Индукционный котел схема: Страница не найдена — gidpopechkam.ru

Индукционный котел отопления своими руками: 2 варианта конструкций

Планируя систему отопления на даче, владельцы рассматривают множество технических решений, среди которых – вариант с индукционным котлом. Его установка позволяет экономить электрическую энергию, он не выделяет опасные для жизни вещества, а значит, экологически чист. Есть возможность создать индукционный котел отопления своими руками и убедиться в его преимуществах, например, перед агрегатами, работающими на газе или твердом топливе.

Внутреннее устройство и принцип работы котла

Главное назначение оборудования – создание тепловой энергии из электрической при помощи специального агрегата. В отличие от ТЭНов, индукционные аппараты быстрее увеличивают температуру теплоносителя благодаря абсолютно другой конструкции.

Индукционные котлы эффективно используют в отопительных системах не только частных домов

Теплоносителем традиционно являются вода или антифриз, но иногда применяют и другие жидкости, обладающие необходимым свойством – проводимостью тока

В основе устройства – индуктор (трансформатор), имеющий два вида обмотки. Внутри возникают токи вихревого характера, следующие на виток (короткозамкнутый), который одновременно является корпусом. В результате вторичная обмотка восполняется запасом энергии, которую незамедлительно преобразует в тепло, отдающееся теплоносителю.

Устройство необходимо оснастить двумя патрубками: по одному из них будет подаваться охлажденный теплоноситель, по второму – выходить уже горячий.

Перегрева системы не происходит в связи с тем, что горячая вода постоянно отводится, а вместо нее поступает холодная

Схема котла заводского исполнения аналогична схеме самодельного оборудования

Если разбить принцип работы котла на этапы, получится следующая картина:

• Вода (или другой теплоноситель) поступает в котел.
• На внутреннюю обмотку подается электроэнергия.
• Под напряжением нагревается сердечник, а затем – поверхность.
• Теплоноситель нагревается.

Самостоятельно изготовленный индукционный котел, как правило, имеет простую конструкцию, поэтому он редко выходит из строя. Благодаря вибрации, которая сопровождает работу агрегата, исключено появление накипи, также являющейся частой причиной поломок. По такому же принципу работает заводское устройство:

Примеры конструкций самодельных вариантов

Вариант #1 — Пластиковые трубы+сварочный инвертор

Имея некоторые знания в области физики и владея кусачками, можно собрать элементарную индукционную модель самостоятельно.

Для этого необходимо приобрести уже готовый сварочный инвертор, высокочастотный, с плавной регулировкой тока и мощностью 15 ампер, хотя для обогрева лучше выбрать более мощный аппарат. Катанка из нержавеющей стали или просто отрезки стальной проволоки подойдут в качестве нагреваемого элемента. Длина отрезков – около 50 мм, при диаметре 7 мм.

Медную проволоку можно приобрести в магазине. Обмотку со старых катушек лучше не использовать

Корпус (основа индукционной катушки) будет одновременно частью трубопровода, поэтому для его изготовления подойдет пластиковая труба, обязательно с толстыми стенками, внутренний диаметр которой немного менее 50 мм. К корпусу крепят два патрубка для поступления холодного и отдачи нагретого теплоносителя.

Внутреннее пространство полностью заполняют отрезками проволоки, с обоих концов закрыв металлической сеткой, чтобы они не рассыпались. Индукционная катушка изготавливается следующим способом: вокруг уже готовой пластиковой трубы аккуратно наматывают эмалированный медный провод – примерно 90 витков.

Самодельное устройство необходимо подключить к сети. Из установленного трубопровода вырезают участок трубы, а вместо него ставят самодельный индукционный котел. Его соединяют с инвертором и запускают воду.

Индукционный отопительный котел располагается вместе с остальным оборудованием — в бойлерной

Важно заметить, что индукционные котлы отопления работают только при наличии в системе теплоносителя, без него пластиковый корпус расплавится.

Вариант #2 — конструкция с трансформатором

Для изготовления данного агрегата потребуется аппарат для сварки, а также трансформатор (трехфазный) с возможностью фиксации.

Необходимо сварить две трубы так, чтобы они в разрезе были похожи на бублик

Данная конструкция выполняет и проводниковую, и нагревательную функции. Затем наматывают обмотку, прямо на корпус котла, чтобы он работал более эффективно, несмотря на малый вес и размеры. Схема нагрева теплоносителя стандартна: он получает тепловую энергию при контакте с обмоткой.

Как и более простой вариант, сложная модель оборудуется двумя патрубками – для входа холодного теплоносителя и выхода нагретого

Наличие защитного кожуха поможет исключить потери тепловой энергии. Кожух также можно сделать самостоятельно.

Особенности установки и эксплуатации

Для монтажа индукционной установки подходит отопительная система закрытого типа, в состав которой входит насос, создающий принудительную циркуляцию воды в трубах. Распространенные пластиковые трубопроводы также подходят для установки самостоятельно изготовленного котла.

При монтаже следует соблюдать безопасные расстояния до ближайших предметов: до других приборов и стены – 300 мм и более, до пола и потолка – 800 мм и более. Около выводного патрубка разумно разместить группу безопасности (манометр, клапан сброса воздуха).

Заземление – еще одно обязательное условие установки индукционного котла.

Смастерив индукционный котел своими руками, в скором времени можно увидеть результаты своих трудов: он будет исправно работать длительное время, не уступая заводскому исполнению. Сложный в изготовлении, но экономичный в использовании, он не требует дополнительного обслуживания, главное – соблюдать условия эксплуатации.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Как сделать индукционный котел

Индукционный электрический котел для дома многие умельцы считают интересной идеей.

Индукционный котел обладает следующими достоинствами:

• Нагревательный элемент, который погружен в теплоноситель и непосредственно передает ему тепловую энергию, не перегорает вообще никогда.
• Электрическая обмотка (катушка) аппарата, если только работает в расчетном режиме, также условно вечная, на нее не воздействует агрессивная среда. В результате правильно сделанный индукционный котел сам по себе слишком долговечный.
• Нагреватель может соседствовать с любыми видами теплоносителя.
• Нагревательный элемент не участвует в электрохимических процессах, почти не притягивает ионов, не разлагает непосредственно теплоноситель, не загрязняется.
• КПД на уровне 95 – 98%.

Сделать индукционный котел своими руками не сложно, но только при наличии кое каких запчастей…

Принцип индукционного нагрева

• Если металлический сердечник поместить внутри катушки, по которой пропустить постоянный ток, то получим электромагнит. Сердечник начнет притягивать металлические предметы.
• Если по этой же катушке пропускать переменный ток промышленной частоты 50 Гц, то особо ничего не произойдет, — лишь появится соответствующий низкочастотный гул. Полярность магнита будет меняться 50 раз в секунду, поэтому притянуть он уже ничего не сможет. Но токи Фуко уже начнут понемногу разогревать сердечник.
• Если же это устройство подключить к генератору переменного тока высокой частоты, более чем 10000 Гц, то сердечник из любого металла начнет разогреваться. Вся электрическая мощность катушки будет преобразовываться в тепловую в сердечнике. Если отвод тепла от него будет небольшим, то он очень быстро перегреется и расплавится, при температурах свыше 1000 градусов.

Как используется в промышленности индукционный нагрев

На принципе индукционного нагрева в мастерских на производствах создаются плавильные приспособления для плавки металла электричеством. Никакой технической сложности в этом нет – немагнитную тугоплавкую чашу с расплавляемым токопроводящим металлом (сталью, медью, алюминием, серебром) помещают внутри катушки из толстой медной проволоки, по которой пропускают ток высокой частоты от генератора.

 Получившаяся индукционная печь перегреет металл до нужной температуры, и он расплавится. Подобное устройство мощностью около 2,0 кВт создают в домашних условиях для плавления заготовок минимальных размеров…

Простейший индукционный котел своими руками

Собственно котел умельцы изготавливают очень просто. Нужно взять не магнитящуюся трубу из пластика, и в нее поместить металлический нагревающийся элемент. Вокруг трубы намотать катушку… Точный расчет параметров индукционного нагревателя слишком сложен. Посмотрим, что предлагают умельцы.

Берется полипропиленовая труба от 40 мм диаметром, наполняется несколькими металлическими стержнями. Поверх нее наклеиваются трубки для увеличения диаметра обмотки и лучшей токоизоляции… Наматывается токопроводящая проволока медная сечением около 2 мм кв в изоляции с шагом навивки около 0,5 см. В такой конструкции почти вся энергия от высокочастотного переменного тока будет разогревать металлические стержни.

• Через индукционный котел всегда должен двигаться теплоноситель. Если он остановится или если его не будет, то конструкция перегреется, расплавится. Температурная защита, отключающая подачу энергии в случае отсутствия теплоносителя (воздушная пробка), или в случае его перегрева, должна быть весьма надежной.

Это ключевой недостаток, почти перечеркивающий идею самостоятельного изготовления индукционного котла. Другая трудность заключается в сложности создания или приобретения высокочастотного электрического генератора.

Пример аматорства по теме «индукционный нагрев в быту» на видео…

 

Переменное напряжение высокой частоты

В бытовых условиях применяются индукционные плиты, в которых имеется электрический преобразователь, выдающий напряжение с частотой 10000 Гц. Дешевые китайские индукционные плиты потянут в цене на 70 – 80 у. е., а это уже не малая, неподходящая стоимость для создания на их основе индукционного нагревателя.

Можно использовать сварочный аргонной сварки с током высокой частоты, но этот аппарат еще дороже. Собрать же схему преобразователя со специальными трансформаторами под силу только опытному электронщику…

• Сложность преобразования 50 Гц в высокочастотное напряжение практически перечеркивает стремления домашних аматоров обзавестись индукционным котлом или плавильной печью, работающей по этому принципу.

Почему индукционные котлы отсутствуют

По сравнению с обычными котлами, в которых используются ТЭНы, индукционные оказываются и дороже и сложнее при сходных потребительских качествах и одинаковом КПД.

• В обычном электрическом котле замена перегоревшегго ТЭНа обойдется копейки, а пожара он устроить не может, так как тен (нагреватель) перегорает в первую очередь и разъединяет тем самым цепь.

