диапазон частот, обеспечивающий наилучшие технологические и экономические показатели. Для индукционного нагрева используют частоты от 50Гц до 5Мгц.

Преимущества индукционного нагрева

1) Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело позволяет осуществить прямой нагрев проводниковых материалов. При этом повышается скорость нагрева по сравнению с установками косвенного действия, в которых изделие нагревается только с поверхности.

2) Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело не требует контактных устройств. Это удобно в условиях автоматизированного поточного производства, при использовании вакуумных и защитных средств.

3) Благодаря явлению поверхностного эффекта максимальная мощность, выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия. Поэтому индукционный нагрев при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверхностного слоя изделия. Это позволяет получить высокую твердость поверхности детали при относительно вязкой середине. Процесс поверхностной индукционной закалки быстрее и экономичнее других методов поверхностного упрочнения изделия.

4) Индукционный нагрев в большинстве случаев позволяет повысить производительность и улучшить условия труда.

Индукционные плавильные печи

Индукционную печь или устройство можно рассматривать как своего рода трансформатор, в котором первичная обмотка (индуктор) подключена к источнику переменного тока, а вторичной обмоткой служит само нагреваемое тело.

Для рабочего процесса индукционных плавильных печей характерно электродинамическое и тепловое движение жидкого металла в ванне или тигле, способствующее получению однородного по составу металла и его равномерной температуры по всему объему, а также малый угар металла (в несколько раз меньше, чем в дуговых печах).

Индукционные плавильные печи применяют при производстве литья, в том числе фасонного, из стали, чугуна, цветных металлов и сплавов.

Индукционные плавильные печи можно разделить на канальные печи промышленной частоты и тигельные печи промышленной, средней и высокой частоты.

Индукционная канальная печь представляет собой трансформатор, обычно промышленной частоты (50 Гц). Вторичной обмоткой трансформатора служит виток из расплавленного металла. Металл заключен в кольцевом канале из огнеупора.

Основной магнитный поток наводит в металле канала ЭДС, ЭДС создает ток, ток нагревает металл, поэтому, индукционная канальная печь подобна трансформатору, работающему в режиме короткого замыкания.

Индукторы канальных печей выполняют из продольной медной трубки, он имеет водяное охлаждение, канальная часть подового камня охлаждается от вентилятора или от централизованной воздушной системы.

Индукционные канальные печи предназначены для непрерывной работы с редкими переходами с одной марки металла на другую. Индукционные канальные печи, в основном применяют для плавки алюминия и его сплавов, а также меди и некоторых ее сплавов. Другие серии печей специализированы как миксеры для выдержки и перегрева жидкого чугуна, цветных металлов и сплавов перед разливкой в литейные формы.

Работа индукционной тигельной печи основана на поглощении электромагнитной энергии проводящей садки. Садка размещена внутри цилиндрической катушки - индуктора. С электрической точки зрения, индукционная тигельная печь представляет собой короткозамкнутый воздушный трансформатор, вторичной обмоткой которого является проводящая садка.

Индукционные тигельные печи используют преимущественно для плавки металлов на фасонное литье при периодическом режиме работы, а также вне зависимости от режима работы - для плавки некоторых сплавов, например бронз, которые пагубно влияют на футеровку канальных печей.

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 статье рассмотрены схемы промышленных индукционных плавильных печей (канальных и тигельных) и индукционных закалочных установок с питанием от машинных и статических преобразователей частоты.

Схема индукционной канальной печи

Почти все конструкции промышленных индукционных канальных печей выполняются с отъемными индукционными единицами. Индукционная единица представляет собой электропечной трансформатор с футерованным каналом для размещения расплавленного металла. Индукционная единица состоит из следующих элементов, кожуха, магнитопровода, футеровки, индуктора.

Индукционные единицы выполняются как однофазными, так и двухфазными (сдвоенными) с одним или двумя каналами на один индуктор. Индукционная единица подключается ко вторичной стороне (стороне НН) электропечного трансформатора с помощью контакторов, имеющих дугогасящие устройства. Иногда включаются два контактора с параллельно работающими силовыми контактами в главной цепи.

На рис. 1 приведена схема питания однофазной индукционной единицы канальной печи. Реле максимального тока РМ1 и РМ2 служат для контроля и отключения печи при перегрузках и коротких замыканиях.

Трехфазные трансформаторы используются для питания трехфазных или двухфазных печей, имеющих либо общий трехфазный магнитопровод, либо два или три отдельных магнитопровода стержневого типа.

Для питания печи в период рафинирования металла и для поддержания режима холостого хода служат автотрансформаторы для более точного регулирования мощности в период доводки металла до нужного химического состава (при спокойном, без бурления, режиме расплавления), а также для начальных пусков печи при первых плавках, которые проводятся при малом объеме металла в ванне для обеспечения постепенной сушки и спекания футеровки. Мощность автотрансформатора выбирают в пределах 25-30% мощности основного трансформатора.

Для контроля температуры воды и воздуха, охлаждающих индуктор и кожух индукционной единицы, устанавливают электроконтактные термометры, выдающие сигнал при превышении температуры свыше допустимой. Питание печи автоматически отключается при повороте печи для слива металла. Для контроля положения печи служат конечные выключатели, сблокированные с приводом электропечи. У печей и миксеров непрерывного действия при сливе металла и загрузке новых порций шихты отключение индукционных единиц не производится.

Рис. 1. Принципиальная схема питания индукционной единицы канальной печи: ВМ - выключатель мощности, КЛ - контактор, Тр - трансформатор, С - конденсаторная батарея, И - индуктор, ТН1, ТН2 - трансформаторы напряжения, 777, ТТ2 - трансформаторы тока, Р - разъединитель, ПР - предохранители, РМ1, РМ2 - реле максимального тока.

Для обеспечения надежного питания при эксплуатации и в аварийных случаях приводные двигатели механизмов наклона индукционной печи, вентилятора, привод загрузочно-разгрузочных устройств и системы управления питаются от отдельного трансформатора собственных нужд.

Схема индукционной тигельной печи

Промышленные индукционные тигельные печи емкостью более 2 т и мощностью свыше 1000 кВт питаются от трехфазных понижающих трансформаторов с регулированием вторичного напряжения под нагрузкой, подключаемых к высоковольтной сети промышленной частоты.

Печи выполняют однофазными, и для обеспечений равномерной нагрузки фаз сети в цепь вторичного напряжения подключают симметрирующее устройство, состоящее из реактора L с регулированием индуктивности методом изменения воздушного зазора в магнитной цепи и конденсаторной батареи Сс, подключаемых с индуктором по схеме треугольника (см. АРИС на рис. 2). Силовые трансформаторы мощностью 1000, 2500 и 6300 кВ-А имеют 9 - 23 ступени вторичного напряжения с автоматическим регулированием мощности на желаемом уровне.

Печи меньших емкости и мощности питаются от однофазных трансформаторов мощностью 400 - 2500 кВ-А, при потребляемой мощности свыше 1000 кВт также устанавливают симметрирующие устройства, но на стороне ВН силового трансформатора. При меньшей мощности печи и питании от высоковольтной сети 6 или 10 кВ можно отказаться от симметрирующего устройства, если колебания напряжения при включении и выключении печи будут находиться в допустимых пределах.

На рис. 2 приведена схема питания индукционной печи промышленной частоты. Печи снабжаются регуляторами электрического режима АРИР, которые в заданных пределах обеспечивают поддержание напряжения, мощности Рп и cosфи путем изменения числа ступеней напряжения силового трансформатора и подключения дополнительных секций конденсаторной батареи. Регуляторы и измерительная аппаратура размещены в шкафах управления.

Рис. 2. Схема питания индукционной тигельной печи от силового трансформатора с симметрирующим устройством и регуляторами режима печи: ПСН - переключатель ступеней напряжения, С - симметрирующая емкость, L - реактор симметрирующего устройства, С-Ст - компенсирующая конденсаторная батарея, И - индуктор печи, АРИС - регулятор симметрирующего устройства, АРИР - регулятор режима, 1K-NK - контакторы управления емкостью батареи, ТТ1, ТТ2 - трансформаторы тока.