Преобразователь напряжения индукционной печи рассчитан на 2,0 кВт мощности. Но этой мощности даже для резервного котла маловато. Более мощный преобразователь на 4,0 – 13,0 кВт обойдется куда дороже. А сам котел большой мощности окажется уже громоздким и требования по безопасности, насчет перегрева и воспламенения, окажутся еще серьезнее.

Таким образом, самодельное изделие, работающее по принципу индукционного нагрева в 2 – 2,5 кВт мощностью годится лишь для эксперимента, с помощью которого можно убедиться, что электромагнитной индукцией нагреть стержень и воду действительно можно…

Дополнительную информацию о индукционных котлах, которые можно приобрести готовыми, сделанными в мастерских, – смотрите видео

 

 

алгоритм создания и преимущества оборудования

У владельцев частных домов есть немало вариантов оборудования системы отопления. Но чаще всего выбор падает на индукционные котлы. И это неудивительно, ведь подобная установка имеет ряд преимуществ. Внешне индукционный электрокотел чем-то напоминает трансформаторную установку. Нагревательные элементы отсутствуют. Нагрев воды происходит посредством электромагнитной индукции.

О том, что представляют собой котлы отопления электрические индукционные, какие они имеют достоинства и как изготовить их своими руками, и будет рассказано в данной статье.

Основные преимущества индукционных котлов

Высокая популярность котлов индукционного типа обусловлена их достоинствами. Среди основных можно назвать экономичность. Установка позволяет экономить электрическую энергию. Оборудовав систему обогрева с электрическим котлом, можно забыть о необходимости регулярного пополнения запасов топлива. Что не скажешь о системах с жидкотопливными и твердотопливными котлами.

Работают электрокотлы индукционные бесшумно. Прибор во время работы не выделяет вредных веществ и является экологически чистым. Достоинством можно назвать и то, что электрическая катушка изолирована и с теплоносителем не соприкасается. Это означает, что возможность возникновения протечки исключена.

Индукционный прибор отличается долговечностью и безопасностью.

К тому же такое оборудование можно довольно просто сделать своими силами.

Что нужно для изготовления котла?

Таким образом, преимуществ у котлов индукционного типа предостаточно. Но есть и один недостаток – высокая стоимость. Но этот недостаток можно легко исправить. Ведь сделать индукционный котел своими руками несложно.

Затраты на установку индукционного оборудования быстро окупаются за счет высокого КПД и электробезопасности.

Изготовив на индукционный котел своими руками чертежи можно без труда и в короткие сроки создать экономную и эффективную систему теплоснабжения дома.

Для того чтобы соорудить котел индукционного типа потребуются такие инструменты и материалы:

1. Инвертор сварочный. Он необходим для варки корпуса генератора теплоты. С его помощью также будут соединены подающие и отводящие трубопроводы.
2. Катанка либо проволока из стали для нагрева в электромагнитном поле. Диаметр — 7 мм. Длина должна быть 5 см.
3. Пластиковая труба для создания корпуса котла. Стенки трубы должны быть толстые.
4. Переходники. Они нужны для того, чтобы присоединить самодельный индукционный котел отопления к системе теплоснабжения.
5. Проволока из меди.
6. Сетка металлическая.

Таким образом, никаких специальных и дорогостоящих инструментов и материалов для создания индукционного прибора не требуется. Все необходимое оборудование и материалы наверняка есть у каждого хозяина. Изготовив на индукционный котел отопления своими руками чертежи, можно в итоге получить достаточно экономный в работе и дешевый в создании и установке теплогенератор.

Алгоритм создания индукционного котла

Подготовив все инструменты, материалы можно приступать к работе. Сначала может показаться, что изготовить индукционный котел самостоятельно непросто. Но на самом деле это совсем не сложно. Главное придерживаться алгоритма и соблюдать правила.

Для того чтобы изготовить котел на базе индукционной печки необходимо выполнить следующие работы:

• Взять трубу из пластика. Заполнить ее кусочками из нержавеющей стальной проволоки.
• Установить сетки на концах трубы. Это позволит избежать выхода проволоки из трубы.
• Равномерно намотать по всей длине трубы эмалированную медную проволоку. Необходимо сделать девяносто витков.
• Полученный котел установить в отопительную систему. Для этого использовать переходники. Нужно вырезать часть трубы обогревательной системы и в разрез установить индуктор. Приварить первый переходник к корпусу.
• Концы медной проволоки следует подключить к заранее приобретенному высокочастотному инвертору.
• Заполнить систему водой и включить готовый агрегат.

Чтобы работа оборудования была более безопасной, открытые участки медной катушки лучше изолировать. Выбирая изолятор, следует учитывать тепло- и электропроводность. О других самоделках для отопления можно прочитать здесь.

Самодельный индукционный котел — реальная действительность

Таким образом, индукционные котлы отопления своими руками изготавливаются очень просто. К тому же цена самодельного котла копеечная. Единственный недостаток такого агрегата – неказистый внешний вид и малые размеры. Но установив такой котел, можно сразу же почувствовать положительный эффект от его работы, скорость нагрева теплоносителя в отопительной сети существенно повышается.

Индукционный котел отопления своими руками: руководство, видео

Одна из основных задач, которая стоит перед каждым владельцем частного дома, – это обеспечение в нем тепла в холодное время года. Наибольшей популярностью пользуются газовые и электрокотлы. Вместе с тем, следует отметить, что отопление – это серьезная статья расходов, особенно это касается систем, которые основаны на электричестве. В целях экономии, можно рассмотреть вопрос об установке индукционного котла отопления, сделанного своими руками.

Устройства и принцип работы индукционного котла

Заводской индукционный котел.

Прежде чем приступить к созданию своими руками индукционной системы отопления частного дома, следует понять устройство самого котла. Основные компоненты, из которого он состоит, следующие:

1. Основной элемент – индуктор, который представляет собой своего рода трансформатор с двумя обмотками. Первичная располагается на сердечнике, где создается индукция электромагнитного поля. Вторичная обмотка, выполняющая роль корпуса котла, принимает вихревой поток, исходящий из первой обмотки, и отправляет энергию на теплоноситель.
2. Инвертор – преобразователь электроэнергии. Работа его заключается в приемке электроэнергии и преобразовании ее в высокочастотный ток, который передается на индуктор, в частности на первичную обмотку.
3. Элемент нагревания – может быть выполнен из металлической трубы, которая выполняет роль сердечника первичной обмоткой индуктора.
4. Патрубки – выполняют роль проводника теплоносителя от точки заполнения, распределяя его по всей системе.

Схема.

Процесс работы индукционного котла следующий:

1. По входному патрубку теплоноситель поступает в котел.
2. Подается высокочастотный ток за счет активации инвертора.
3. Верхняя обмотка нагревает сначала сердечник и постепенно – весь элемент нагревания.
4. Вырабатываемое тепло направляется на теплоноситель, нагревая его до необходимой температуры.
5. Гидростатическое давление заполняет горячим теплоносителем всю систему отопления.

Устройство и принцип работы индукционного котла достаточно просты, поэтому при самостоятельном его изготовлении проблем возникнуть не должно.

Для справки! В качестве теплоносителя в индукционных котлах используется жидкость, например, вода или антифриз. Благодаря отличным теплофизическим данным, этот теплоноситель используется в 70% отопительных систем.

Подготовка материалов

Блок питания для индукционного котла.

Чтобы в процессе работы не отвлекаться на поиск необходимых материалов и деталей, лучше подготовить их заблаговременно. Для изготовления индукционного котла понадобится следующее:

1. Пластиковая труба, которая будет выполнять роль корпуса насоса.
2. Проволока из нержавеющего металла или стальная для устройства нагревательного элемента.
3. Краны и переходники, чтобы осуществить подключение котла к отопительной системе.
4. Инвертор от сварочного аппарата, который безупречно преобразует поступающую электроэнергию в 220 вольт.
5. Циркуляционный насос, обеспечивающий бесперебойное движение теплоносителя по системе отопления.

Из инструментов необходимы только кусачки и плоскогубцы.

Основные этапы работ

Несмотря на то, что устройство индукционного котла несложное, все же стоит придерживаться определенного порядка работ. Процесс изготовления заключается в осуществлении следующих этапов:

1. При помощи кусачиков нарезать проволоку на прутки длиной 70 мм и плотно наполнить ими пластиковую трубу. Проволоку следует укладывать так, чтобы пустоты были минимальны.
2. Чтобы отрезки не выпали из трубы, ее торцы можно закрыть кусочками металлической сетки.
3. С обеих сторон пластиковой емкости вставляются патрубки для пропускания теплоносителя. Верхний будет использоваться для приема жидкости, а нижний – для ее отправки в отопительную систему.
4. На пластиковую трубу, заполненную отрезками проволоки, наматывается нить из меди. Следует обратить внимание, что количество витков намотки должно быть не менее 90. Концы медной проволоки крепятся к инвертору через установленные на нем разъемы.

На завершающем этапе следует смонтировать краны для соединения насоса с отопительной системой.

Для справки! Испытать изготовленный агрегат можно только при условии, что включен циркуляционный насос и система полностью заполнена жидкостью.

Преимущества индукционных насосов

Индукционные насосы имеют ряд достоинств, которые нельзя не отметить. К основным плюсам можно отнести следующие факторы:

1. Теплоноситель нагревается в течение 3 минут, при этом минимальная температура составляет около 35 градусов.
2. Вибрации магнитного поля препятствуют появлению накипи в отопительной системе.
3. Отсутствие теплопотерь, благодаря высокому КПД, поскольку весь объем поступающей энергии перерабатывается в тепло.
4. Оптимальное поддержание частоты переменного тока в 50 Гц.
5. Не требуется систематическое обслуживание, а также устройство дымохода, поскольку при работе котла не образуется вредных веществ сгорания.
6. Срок эксплуатации составляет около 30 лет.

Таким образом, выходит, что провести отопление можно и своими руками, а индукционные котлы являются отличной альтернативой другим типам отопительных котлов.

Процесс изготовления индукционного котла можно посмотреть на видео:

Индукционный нагреватель своими руками – схема, устройство, видео

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:

1. 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.
2. По той же причине элемент одинаково хорошо «дружит» со всеми видами теплоносителей – водой, антифризом и даже машинным маслом, разницы нет.
3. Внутренности индуктора не покрываются накипью в процессе эксплуатации.

Здесь сердечником служит посуда из магнитного металла

Примечание. С индукционными котлами связано множество мифов. Например, продавцы утверждают, что они экономичнее других электрических обогревателей на 10—20%, хотя в действительности КПД всех электрокотлов равен 98%. Список преимуществ ограничивается тремя вышеперечисленными пунктами, остальное – реклама.

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:

1. Внутрь трубы из полипропилена диаметром 40 мм и длиной 50 см наталкиваются металлические ершики для мытья посуды (можно рубленую проволоку — катанку). Они должны притягиваться магнитом.
2. К трубе припаиваются отводы с резьбами для подключения к отопительной сети.
3. Снаружи вдоль корпуса приклеиваются 4—5 стержней из текстолита. На них наматывается провод сечением 1.7—2 мм² со стеклоизоляцией, применяющийся в сварочных трансформаторах.
4. Варочная панель разбирается и «родной» индуктор плоской формы демонтируется. Вместо него подключается самодельный нагреватель из трубы.

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:

1. Инвертор выдает постоянный ток, а нужен переменный. Для подсоединения индукционного нагревателя аппарат придется разобрать и найти на схеме точки, где напряжение еще не выпрямлено.
2. Нужно взять провод большего сечения и подобрать число витков путем расчета. Как вариант, медную проволоку Ø1.5 мм в эмалевой изоляции.
3. 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:

1. Возьмите стальную профильную трубу 20 х 40 мм с толщиной стенки 2 мм и нарежьте из нее заготовок по ширине панели.
2. Сварите трубки между собой по длине, стыкуя меньшими сторонами.
3. Сверху и снизу к торцам герметично приварите железные крышки. Сделайте в них отверстия и поставьте патрубки с резьбами.
4. К одной из сторон прикрепите сваркой 2 уголка, чтобы они образовали полку для индукционной печки.
5. 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 заполнить систему теплоносителем, стравить воздух 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:

Выводы и рекомендации

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:

1. 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.
2. КПД индуктора ничуть не выше, чем у других электрических котлов. Но собрать нагреватель с ТЭНами гораздо проще.
3. 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.
4. Электроплиты оснащаются автоматикой безопасности, отключающих бытовой прибор спустя 1 или 2 часа работы. Это доставляет неудобство при эксплуатации.
5. 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.

Делаем индукционный котел своими руками: рекомендации по изготовлению

Устройство индукционного котла отопления

Вихревые индукционные котлы отопления — хорошее решение для обеспечения энергоэффективности дома, достижения тепла, комфорта и уюта. При наличии некоторого опыта можно сделать индукционный котел своими руками, сэкономив на приобретении дорогостоящей конструкции. При этом самодельный агрегат ничуть не будет уступать по своим техническим параметрам изделиям, представленным на рынке ведущими производителями.

Устройство котла

Прежде чем устанавливать котел, следует знать, что он потребует практически полной перестройки всей системы отопления в доме. Это касается как самодельных конструкций, так и покупных моделей. Агрегат работает по принципу электрического индуктора с первичной и вторичной обмотками.

В первичном контуре происходит преобразование электроэнергии в вихревые токи, создающие магнитное поле. Поле направляется на вторичную обмотку, являющуюся основным нагревательным элементом прибора. Здесь вырабатывается тепловая энергия, нагревающая теплоноситель.

Корпус включает в себя несколько компонентов:

• сердечник
• внешний контур
• электро- и теплоизоляцию

Как правило, корпус покупного агрегата имеет цилиндрическую обмотку, в то время как в самодельных конструкциях она тороидальная.

Принципиальная схема

Индукционные котлы характеризуются высоким КПД — до 97%, что и обеспечивает экономичность их эксплуатации. От традиционных агрегатов индукционные системы отличают следующие характеристики:

• Нагревание теплоносителя происходит в них дважды.
• Более короткий промежуток времени, необходимый для прогрева системы отопления.
• Защита от накипи на стенках котла и трубопроводов благодаря магнитной индукции.
• Простота эксплуатации и отсутствие сложного технического обслуживания.

Самодельные варианты

Составляющие элементы

Существует несколько вариантов конструкций, которые легко создать своими руками. В основе первого варианта лежит система из пластиковых труб и высокочастотный инвертор. Последний придется приобрести отдельно. Желательно, чтобы модель обладала функцией плавной регулировки тока. Минимальный показатель мощности — 15 ампер, но для качественного обогрева лучше выбирать более мощные варианты.

Нагреваемый элемент можно собрать из стальной катанки или проволоки диаметром 7 мм. Корпус индукционной катушки одновременно выполняет функцию части трубопровода и может изготавливаться из пластиковых толстостенных труб с внутренним диаметром около 50 мм.

К корпусу прикрепляются два патрубка. По одному из них к котлу подается холодный теплоноситель, а по другому отдается нагретая вода. Внутренняя часть корпуса полностью заполняется нагреваемым элементом. Торцы можно закрыть кусками стальной сетки.

Устройство в доме

Для того чтобы сделать индукционную катушку, пластиковую трубу тщательно обматывают медным проводом. После этого самодельное устройство монтируется в трубопровод. С этой целью просто вырезается кусок трубы, на место которого и будет вставлена катушка. Прежде чем подключать устройство, в систему необходимо залить теплоноситель — иначе корпус просто расплавится.

Еще один простой вариант, который легко сделать своими руками — это агрегат с трехфазным трансформатором. Две трубы свариваются между собой в форме кольца. Эта конструкция будет выполнять функцию нагревателя. На корпус наматывается обмотка. Подача и отвод теплоносителя, как и в предыдущем варианте, обеспечивается двумя патрубками. Всю конструкцию можно поместить в теплоизолирующий кожух, чтобы минимизировать потери тепла во время эксплуатации оборудования.

Индукционный котел обязательно должен быть заземлен. Устанавливать его можно только в закрытые сети отопления с принудительной циркуляцией. Он подходит для монтажа в системы с любым видом труб, включая пластиковые. При установке агрегата необходимо соблюдать расстояние не менее 30 см между котлом и стенами. От пола и потолка это расстояние должно быть не менее 80 см. Даже созданный своими руками индукционный котел можно оснастить дополнительной группой безопасности и автоматикой. Эта работа сложнее, но она обеспечит стабильное функционирование всей системы.

Промышленный или самодельный?

Модель Spec SAV-50

Рынок отопительного оборудования позволяет подобрать любую подходящую модель. Промышленные агрегаты могут существенно различаться между собой и по техническим параметрам, и по цене. Поскольку собрать такой котел своими руками очень просто, неизбежно возникает вопрос — стоит ли тратить средства на покупной прибор?

Обратите внимание! Покупать готовый котел стоит в том случае, если нет навыков, необходимых для работы. Несмотря на то, что собрать агрегат очень просто, ошибка может обойтись дополнительными затратами.

Еще одна ситуация, когда лучше отдать предпочтение покупным моделям — это необходимость обогрева большого помещения. Мощность котла рассчитывается исходя из соотношения 60 Вт на 1 кв. метр. А сделать самодельный агрегат высокомощным довольно сложно.

Когда целесообразнее самостоятельное изготовление?

Подключенная система

Делать котел своими руками целесообразно для домов с сезонным проживанием. Как правило, в таких зданиях устанавливается оборудование невысокой мощности, и нет нужды тратить огромные средства на покупку готовой модели. Затраты на изготовление прибора своими руками при этом минимальны.

Даже к самодельному агрегату легко подобрать дополнительные блоки автоматики, позволяющие устанавливать необходимые температурные параметры. Такое устройство позволит не просто задать нужные показатели на продолжительный срок, но и обеспечит удаленное управление всей системой отопления.

Заключение

Подведем итоги. Сделать своими руками не только простейший, но и более функциональный индукционный котел под силу любому домашнему мастеру. Затраты на изготовление такой конструкции минимальны, а эффективность по сравнению с другими видами отопительного оборудования огромна. Нет желания и возможности сделать такую работу? Всегда можно без труда подобрать подходящую модель на рынке.

Как сделать индукционный котел отопления своими руками: схема и описание

На фоне всеобщего подорожания, в том числе и энергоносителей, постоянно появляются новые, более эффективные способы использования традиционных источников энергии. Стремление максимально увеличить КПД не обошло стороной и разработчиков электронагревательных приборов. Одним из таких новаторских продуктов конструкторской мысли являются совсем недавно появившиеся на рынке вихревые индукционные котлы, которые, если верить производителям и разработчикам, на 30 % эффективнее используют электроэнергию, чем обычные водонагреватели со встроенным ТЕНом.

Всем хороши такие нагреватели теплоносителя, они экономны, компактны, бесшумны и безопасны. Однако цена заводского образца такова, что далеко не каждый себе может позволить его приобретение. Вот поэтому некоторые домашние умельцы стремятся изготовить из доступных материалов индукционный котел отопления своими руками. Тем более, что принцип работы, равно как и конструкция такого водонагревателя как бы не очень и сложна.

Как работает индукционный котел

Как было отмечено выше, конструкция индукционного котла достаточно проста.

Имеется спиралевидный контур, выполненный обычно из медной трубки, к которому подключен источник высокочастотного переменного тока.  Внутри обмотки расположена металлическая труба, которая с помощью переходных соединений включена в систему отопления. Металлический сердечник, коим, по сути, является в данном случае упомянутая труба, надежно отделена от обмотки слоем тепло- и электроизолирующего материала. Все это устройство включено в металлический корпус цилиндрической формы, который тоже отделен от медного контура слоем изолятора.

Читайте также: Чертежи для самодельного котла отопления частного дома! 

Теперь о принципе работы. В медной обмотке, при подключении к источнику тока с определенными характеристиками, возникают электромагнитные вихревые потоки, векторы которых направлены внутрь контура. Если в зону воздействия помещен какой-либо электропроводный материал (металл, например), магнитный вихрь заставляет его нагреваться, влияя на молекулярную структуру.

В нашем же случае, металлическая трубка, помещенная внутри медной обмотки, одновременно является теплообменником, отдавая энергию протекающему сквозь нее теплоносителю, который принудительно циркулирует благодаря насосу.