На рис. 3 приведена принципиальная схема питания индукционных тигельных печей от машинного преобразователя средней частоты. Печи оснащены автоматическими регуляторами электрического режима, системой сигнализации «проедания» тигля (для высокотемпературных печей), а также сигнализацией о нарушении охлаждения в водоохлаждаемых элементах установки.

Рис. 3. Схема питания индукционной тигельной печи от машинного преобразователя средней частоты со структурной схемой автоматического регулирования режима плавки: М - приводной двигатель, Г -генератор средней частоты, 1K-NK - магнитные пускатели, ТИ - трансформатор напряжения, ТТ - трансформатор тока, ИП - индукционная печь, С - конденсаторы, ДФ - датчик фазы, ПУ - переключающее устройство, УФР - усилитель-фазорегулятор, 1КЛ, 2КЛ - линейные контакторы, БС - блок сравнения, БЗ - блок защиты, ОВ - обмотка возбуждения, РН - регулятор напряжения.

Схема индукционной закалочной установки

На рис. 4 приведена принципиальная электрическая схема питания индукционного закалочного станка от машинного преобразователя частоты. Помимо источника питания М-Г схема включает в себя силовой контактор К, закалочный трансформатор ТрЗ, на вторичную обмотку которого включен индуктор И, компенсирующую конденсаторную батарею Ск, трансформаторы напряжения и тока ТН и 1TT, 2ТТ, измерительные приборы (вольтметр V, ваттметр W, фазометр) и амперметры тока генератора и тока возбуждения, а также реле максимального тока 1РМ, 2РМ для защиты источника питания от коротких замыканий и перегрузок.

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема индукционной закалочной установки: М -приводной двигатель, Г - генератор, ТН, ТТ - трансформаторы напряжения и тока, К - контактор, 1PM, 2РМ, ЗРМ - реле тока, Рк - разрядник, А, V, W - измерительные приборы, ТрЗ - закалочный трансформатор, OВГ -обмотка возбуждения генератора, РР - разрядный резистор, РВ - контакты реле возбуждения, PC - регулируемое сопротивление.

Для питания старых индукционных установок для термообработки деталей используют электромашинные преобразователи частоты - приводной двигатель синхронного или асинхронного типа и генератор средней частоты индукторного типа, в новых индукционных установках - статические преобразователи частоты.

Схема промышленного тиристорного преобразователя частоты для питания индукционной закалочной установки показана на рис. 5. Схема тиристорного преобразователя частоты состоит из выпрямителя, блока дросселей, преобразователя (инвертора), цепей контроля и вспомогательных узлов (реакторов, теплообменников и пр.). По способу возбуждения инверторы выполняются с независимым возбуждением (от задающего генератора) и с самовозбуждением.

Тиристорные преобразователи могут устойчиво работать как с изменением частоты в широком диапазоне (при самонастраивающемся колебательном контуре в соответствии с изменяющимися параметрами нагрузки), так и при неизменной частоте с широким диапазоном изменения параметров нагрузки в связи с изменением активного сопротивления нагреваемого металла и его магнитных свойств (для ферромагнитных деталей).

Рис. 5. Принципиальная схема силовых цепей тиристорного преобразователя типа ТПЧ-800-1: L - сглаживающий реактор, БП - блок пуска, ВА - выключатель автоматический.

Преимуществами тиристорных преобразователей являются отсутствие вращающихся масс, малые нагрузки на фундамент и малое влияние коэффициента использования мощности на снижение КПД, КПД составляет 92 - 94% при полной нагрузке, а при 0,25 снижается только на 1 - 2%. Кроме того, поскольку частота может быть легко изменена в определенном диапазоне, нет необходимости регулирования емкости для компенсации реактивной мощности колебательного контура.

Индукционные нагреватели работают по принципу “получение тока из магнетизма”. В специальной катушке генерируется переменное магнитное поле высокой мощности, которое порождает вихревые электрические токи в замкнутом проводнике.

Замкнутым проводником в индукционных плитах является металлическая посуда, которая разогревается вихревыми электрическими токами. В общем, принцип работы таких приборов не сложен, и при наличии небольших познаний в физике и электрике, собрать индукционный нагреватель своими руками не составит большого труда.