Ввиду использования электроэнергии таким способом, происходит значительная ее экономия, при этом срок службы такого теплообменника намного больше, чем у традиционного ТЕНа.

Как изготовить самодельный индукционный котел

Сделать в домашних условиях водонагреватель, работающий благодаря электромагнитной индукции, конечно же, можно. Однако стоит учесть, что прежде, чем приступить к его изготовлению, нужно произвести массу расчетов, которые под силу лишь тому, кто не понаслышке знает о том, что такое электротехника. Поэтому нужно трезво оценить свои познания в этой отрасли науки, так как электричество может не простить неудачные с ним эксперименты.

Для того, чтобы сделать простейший индукционный котел понадобятся такие материалы:

• отрезок толстостенной (3-5 мм) полиуретановой трубы 50 мм в диаметре;
• медная проволока 2 мм толщиной;
• нержавеющий пруток около 5 мм в сечении;
• металлическая нержавеющая сетка;
• сгоны и переходники для вышеупомянутого отрезка полимерной трубы.

В качестве источника высокочастотной электрической энергии здесь можно использовать сварочный аппарат с регулировкой характеристик исходящего тока.

Теперь схема сборки.

1. Имеющуюся медную проволоку намотать на пластиковую трубу в виде спирали. Количество и шаг витков зависит от длины трубы и желаемой мощности водонагревателя. Чем плотнее получится спиралевидный контур (соседние витки не должны касаться), тем большей мощности будет электромагнитный вихрь.
2. Концы обмотки надежно соединить с клеммами источника тока.
3. Нарезать нержавеющий прут фрагментами длиной около 5 см, и заложить внутрь полиуретановой трубы.
4. Саму трубу, прежде чем присоединять посредством переходников к системе отопления, необходимо с двух сторон отгородить нержавеющей сеткой.

Таким образом, имеем медный контур, изолятор в виде пластиковой трубы, и сердечник, в роли которого отрезки нержавеющего прутка. Теперь нужно обеспечить подачу воды с помощью насоса и включить источник переменного тока. Понятно, что при первом включении электроток должен быть небольшой силы, которую нужно добавлять по мере необходимости.

Естественно, что рассмотренная модель далека от совершенства и требований безопасности, поэтому применять ее для непосредственной эксплуатации вряд ли было бы разумно. Однако, сделав такой индукционный котел своими руками и затратив на это не так много времени и материалов, можно убедиться в том, что все это работает. А затем, при желании, можно придумать и воплотить какую-нибудь другую конструкцию вихревого водонагревателя, более совершенную и надежную.

Схема простого индукционного нагревателя своими руками

Этот замечательный небольшой проект демонстрирует принципы высокочастотной магнитной индукции и способы изготовления индукционного нагревателя. Схема очень проста в сборке и использует только несколько общих компонентов. С показанной здесь индукционной катушкой схема потребляет около 5 А от источника питания 15 В, когда наконечник отвертки нагревается. Кончик отвертки нагревается докрасна примерно за 30 секунд!

Схема управления использует метод, известный как ZVS (переключение при нулевом напряжении), для активации транзисторов, что позволяет эффективно передавать мощность.В схеме, которую вы видите здесь, транзисторы почти не нагреваются из-за метода ZVS. Еще одна замечательная особенность этого устройства заключается в том, что это саморезонансная система, которая автоматически работает на резонансной частоте подключенной катушки и конденсатора. Если вы хотите сэкономить время, в нашем магазине есть индукционный нагреватель. Возможно, вы все равно захотите прочитать эту статью, чтобы получить несколько полезных советов по правильной работе вашей системы.

Как работает индукционный нагрев?

Когда магнитное поле изменяется около металла или другого проводящего объекта, в материале индуцируется ток (известный как вихревой ток), который генерирует тепло.Вырабатываемое тепло пропорционально квадрату тока, умноженному на сопротивление материала. Эффекты индукции используются в трансформаторах для преобразования напряжений во всех видах приборов. Большинство трансформаторов имеют металлический сердечник, поэтому при использовании в них наведены вихревые токи. Разработчики трансформаторов используют разные методы, чтобы предотвратить это, поскольку нагрев — это просто пустая трата энергии. В этом проекте мы будем напрямую использовать этот эффект нагрева и постараемся максимизировать эффект нагрева, создаваемый вихревыми токами.

Если мы приложим непрерывно изменяющийся ток к катушке с проволокой, у нас будет постоянно изменяющееся магнитное поле внутри нее. На более высоких частотах индукционный эффект довольно силен и имеет тенденцию концентрироваться на поверхности нагреваемого материала из-за скин-эффекта. Типичные индукционные нагреватели используют частоты от 10 кГц до 1 МГц.

ОПАСНО: Данное устройство может создавать очень высокие температуры!

Схема

Используемая схема представляет собой тип коллекторного резонансного генератора Ройера, который имеет преимущества простоты и саморезонансной работы.Очень похожая схема используется в обычных схемах инвертора, используемых для питания люминесцентного освещения, такого как подсветка ЖК-дисплея. Они приводят в действие трансформатор с центральным ответвлением, который повышает напряжение примерно до 800 В для питания фонарей. В этой схеме самодельного индукционного нагревателя трансформатор состоит из рабочей катушки и нагреваемого объекта.

Основным недостатком этой схемы является то, что требуется катушка с отводом по центру, которую может быть немного сложнее намотать, чем обычный соленоид. Катушка с отводом по центру необходима, чтобы мы могли создать поле переменного тока из одного источника постоянного тока и всего двух транзисторов N-типа.Центр катушки подключается к положительному источнику питания, а затем каждый конец катушки попеременно подключается к земле транзисторами, так что ток будет течь вперед и назад в обоих направлениях.

Сила тока, потребляемого от источника питания, зависит от температуры и размера нагреваемого объекта.

Из этой схемы индукционного нагревателя видно, насколько он на самом деле прост. Всего несколько основных компонентов — это все, что нужно для создания рабочего индукционного нагревателя.

R1 и R2 — стандартные резисторы 240 Ом, 0,6 Вт. Значение этих резисторов будет определять, насколько быстро МОП-транзисторы могут включиться, и должно быть достаточно низким. Однако они не должны быть слишком маленькими, так как резистор будет заземлен через диод при включении противоположного транзистора.

Диоды D1 и D2 используются для разряда затворов MOSFET. Это должны быть диоды с низким прямым падением напряжения, чтобы затвор был хорошо разряжен, а полевой МОП-транзистор был полностью выключен, когда другой включен.Рекомендуются диоды Шоттки, такие как 1N5819, поскольку они имеют низкое падение напряжения и высокую скорость. Номинальное напряжение диодов должно быть достаточным, чтобы выдерживать повышение напряжения в резонансном контуре. В этом проекте напряжение выросло до 70 В.

Транзисторы T1 и T2 представляют собой полевые МОП-транзисторы на 100 В, 35 А (STP30NF10). Для этого проекта они были установлены на радиаторах, но при работе с указанными здесь уровнями мощности они почти не нагревались. Эти полевые МОП-транзисторы были выбраны из-за их низкого сопротивления сток-исток и малого времени отклика.

Катушка индуктивности L2 используется в качестве дросселя для предотвращения попадания высокочастотных колебаний в источник питания и для ограничения тока до приемлемого уровня. Значение индуктивности должно быть довольно большим (у нас было около 2 мГн), но оно также должно быть выполнено из достаточно толстого провода, чтобы пропускать весь ток питания. Если дроссель не используется или у него слишком малая индуктивность, цепь может перестать колебаться. Необходимое точное значение индуктивности будет зависеть от используемого блока питания и настройки катушки. Возможно, вам придется поэкспериментировать, прежде чем вы получите хороший результат.Показанный здесь был сделан путем наматывания примерно 8 витков магнитной проволоки толщиной 2 мм на тороидальный ферритовый сердечник. В качестве альтернативы вы можете просто намотать провод на большой болт, но вам понадобится гораздо больше витков провода, чтобы получить такую ​​же индуктивность, как у тороидального ферритового сердечника. Вы можете увидеть пример этого на фото слева. В нижнем левом углу вы можете увидеть болт, намотанный на множество витков провода оборудования. Эта установка на макетной плате использовалась при малой мощности для тестирования. Для большей мощности пришлось использовать более толстую проводку и все спаять вместе.

Поскольку компонентов было так мало, мы спаяли все соединения напрямую и не использовали печатную плату. Это также было полезно для выполнения соединений для сильноточных частей, поскольку толстый провод можно было напрямую припаять к клеммам транзистора. Оглядываясь назад, возможно, было бы лучше подключить индукционную катушку, прикрутив ее непосредственно к радиаторам на полевых МОП-транзисторах. Это связано с тем, что металлический корпус транзисторов также является выводом коллектора, а радиаторы могут помочь охладить катушку.

Конденсатор C1 и индуктор L1 образуют резонансный контур резервуара индукционного нагревателя. Они должны выдерживать большие токи и температуры. Мы использовали полипропиленовые конденсаторы емкостью 330 нФ. Более подробная информация об этих компонентах представлена ​​ниже.

Индукционная катушка и конденсатор

Катушка должна быть сделана из толстой проволоки или трубы, так как в ней будут протекать большие токи. Медная труба работает хорошо, так как токи высокой частоты в любом случае будут протекать в основном по внешним частям.Вы также можете прокачать по трубе холодную воду, чтобы она остыла.

Конденсатор должен быть подключен параллельно рабочей катушке, чтобы создать резонансный контур резервуара. Комбинация индуктивности и емкости будет иметь определенную резонансную частоту, на которой цепь управления будет работать автоматически. Используемая здесь комбинация катушка-конденсатор резонирует на частоте около 200 кГц.

Важно использовать конденсаторы хорошего качества, которые могут выдерживать большие токи и тепло, рассеиваемое внутри них, иначе они скоро выйдут из строя и разрушат вашу схему привода.Они также должны быть размещены достаточно близко к рабочей катушке и с использованием толстой проволоки или трубы. Большая часть тока будет протекать между катушкой и конденсатором, поэтому этот провод должен быть самым толстым. При желании провода, соединяющие цепь и источник питания, можно сделать немного тоньше.

Этот змеевик здесь был сделан из латунной трубы диаметром 2 мм. Его было просто наматывать и легко паять, но вскоре он начал деформироваться из-за чрезмерного нагрева. Затем повороты касаются друг друга, замыкаясь и делая его менее эффективным.Поскольку во время использования контур управления оставался относительно холодным, казалось, что его можно заставить работать на более высоких уровнях мощности, но необходимо будет использовать более толстую трубу или охлаждать ее водой. Затем установка была улучшена, чтобы выдерживать более высокий уровень мощности…

Продвигая дальше

Основным ограничением описанной выше схемы было то, что рабочая катушка через короткое время сильно нагрелась из-за больших токов. Чтобы в течение длительного времени иметь большие токи, мы сделали еще одну катушку, используя более толстую латунную трубку, чтобы вода могла прокачиваться, когда она работает.Более толстую трубу было труднее согнуть, особенно в центральной точке отвода. Перед сгибанием трубы необходимо было засыпать ее мелким песком, так как это предохраняет ее от защемления на крутых изгибах. Затем он был очищен сжатым воздухом.

Индукционная катушка была сделана из двух половин, как показано здесь. Затем они были спаяны вместе, и небольшой кусок трубы из ПВХ использовался для соединения центральных труб, чтобы вода могла течь через всю катушку.

В этой катушке было использовано меньше витков, чтобы она имела более низкий импеданс и, следовательно, выдерживала более высокие токи.Емкость также была увеличена, чтобы резонансная частота была ниже. Всего было использовано шесть конденсаторов по 330 нФ, что дало общую емкость 1,98 мкФ.

Кабели, соединяющиеся с катушкой, были просто припаяны к трубе около концов, оставляя место для установки какой-нибудь трубы из ПВХ.

Этот змеевик можно охладить, просто пропустив воду прямо из крана, но для отвода тепла лучше использовать насос и радиатор. Для этого старый насос для аквариума был помещен в ящик с водой, и к выпускному патрубку прилегала труба.Эта труба поступала на модифицированный кулер компьютерного процессора, в котором для отвода тепла использовались три тепловые трубы.

Кулер был преобразован в радиатор путем отрезания концов тепловых трубок, а затем их соединения с трубами PCV, чтобы вода протекала через все 3 тепловые трубки, прежде чем выйти и вернуться к насосу.

Если вы сами разрезаете тепловые трубки, делайте это в хорошо проветриваемом помещении, а не в помещении, поскольку они содержат летучие растворители, которые могут быть токсичными для дыхания. Вы также должны носить защитные перчатки, чтобы предотвратить контакт с кожей.

Этот модифицированный кулер для процессора был очень эффективным в качестве радиатора и позволял воде оставаться довольно прохладной.

Другие необходимые модификации заключались в замене диодов D1 и D2 на диоды, рассчитанные на более высокое напряжение. Мы использовали обычные диоды 1N4007. Это было связано с тем, что с увеличением тока в резонансном контуре наблюдалось большее повышение напряжения. Вы можете видеть на изображении здесь, что пиковое напряжение составляло 90 В (желтый график осциллографа), что также очень близко к номинальному значению транзисторов 100 В.

Используемый блок питания был настроен на 30 В, поэтому также необходимо было подавать напряжение на затворы транзистора через стабилизатор напряжения 12 В. Когда внутри рабочей катушки не было металла, она потребляла около 7 А. Когда был добавлен болт на фотографии, он поднялся до 10 А, а затем постепенно снова упал, когда он нагрелся до температуры выше Кюри. Для более крупных объектов он, безусловно, превышает 10А, но используемый блок питания имеет ограничение в 10А. Вы можете найти подходящий блок питания на 24 В, 15 А в нашем интернет-магазине.

Болт, который вы видите на фотографии раскаленным докрасна, потребовал около 30 секунд, чтобы достичь максимальной температуры.Отвертка на первом изображении теперь может нагреться докрасна примерно за 5 секунд.

Чтобы перейти на более высокую мощность, чем эта, необходимо использовать другие конденсаторы или их массив большего размера, чтобы ток распределялся между ними в большей степени. Это связано с тем, что протекающие большие токи и используемые высокие частоты могут значительно нагревать конденсаторы. Примерно через 5 минут использования на этом уровне мощности индукционный нагреватель DIY необходимо выключить, чтобы они могли остыть.Также необходимо использовать другую пару транзисторов, чтобы они могли выдерживать большие скачки напряжения.

Во всем этот проект оказался вполне удовлетворительным, так как дал хороший результат от простой и недорогой схемы. Как бы то ни было, он может быть полезен для закалки стали или для пайки мелких деталей. Если вы решили создать собственный проект индукционного нагревателя, разместите свои фотографии ниже. Пожалуйста, ознакомьтесь с другими комментариями, прежде чем делать свои собственные, поскольку это может сэкономить ваше время в дальнейшем.

Если вы хотите смоделировать этот проект для тестирования различных значений индуктивности или выбора транзисторов, загрузите LTSpice и запустите это моделирование самодельного индукционного нагревателя (щелкните правой кнопкой мыши, Сохранить как)

Насколько будет жарко?

Трудно сказать, насколько горячо вы сможете что-то получить, так как есть много параметров, которые необходимо учитывать. Различные материалы будут по-разному реагировать на индукционный нагрев, а их форма и размер будут влиять на то, как нагревание или отвод тепла в атмосферу.

Вы можете получить приблизительное представление, используя некоторые базовые вычисления по приведенной ниже формуле, или, если хотите, мы сделали удобный калькулятор мощности нагревателя, который может рассчитать это за вас. Эта форма включает в себя материалы (например, воду), которые нельзя нагревать напрямую с помощью индукционных нагревателей, но она по-прежнему полезна, если вы пытаетесь определить, например, мощность, необходимую для нагрева поддона с водой с помощью индукционного нагревателя.

ПРИМЕР: Насколько сильно нагреются 20 г стали за 30 секунд при нагревании с помощью нагревателя мощностью 300 Вт? (при условии, что 100 Вт потеряно для окружающей среды)

Формулы:
Q = m x Cp x ΔT
ΔT = Q ÷ m ÷ Cp

Рабочий:
(300Вт — 100Вт) x 30с = 6000Дж
6000Дж ÷ 20г ÷ 0.466Дж / г ° C = 643,78 ° C

Результат:
20 г стали нагреваются до температуры на 643,78 ° C при нагревании нагревателем мощностью 300 Вт в течение 30 секунд.

Поиск и устранение неисправностей

Если у вас возникли проблемы с тем, чтобы это работало, вот несколько советов, которые помогут устранить неполадки в вашем домашнем проекте индукционного нагревателя….

PSU (источник питания)
Если ваш PSU не может обеспечить большой скачок тока при включении индукционного нагревателя, он не будет колебаться. В этот момент напряжение источника питания упадет (хотя блок питания может этого не отображать), и это помешает правильному переключению транзисторов.Чтобы решить эту проблему, вы можете разместить несколько больших электролитических конденсаторов параллельно источнику питания. Когда они заряжены, они могут подавать в вашу цепь большой импульсный ток. Хорошим мощным источником питания будет наш БП на 24 В 15 А постоянного тока.

Дроссель (индуктор L2)
Ограничивает мощность индукционного нагревателя. Если ваш не колеблется, вам может потребоваться дополнительная индуктивность, чтобы предотвратить падение напряжения в вашем блоке питания. Вам нужно будет поэкспериментировать с необходимой вам индуктивностью. Лучше иметь слишком много, чем слишком мало, так как это только ограничит мощность нагревателя.Слишком мало может означать, что это вообще не сработает. Если у вас слишком маленький сердечник индуктора, сильный ток приведет к его насыщению и вызовет слишком большой ток, что может привести к повреждению вашей цепи.

Электропроводка
Соединительные провода должны быть короткими, чтобы уменьшить паразитную индуктивность и помехи. Длинные провода добавляют в цепь нежелательное сопротивление и индуктивность, что может привести к нежелательным колебаниям или снижению производительности. Наш кабель питания на 30 А отлично подходит для этого.

Компоненты
Выбранные транзисторы должны иметь низкое падение напряжения / сопротивление в открытом состоянии, в противном случае они перегреются или даже не позволят системе колебаться.Вероятно, IGBT не будут работать, но большинство полевых МОП-транзисторов с аналогичными характеристиками должны работать нормально. Конденсаторы должны иметь низкое ESR (сопротивление) и ESL (индуктивность), чтобы они могли выдерживать высокие токи и температуры. Диоды также должны иметь низкое прямое падение напряжения, чтобы транзисторы правильно отключались. Они также должны быть достаточно быстрыми, чтобы работать на резонансной частоте вашего индукционного нагревателя.

Включение питания
При включении не допускайте попадания металла в нагревательную спираль.Это может привести к более сильным скачкам тока, что может помешать возникновению колебаний, как упомянуто выше. Также не пытайтесь нагревать большое количество металла. Этот проект подходит только для небольших индукционных нагревателей. Если вы хотите контролировать или постепенно увеличивать мощность, вы можете использовать одну из наших схем импульсного модулятора мощности. Подробности смотрите в публикации 5108 ниже.

Мозг
Для безопасного выполнения этого проекта вам понадобится разумно работающий мозг. Создание индукционного нагревателя может быть очень опасным, поэтому, если вы новичок в электронике, вам следует попросить кого-нибудь помочь вам сделать это.Подходите к делу логически; Если он не работает, проверьте, что используемые компоненты не неисправны, проверьте правильность подключения, прочтите всю эту статью и все комментарии, выполните поиск в Google, если вы не понимаете какие-либо термины, или прочитайте наш раздел «Обучение электронике». Помните: горячее обожжет вас и может поджечь; Электричество может убить вас электрическим током, а также вызвать пожар. Безопасность превыше всего.