Самостоятельно могут быть изготовлены следующие приборы:

1. Приборы для нагрева в котле отопления.
2. Мини-печи для плавки металлов.
3. Плиты для приготовления пищи.

Индукционная плита своими руками, должна быть изготовлена с соблюдением всех норм и правил для эксплуатации данных приборов. Если за пределы корпуса в боковых направлениях будет выделяться опасное для человека электромагнитное излучение, то использовать такой прибор категорически запрещается.

Кроме этого большая сложность при конструировании плиты заключается в подборе материала для основания варочной поверхности, которое должно удовлетворять следующим требованиям:

1. Идеально проводить электромагнитное излучение.
2. Не являться токопроводящим материалом.
3. Выдерживать высокую температурную нагрузку.

В бытовых варочных индукционных поверхностях используется дорогая керамика, при изготовлении в домашних условиях индукционной плиты, найти достойную альтернативу такому материалу – довольно сложно. Поэтому, для начала следует сконструировать что-нибудь попроще, например, индукционную печь для закалки металлов.

Инструкция по изготовлению

Чертежи

Рисунок 1. Электрическая схема индукционного нагревателя
Рисунок 2. Устройство. Рисунок 3. Схема простого индукционного нагревателя

Для изготовления печи понадобятся следующие материалы и инструменты:

• припой;
• текстолитовая плата.
• мини-дрель.
• радиоэлементы.
• термопаста.
• химические реагенты для травления платы.

Дополнительные материалы и их особенности:

1. Для изготовления катушки , которая будет излучать необходимое для нагрева переменное магнитное поле, необходимо приготовить отрезок медной трубки диаметром 8 мм, и длиной 800 мм.
2. Мощные силовые транзисторы являются самой дорогой частью самодельной индукционной установки. Для монтажа схемы частотного генератора необходимо приготовить 2 таких элемента. Для этих целей подойдут транзисторы марок: IRFP-150; IRFP-260; IRFP-460. При изготовлении схемы используются 2 одинаковых из перечисленных полевых транзисторов.
3. Для изготовления колебательно контура понадобятся керамические конденсаторы ёмкостью 0,1 mF и рабочим напряжением 1600 В. Для того, чтобы в катушке образовался переменный ток высокой мощности, потребуется 7 таких конденсаторов.
4. При работе такого индукционного прибора , полевые транзисторы будут сильно разогреваться и если к ним не будут присоединены радиаторы из алюминиевого сплава, то уже через несколько секунд работы на максимальной мощности, данные элементы выйдут из строя. Ставить транзисторы на теплоотводы следует через тонкий слой термопасты, иначе эффективность такого охлаждения будет минимальна.
5. Диоды , которые используются в индукционном нагревателе, обязательно должны быть ультрабыстрого действия. Наиболее подходящими для данной схемы, диоды: MUR-460; UF-4007; HER – 307.
6. Резисторы, которые используются в схеме 3: 10 кОм мощностью 0,25 Вт – 2 шт. и 440 Ом мощностью – 2 Вт. Стабилитроны: 2 шт. с рабочим напряжением 15 В. Мощность стабилитронов должна составлять не менее 2 Вт. Дроссель для подсоединения к силовым выводам катушки используется с индукцией.
7. Для питания всего устройства понадобится блок питания мощностью до 500. Вт. и напряжением 12 – 40 В. Запитать данное устройство можно от автомобильного аккумулятора, но получить наивысшие показания мощности при таком напряжении не получится.

Сам процесс изготовления электронного генератора и катушки занимает немного времени и осуществляется в такой последовательности:

1. Из медной трубы делается спираль диаметром 4 см. Для изготовления спирали следует медную трубку накрутить на стержень с ровной поверхностью диаметром 4 см. Спираль должна иметь 7 витков, которые не должны соприкасаться. На 2 конца трубки припаиваются крепёжные кольца для подключения к радиаторам транзистора.
2. Печатная плата изготавливается по схеме. Если есть возможность поставить полипропиленовые конденсаторы, то благодаря тому, что такие элементы обладают минимальными потерями и устойчивой работой при больших амплитудах колебания напряжений, устройство будет работать намного стабильнее. Конденсаторы в схеме устанавливаются параллельно образуя с медной катушкой колебательный контур.
3. Нагрев металла происходит внутри катушки, после того как схема будет подключена к блоку питания или аккумулятору. При нагреве металла необходимо следить за тем, чтобы не было короткого замыкания обмоток пружины. Если коснуться нагреваемым металлом 2 витка катушки одновременно, то транзисторы выходят из строя моментально.