Самодельный индукционный нагреватель Схема DIY

Схема индукционного нагревателя

Как работают эти индукционные нагреватели? Мы рассмотрим схему и шаг за шагом объясним, как создается колебательный сигнал, как индуцируется ток и как нагревается металл.Наконец, мы используем эту схему и устанавливаем самодельную версию и смотрим, работает ли она на нагрев некоторых металлов. Так что посмотрим …

ЧАСТЬ 1 — Коммерческий модуль

Во-первых, чтобы узнать и сопоставить сигналы, я купил один из этих коммерческих модулей индукционного нагревателя. Этот рекламируется как 1000Вт mdoule. Мы можем видеть несколько огромных конденсаторов, несколько катушек и еще несколько компонентов, а на выходе — огромную катушку из толстой медной проволоки. Эта выходная катушка создаст мощное колебательное магнитное поле, которое будет нагревать металлы, и мы увидим, как это сделать.Я делаю еще одну катушку из медного провода и помещаю ее рядом с катушкой индукционного нагревателя, и, как вы можете видеть на осциллографе, у нас есть колебательный сигнал около 100 МГц.

Чтобы понять, как этот модуль нагревает металлы, нам нужно понять 3 вещи. Во-первых, как магнитные поля могут индуцировать токи внутри металлов и обратный процесс, как токопроводящие провода будут создавать магнитные поля. Затем нам нужно увидеть, как резонанс этих катушек и конденсаторов будет создавать высокочастотные сигналы и, наконец, как ток будет нагревать металлы.Как вы можете видеть ниже, после включения модуля эти высокочастотные и мощные колебания нагревают металл до ярко-красного цвета всего за несколько секунд.

ЧАСТЬ 2 — Закон Фарадея

Закон индукции Фарадея — это основной закон электромагнетизма, предсказывающий, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая явление электродвижущей силы, называемое электромагнитной индукцией. Это основной принцип работы трансформаторов, индукторов и многих типов электродвигателей, генераторов и соленоидов.Таким образом, движущийся магнит будет создавать изменения магнитного потока внутри катушки, и тем самым мы можем индуцировать ток внутри катушки. Но что еще могло создать магнитное поле?

Что ж, еще один компонент, помимо amgnet, который также создает магнитные поля, — это катушка. Да, катушка может производить обратный процесс индукции тока. Если мы подаем ток через катушку, будет создано магнитное поле, поэтому нам не нужны магниты. Катушка могла создавать магнитное поле и наводить ток во второй катушке, как трансформаторы.Итак, теперь мы знаем, как индуцировать ток, и этот ток будет нагревать наш металл. Ниже вы можете увидеть, как я передаю сигнал от одной катушки к другой.

ЧАСТЬ 3 — Частота резонанса

В этом примере мы будем использовать параллельно катушку и конденсатор. Это называется резервуаром LC, и если мы ударим по нему электроникой, он будет резонировать на своей резонансной частоте. Итак, если я приложу небольшой импульс напряжения, и они отключат соединение, это создаст быстро осциллирующий сигнал.Я подключаю конденсатор и катушку параллельно и очень быстро касаюсь одним кабелем с напряжением 12 В к этому резервуару LC. Посмотрите ниже, что происходит. После прикосновения к резервуару LC я получаю на осциллографе первый осциллирующий сигнал, который медленно затухает. Итак, теперь мы получаем наши высокочастотные и мощные колебания, которые позже индуцируют ток внутри металла. Но наша схема работает немного иначе. Для этого давайте взглянем на схему базового и простого модуля индукционного нагревателя.

ЧАСТЬ 4 — Схема

В этом примере мы будем использовать параллельно катушку и конденсатор.Это называется резервуаром LC, и если мы ударим по нему электроникой, он будет резонировать на своей резонансной частоте. Итак, если я приложу небольшой импульс напряжения, и они отключат соединение, это создаст быстро осциллирующий сигнал. Я подключаю конденсатор и катушку параллельно и очень быстро касаюсь одним кабелем с напряжением 12 В к этому резервуару LC. Посмотрите ниже, что происходит. После прикосновения к резервуару LC я получаю на осциллографе первый осциллирующий сигнал, который медленно затухает. Итак, теперь мы получаем наши высокочастотные и мощные колебания, которые позже индуцируют ток внутри металла.Но наша схема работает немного иначе. Для этого давайте взглянем на схему базового и простого модуля индукционного нагревателя.

Итак, как вы можете видеть на схеме выше, у нас на выходе 3 катушки. Пока не обращайте внимания на катушку L3, потому что это будет выходная катушка, которая будет создавать магнитное поле. У нас есть 2 катушки, L1 и L2, и один конденсатор, C1. У нас будет резонанс, как и раньше, но на этот раз он будет другим и никогда не прекратится. Как вы можете видеть, у нас также есть два диода, D1 и D2, которые подключены к затвору двух транзисторов, T1 и T2.Когда сигнал сначала колеблется на C1, на одной стороне C1 будет положительное напряжение, а на другой стороне C1 — отрицательное напряжение. Таким образом, один диод будет пропускать ток, а другой — нет. Таким образом, один транзистор будет включен, а другой выключен. Но буквально через мгновение из-за этого процесса полярность на C1 изменится, и это активирует второй транзистор и выключит другой. И этот процесс будет повторяться снова и снова, и это изменит поток тока внутри катушки L3, потому что, как вы можете видеть, один enf этой катушки подключен к 15 В, а другой конец будет подключен к отрицательному или положительному, и тем самым будет создаваться колебательный ток.Это создаст колеблющееся магнитное поле.

Помогите мне, поделившись этим постом

Змеевики индукционного нагрева — компоненты индукционного нагрева

Элементы индукционного нагрева

Типичная система индукционного нагревателя включает источник питания, цепь согласования импеданса, цепь резервуара и аппликатор. Аппликатор, представляющий собой индукционную катушку, может быть частью цепи резервуара. Цепь резервуара обычно представляет собой параллельный набор конденсаторов и индукторов.Конденсатор и индуктор в цепи резервуара являются резервуарами электростатической энергии и электромагнитной энергии соответственно. На резонансной частоте конденсатор и катушка индуктивности начинают передавать накопленную энергию друг другу. В параллельной конфигурации это преобразование энергии происходит при большом токе. Большой ток через катушку способствует хорошей передаче энергии от индукционной катушки к заготовке.

Щелкните здесь, чтобы узнать о , что такое индукционные катушки и как они работают, а также о различных типах катушек .

а) Источник питания

Источники питания — одна из важнейших частей системы индукционного нагревателя. Обычно они оцениваются по диапазону рабочих частот и мощности. Существуют различные типы индукционных источников питания, которые включают источники сетевой частоты, умножители частоты, мотор-генераторы, преобразователи искрового разрядника и твердотельные инверторы. Твердотельные инверторы имеют наибольшую эффективность среди источников питания.

Типичный твердотельный инверторный источник питания состоит из двух основных частей; Выпрямитель и инвертор.Линейные переменные токи преобразуются в постоянный в выпрямительной секции с помощью диодов или тиристоров. Постоянный ток поступает в инвертор, где твердотельные переключатели, такие как IGBT или MOSFET, преобразуют его в ток, на этот раз с высокой частотой (обычно в диапазоне 10–600 кГц). Согласно диаграмме ниже, IGBT могут работать на более высоком уровне мощности и более низкой частоте по сравнению с MOSFET, работающими на более низком уровне мощности и более высоких частотах.

b) Согласование импеданса

Источники питания для индукционного нагрева, как и любое другое электронное устройство, имеют максимальные значения напряжения и тока, которые нельзя превышать.Чтобы передать максимальную мощность от источника питания к нагрузке (заготовке), полное сопротивление источника питания и нагрузки должно быть как можно ближе. Таким образом, значения мощности, напряжения и тока могут одновременно достигать своих максимально допустимых пределов. Для этого в индукционных нагревателях используются схемы согласования импеданса. В зависимости от применения могут использоваться различные комбинации электрических элементов (например, трансформаторы, регулируемые катушки индуктивности, конденсаторы и т. Д.).

c) Резонансный резервуар

Резонансный бак в системе индукционного нагрева обычно представляет собой параллельный набор конденсатора и индуктора, который резонирует на определенной частоте.Частота получается по следующей формуле:

где L — индуктивность индукционной катушки, а C — емкость. Согласно анимации ниже, явление резонанса очень похоже на то, что происходит в качающемся маятнике. В маятнике кинетическая и потенциальная энергии преобразуются друг в друга, пока он колеблется от одного конца к другому. Движение затухает из-за трения и других механических потерь. В резонансном резервуаре энергия, обеспечиваемая источником питания, колеблется между индуктором (в форме электромагнитной энергии) и конденсатором (в форме электростатической энергии).Энергия затухает из-за потерь в конденсаторе, катушке индуктивности и заготовке. Потери в заготовке в виде тепла желательны и предназначены для индукционного нагрева.

Сам резонансный бак состоит из конденсатора и индуктора. Блок конденсаторов используется для обеспечения необходимой емкости для достижения резонансной частоты, близкой к мощности источника питания. На низких частотах (ниже 10 кГц) используются масляные конденсаторы, а на более высоких частотах (более 10 кГц) используются керамические или твердые диэлектрические конденсаторы.

г) Индукторы индукционного нагревателя

Что такое индукционные катушки и как они работают?

Катушка индукционного нагрева представляет собой медную трубку особой формы или другой проводящий материал, через который пропускается переменный электрический ток, создавая переменное магнитное поле. Металлические части или другие проводящие материалы помещаются внутри, через катушку индукционного нагрева или рядом с ней, не касаясь катушки, и создаваемое переменное магнитное поле вызывает трение внутри металла, вызывая его нагрев.

Как работают индукционные катушки?

При проектировании катушки необходимо учитывать некоторые условия:

1. Для увеличения эффективности индукционных нагревателей расстояние между катушкой и заготовкой должно быть минимизировано. Эффективность связи между катушкой и заготовкой обратно пропорциональна квадратному корню из расстояния между ними.

2. Если деталь расположена в центре спиральной катушки, она будет лучше всего связана с магнитным полем.Если он смещен по центру, область заготовки, расположенная ближе к виткам, будет получать больше тепла. Этот эффект показан на рисунке ниже.

3. Кроме того, позиция рядом с соединением выводов и катушки имеет более слабую плотность магнитного потока, поэтому даже центр внутреннего диаметра спиральной катушки не является центром индукционного нагрева.

4. Следует избегать эффекта отмены (рисунок слева). Это происходит, когда раскрытие катушки очень мало. Добавление петли в катушку поможет обеспечить необходимую индуктивность (рисунок справа).Индуктивность индуктора определяет способность этого индуктора накапливать магнитную энергию. Индуктивность можно рассчитать по следующей формуле:

.

где ε — электродвижущая сила, а dI / dt — скорость изменения тока в катушке. Сам по себе ε равен скорости изменения магнитного потока в катушке (- dφ / dt), где магнитный поток φ может быть рассчитан из NBA, где N — количество витков, B — магнитное поле и A — площадь индуктор. Следовательно, индуктивность будет равна:

.

Очевидно, что величина индуктивности линейно пропорциональна площади индуктора.Следовательно, необходимо учитывать минимальное значение для контура индуктора, чтобы он мог накапливать магнитную энергию и передавать ее индукционной заготовке.

Эффективность катушки

КПД змеевика определяется следующим образом:

В таблице ниже показаны типичные значения КПД различных катушек:

Модификация катушки по заявке

В некоторых случаях нагревательный объект не имеет однородного профиля, но требует равномерного нагрева.В этих случаях необходимо изменить поле магнитного потока. Для этого есть два типичных метода. Один из способов — развязать витки там, где деталь имеет большее поперечное сечение (при использовании спиральной катушки). Более распространенный метод — увеличить расстояние между обмотками в тех областях, где поперечное сечение детали больше. Оба метода показаны на рисунке ниже.

Такая же ситуация происходит при нагреве плоских поверхностей большими змеевиками. Центральная зона получит излишнее тепло.Чтобы избежать этого, зазор между поверхностью катушки и плоским предметом будет увеличен путем придания катушке блина конической формы.

Змеевик с футеровкой используется в приложениях, где требуется широкая и однородная зона нагрева, но мы не хотим использовать большие медные трубки. Лайнер представляет собой широкий лист, который прихваткой припаян к гибкой трубе как минимум в двух точках. Остальная часть стыка будет припаяна только для обеспечения максимальной теплопередачи. Также синусоидальный профиль поможет увеличить охлаждающую способность змеевика.Такая катушка изображена на рисунке ниже.

По мере увеличения длины нагрева необходимо увеличивать количество витков, чтобы сохранить равномерность нагрева.

Схема нагрева меняется в зависимости от изменения формы заготовки. Магнитный поток имеет тенденцию накапливаться на краях, порезах или вмятинах на нагреваемом объекте, вызывая тем самым более высокую скорость нагрева в этих областях. На рисунке ниже показан «краевой эффект», когда змеевик находится выше края нагревательного элемента, и в этой области происходит чрезмерный нагрев.Чтобы этого не произошло, катушку можно опустить ниже, ровно или немного ниже края.

Индукционный нагрев дисков также может вызвать чрезмерный нагрев кромок, как показано на рисунке ниже. Края нагреваются сильнее. Высота катушки может быть уменьшена, или концы катушки могут быть сделаны с большим радиусом для отделения от края заготовки.

Острые углы прямоугольных катушек могут вызвать более глубокий нагрев детали.Разделение углов катушки, с одной стороны, снизит скорость нагрева угла, но, с другой стороны, снизит общую эффективность индукционного процесса.

Одним из важных моментов, которые следует учитывать при проектировании многопозиционных катушек, является влияние соседних катушек друг на друга. Чтобы сохранить максимальную мощность нагрева каждой катушки, расстояние между центрами соседних катушек должно быть как минимум в 1,5 раза больше диаметра катушки.

Разделенные индукторы используются в приложениях, где требуется тесная связь, а также невозможно извлечь деталь из катушки после процесса нагрева.Важным моментом здесь является обеспечение очень хорошего электрического контакта в месте соединения шарнирных поверхностей. Обычно для обеспечения наилучшего электрического контакта с поверхностью используется тонкий слой серебра. Разделенные части змеевиков будут охлаждаться с помощью гибкого водяного шланга. Автоматическое пневматическое сжатие часто используется для закрытия / открытия змеевика, а также для обеспечения необходимого давления в шарнирной области.

Типы нагревательных змеевиков

Катушка для блинов с двойной деформацией

В таких применениях, как нагрев наконечника валов, достижение однородности температуры может быть затруднено из-за эффекта компенсации в центре поверхности наконечника.Двойной деформированный змеевик для блинов с обработанными сторонами, подобный схеме ниже, можно использовать для достижения равномерного профиля нагрева. Следует обратить внимание на направление двух блинов, в которых центральные обмотки намотаны в одном направлении и имеют дополнительный магнитный эффект.

Катушка с раздельным возвратом

В таких применениях, как сварка узкой ленты на одной стороне длинного цилиндра, где относительно большая длина должна нагреваться значительно выше, чем другие области объекта, обратный путь тока будет иметь значение.При использовании катушки типа Split-Return большой ток, индуцируемый на пути сварки, будет разделен на две части, которые будут еще шире. Таким образом, скорость нагрева на сварочном пути как минимум в четыре раза выше, чем у остальных частей объекта.

Канальные катушки Катушки

канального типа используются, если время нагрева невелико, а также требуются довольно низкие удельные мощности. Несколько нагревательных частей проходят через змеевик с постоянной скоростью и достигают максимальной температуры при выходе из машины.Концы катушки обычно согнуты, чтобы обеспечить путь для входа и выхода деталей из катушки. Там, где требуется обогрев профиля, можно использовать пластинчатые концентраторы с многооборотными канальными змеевиками.

Квадратная медная трубка

имеет два основных преимущества по сравнению с круглой трубкой: а) поскольку она имеет более плоскую поверхность, «смотрящую» на заготовку, она обеспечивает лучшую электромагнитную связь с нагревательной нагрузкой и б) конструктивно легче выполнять повороты. с квадратными трубками, а не с круглыми.

Конструкция выводов индукционных катушек

Конструкция выводов: выводы являются частью индукционной катушки, и хотя они очень короткие, они имеют конечную индуктивность. В общем, на приведенной ниже схеме показана принципиальная электрическая схема тепловой станции системы индукционных агрегатов. C — резонансный конденсатор, установленный в тепловой станции, L_lead — это общая индуктивность выводов катушки, а L_coil — индуктивность индукционной катушки, связанной с нагревательной нагрузкой. V_total — это напряжение, подаваемое от индукционного источника питания на тепловую станцию, V_lead — это падение напряжения на индуктивности вывода, а V_coil — это напряжение, которое будет приложено к индукционной катушке.Общее напряжение складывается из напряжения на выводах и индукционной катушке:

V_lead представляет собой величину общего напряжения, занятого выводами, и не оказывает никакого полезного индукционного воздействия. Задача дизайнера — минимизировать это значение. V_lead можно рассчитать как:

Из приведенных выше формул очевидно, что для минимизации значения V_lead индуктивность выводов должна быть в несколько раз меньше индуктивности индукционной катушки (L_lead≪L_coil).

Уменьшение индуктивности свинца: На низких частотах, обычно из-за использования катушек с высокой индуктивностью (многооборотные и / или с большим внутренним диаметром), L_lead намного меньше, чем L_coil. Однако, поскольку количество витков и общий размер катушки уменьшается для высокочастотных индукторов, становится важным применять специальные методы для минимизации индуктивности выводов. Ниже приведены два примера для этого.

Концентраторы потока: Когда магнитный материал помещается в окружающую среду, включая магнитные поля, из-за низкого магнитного сопротивления (сопротивления) они имеют тенденцию поглощать линии магнитного потока.Способность поглощать магнитное поле количественно оценивается относительной магнитной проницаемостью. Это значение для воздуха, меди и нержавеющей стали равно единице, но для мягкой стали может доходить до 400, а для железа — до 2000. Магнитные материалы могут сохранять свою магнитную способность до температуры Кюри, после чего их магнитная проницаемость падает до единицы и они больше не будут магнитными.

Концентратор потока — это материал с высокой проницаемостью и низкой электропроводностью, который предназначен для использования в конструкции катушек индукционного нагревателя для увеличения магнитного поля, приложенного к нагревающей нагрузке.На рисунке ниже показано, как размещение концентратора потока в центре блинной катушки будет концентрировать силовые линии магнитного поля на поверхности катушки. Таким образом, материалы, помещенные поверх змеевика для блинов, лучше соединятся и получат максимальный нагрев.

Влияние концентратора потока на плотность тока в индукционной катушке показано на рисунке ниже. Большая часть тока будет сосредоточена на поверхности, не покрытой концентратором флюса.Следовательно, змеевик может быть сконструирован таким образом, что только сторона змеевика, обращенная к нагревательной нагрузке, останется без материалов концентратора. В электромагнетизме это называется щелевым эффектом. Щелевой эффект значительно увеличит эффективность змеевика, и для нагрева потребуется более низкий уровень мощности.

Артикул:

• С. Зинн и С. Л. Семятин, «Элементы индукционного нагрева, проектирования, управления и приложений», A S M International, ISBN-13: 9780871703088, 1988

Принципиальная схема, работа и применение

Принцип индукционного нагрева используется в производственных процессах с 1920-х годов.Как уже было сказано, необходимость — мать изобретений, во время Второй мировой войны необходимость в быстром процессе упрочнения деталей металлического двигателя привела к быстрому развитию технологии индукционного нагрева. Сегодня мы видим применение этой технологии в наших повседневных потребностях. В последнее время потребность в улучшенном контроле качества и безопасных производственных технологиях снова привлекла внимание к этой технологии. С помощью современных передовых технологий внедряются новые и надежные методы реализации индукционного нагрева.

Что такое индукционный нагрев?

Принцип работы процесса индукционного нагрева представляет собой комбинированный рецепт электромагнитной индукции и джоулева нагрева. Индукционный нагрев — это бесконтактный процесс нагрева электропроводящего металла путем создания в нем вихревых токов с использованием принципа электромагнитной индукции. Поскольку генерируемый вихревой ток течет против удельного сопротивления металла, по принципу джоулева нагрева в металле генерируется тепло.

Индукционный нагрев

Как работает индукционный нагрев?