Нюансы

1. При проведении опытов по нагреву и закалке металлов , внутри индукционной спирали температура может быть значительна и составляет 100 градусов Цельсия. Этот теплонагревательный эффект можно использовать для нагрева воды для бытовых нужд или для отопления дома.
2. Схема нагревателя рассмотренного выше (рисунок 3) , при максимальной нагрузке способна обеспечить излучение магнитной энергии внутри катушки равное 500 Вт. Такой мощности недостаточно для нагрева большого объёма воды, а сооружение индукционной катушки высокой мощности потребует изготовление схемы, в которой необходимо будет использовать очень дорогие радиоэлементы.
3. Бюджетным решением организации индукционного нагрева жидкости , является использование нескольких устройств описанных выше, расположенных последовательно. При этом, спирали должны находиться на одной линии и не иметь общего металлического проводника.
4. В качестве используется труба из нержавеющей стали диаметром 20 мм. На трубу «нанизываются» несколько индукционных спиралей, таким образом, чтобы теплообменник оказался в середине спирали и не соприкасался с её витками. При одновременном включении 4 таких устройств, мощность нагрева будет составлять порядка 2 Квт, что уже достаточно для проточного нагрева жидкости при небольшой циркуляции воды, до значений позволяющих использовать данную конструкцию в снабжении тёплой водой небольшого дома.
5. Если соединить такой нагревательный элемент с хорошо изолированным баком , который будет расположен выше нагревателя, то в результате получится бойлерная система, в которой нагрев жидкости будет осуществляться внутри нержавеющей трубы, нагретая вода будет подниматься вверх, а её место будет занимать более холодная жидкость.
6. Если площадь дома значительна , то количество индукционных спиралей может быть увеличено до 10 штук.
7. Мощность такого котла можно легко регулировать путём отключения или включения спиралей. Чем больше одновременно включённых секций, тем больше будет мощность работающего таким образом отопительного устройства.
8. Для питания такого модуля понадобится мощный блок питания. Если есть в наличии инверторный сварочный аппарат постоянного тока, то из него можно изготовить преобразователь напряжения необходимой мощности.
9. Благодаря тому, что система работает на постоянном электрическом токе , который не превышает 40 В, эксплуатация такого устройства относительно безопасна, главное обеспечить в схеме питания генератора блок предохранителей, которые в случае короткого замыкания обесточат систему, там самым исключив возможность возникновения пожара.
10. Можно таким образом организовать “бесплатное” отопление дома , при условии установки для питания индукционных устройств аккумуляторных батарей, зарядка которых будет осуществляться за счёт энергии солнца и ветра.
11. Аккумуляторы следует объединить в секции по 2 шт., подключённые последовательно. В результате, напряжение питания при таком подключении будет не менее 24 В., что обеспечит работу котла на высокой мощности. Кроме этого, последовательное подключение позволит снизить силу тока в цепи и увеличить срок эксплуатации аккумуляторов.

1. Эксплуатация самодельных устройств индукционного нагрева , не всегда позволяет исключить распространение вредного для человека электромагнитного излучения, поэтому индукционный котёл следует устанавливать в нежилом помещении и экранировать оцинкованной сталью.
2. Обязательно при работе с электричеством следует соблюдать правила техники безопасност и, особенно это касается сетей переменного тока напряжением 220 В.
3. В качестве эксперимента можно изготовить варочную поверхность для приготовления пищи по схеме указанной в статье, но эксплуатировать данный прибор постоянно не рекомендуется по причине несовершенства самостоятельного изготовления экранирования данного устройства, из-за этого возможно воздействие на организм человека вредного электромагнитного излучения, способного негативно сказаться на здоровье.