Знание закона Фарадея очень полезно для понимания работы индукционного нагрева. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменение электрического поля в проводнике вызывает вокруг него переменное магнитное поле, сила которого зависит от величины приложенного электрического поля. Этот принцип работает и наоборот, когда в проводнике изменяется магнитное поле.

Итак, вышеуказанный принцип используется в процессе индукционного нагрева.Здесь твердотельный источник питания с высокочастотной частотой подается на катушку индуктивности, а нагреваемый материал помещается внутри катушки. Когда через катушку пропускают переменный ток, вокруг нее создается переменное магнитное поле в соответствии с законом Фарадея. Когда материал, помещенный внутри индуктора, попадает в диапазон этого переменного магнитного поля, в материале генерируется вихревой ток.

Теперь соблюдается принцип джоулева нагрева. В соответствии с этим при прохождении тока через материал в нем выделяется тепло.Таким образом, когда в материале генерируется ток из-за индуцированного магнитного поля, протекающий ток выделяет тепло изнутри материала. Этим объясняется процесс бесконтактного индукционного нагрева.

Индуктивный нагрев металла

Схема цепи индукционного нагрева

Установка, используемая для процесса индукционного нагрева, состоит из высокочастотного источника питания для подачи переменного тока в цепь. Медная катушка используется в качестве индуктора, и к ней подается ток. Нагреваемый материал помещается внутрь медного змеевика.

Типовая установка для индукционного нагрева

Изменяя силу подаваемого тока, мы можем контролировать температуру нагрева. Поскольку вихревой ток, возникающий внутри материала, течет противоположно удельному электрическому сопротивлению материала, в этом процессе наблюдается точный и локализованный нагрев.

Помимо вихревых токов, в магнитных частях также выделяется тепло из-за гистерезиса. Электрическое сопротивление, создаваемое магнитным материалом по отношению к изменяющемуся магнитному полю внутри индуктора, вызывает внутреннее трение.Это внутреннее трение создает тепло.

Поскольку процесс индукционного нагрева является процессом бесконтактного нагрева, нагреваемый материал может находиться вдали от источника питания или погружен в жидкость, или в любую газообразную среду, или в вакуум. Для этого типа нагрева не требуются дымовые газы.

Факторы, которые необходимо учитывать при проектировании системы индукционного нагрева

Есть несколько факторов, которые следует учитывать при проектировании системы индукционного нагрева для любого типа применения.

• Обычно индукционный нагрев используется для металлов и токопроводящих материалов. Непроводящий материал можно нагревать напрямую.
• При нанесении на магнитные материалы тепло генерируется как вихревыми токами, так и эффектом гистерезиса магнитных материалов.
• Маленькие и тонкие материалы нагреваются быстрее по сравнению с большими и толстыми материалами.
• Чем выше частота переменного тока, тем меньше глубина проплавления.
• Материалы с более высоким удельным сопротивлением быстро нагреваются.
• Индуктор, в который помещается нагревательный материал, должен позволять легко вставлять и удалять материал.
• При расчете мощности источника питания необходимо учитывать удельную теплоемкость нагреваемого материала, массу материала и требуемое превышение температуры.
• Потери тепла из-за теплопроводности, конвекции и излучения также следует принимать во внимание при выборе мощности источника питания.

Формула индукционного нагрева

Глубина, на которую проникает вихревой ток в материал, определяется частотой индуктивного тока.Для токоведущих слоев эффективная глубина может быть рассчитана как

D = 5000 √ρ / µf

Здесь d означает глубину (см), относительная магнитная проницаемость материала обозначена как µ, ρ — удельное сопротивление материала в Ом-см, f указывает частоту переменного тока в Гц.

Конструкция змеевика индукционного нагрева

Катушка, используемая в качестве индуктора, к которому подается питание, бывает различных форм.Наведенный ток в материале пропорционален количеству витков в катушке. Таким образом, для эффективности и действенности индукционного нагрева важна конструкция катушки.

Обычно индукционные катушки представляют собой медные проводники с водяным охлаждением. В зависимости от наших приложений используются катушки различной формы. Чаще всего используется многооборотная спиральная катушка. Для этой катушки ширина диаграммы нагрева определяется количеством витков в катушке. Однооборотные катушки полезны в тех случаях, когда требуется нагрев узкой полосы заготовки или кончика материала.

Многопозиционный спиральный змеевик используется для нагрева нескольких деталей. Блинный змеевик используется, когда требуется нагреть только одну сторону материала. Внутренний змеевик используется для нагрева внутренних отверстий.

Области применения индукционного нагрева

• Целенаправленный нагрев для поверхностного нагрева, плавления и пайки возможен с помощью процесса индукционного нагрева.
• Кроме металлов, нагрев жидких и газообразных проводов возможен с помощью индукционного нагрева.
• Для нагрева кремния в полупроводниковой промышленности используется принцип индукционного нагрева.
• Этот процесс используется в индукционных печах для нагрева металла до температуры плавления.
• Поскольку это бесконтактный процесс нагрева, вакуумные печи используют этот процесс для производства специальной стали и сплавов, которые могут окисляться при нагревании в присутствии кислорода.
• Процесс индукционного нагрева используется для сварки металлов, а иногда и пластмасс, когда они легированы ферромагнитной керамикой.
• Индукционные плиты, используемые на кухне, работают по принципу индукционного нагрева.
• Для пайки твердым припоем к валу используется процесс индукционного нагрева.
• Для герметизации крышек бутылок и фармацевтических препаратов с защитой от несанкционированного доступа используется процесс индукционного нагрева.
• Машина для моделирования впрыска пластмасс использует индукционный нагрев для повышения энергоэффективности впрыска.

Для обрабатывающей промышленности индукционный нагрев обеспечивает мощный пакет стабильности, скорости и контроля.Это аккуратный, быстрый и экологически чистый процесс нагрева. Потери тепла, наблюдаемые при индукционном нагреве, могут быть решены с помощью закона Ленца. Этот закон показал способ продуктивного использования тепловых потерь, возникающих в процессе индукционного нагрева. Какое из применений индукционного нагрева вас поразило?

Схема простого индукционного нагревателя

Идея предлагаемой схемы простого индукционного нагревателя проста. Катушка генерирует высокочастотный магнитный поток, а затем металлические предметы в катушке создают вихревые токи, которые могут нагревать ее.

Просадки гистерезиса дополнительно способствуют нагреву. Возможно, даже для такой катушки меньшего размера, как эта, обычно используется ток около 100 А, следовательно, в случае с катушкой вы обнаружите резонансную емкость, которая составляет их индуктивный характер.

Цепь катушка-конденсатор должна получать питание на их резонансной частоте. Ток мотивации значительно меньше, чем ток по всей катушке. Источником питания является простой полумост MOSFET, регулируемый схемой IR2153.МОП-транзисторы имеют компактный радиатор.

Управляющая частота настраивается на резонанс с помощью потенциометра. Резонанс определяется неоновой лампочкой. Частоту можно было регулировать в диапазоне примерно от 20 до 200 кГц.

Для схемы управления требуется вспомогательное напряжение 12-15 В постоянного тока. Я буду использовать небольшой источник питания для настенной розетки, но просто потому, что можно использовать всего несколько мА, не стесняйтесь использовать осаждающий резистор или конденсатор.

В основном из-за того, что выходной драйвер не может быть напрямую связан, вы можете последовательно найти дополнительный дроссель.Он включает около двадцати витков диаметром 1,5 мм на ферритовом сердечнике 8×10 мм, а также прочность может быть определена путем изменения воздушного зазора.

Индукционный нагрев работает напрямую от электросети. Он будет использовать двухполупериодное выпрямленное напряжение без фильтрующего электролитического конденсатора. Лампочка подключается последовательно, чтобы уменьшить ток и помочь сохранить схему в случае ошибки, перегрузки или нежелательной работы.
Рабочая катушка индукционного нагрева должна быть из прочной медной проволоки или, что более желательно, из медной трубки и иметь примерно 12–30 витков на диаметре 3–10 см.

Резонансный конденсатор — результат большой силы тока, создаваемой многочисленными (как минимум 6) конденсаторами. В моем примере катушка имеет 26 витков, а конденсаторы — 6 x 330n 250V ~.

Вместе очень сильно нагреваются после длительной работы. Резонансная частота составляет примерно 29 кГц. Мой резонансный контур построен быстро, с добавлением метода проб и ошибок можно достичь значительно лучших конечных результатов.

Это действительно мой первый опыт работы с простой схемой индукционного нагревателя

(PDF) КОНСТРУКЦИЯ РЕЗОНАНСНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ 500 Вт

Конструкция резонансного индукционного нагревателя мощностью 500 Вт, B.S. Sazak

Mühendislik Bilimleri Dergisi 1999 5 (1) 871-878 872 Journal of Engineering Sciences 1999 5 (1) 871-878

расходные материалы с использованием твердотельных устройств в индукционной

Отрасль нагрева значительно выросла за прошлое время

лет и хорошо изучен (Okeke, 1978;

Bonert and Lavers, 1994).

Для эффективной работы системы индукционного нагрева

во время операций нагрева или плавления конструкция системы

должна удовлетворять некоторым из следующих требований

:

• Система должна быть способна работать при любой нагрузке

состояние.Пустой, полный, холодный, полный горячий или любая промежуточная ситуация

.

• Гармонические токи, потребляемые от сети

, должны быть низкими.

• Система должна иметь достаточный допуск к

, чтобы выдерживать помехи или колебания входного источника питания

.

• Очень частые запуск и остановка

должны быть возможны без какого-либо вредного воздействия на систему

.

• Прекращение сигналов запуска должно привести к мгновенному отключению системы

.

• Внезапные изменения импеданса нагруженной катушки

значений должны допускаться, например, удаление или вставка нагрузки

или изменение ее формы и размера

.

В литературе имеется ряд переключающих элементов

, примененных к среднечастотной индукционной системе нагрева

, которая способна удовлетворить большинство

этих требований. Использование тиристоров Gate Turn Off

(GTO) или биполярных транзисторов

(IGBT) с изолированным затвором в качестве переключающего элемента дает

более высокую рабочую частоту и хорошую эффективность, но

ограничивает выходную мощность (Malesani and Tenti, 1987;

Ин и Хойман, 1994).Хотя стоимость на

ампер выше, чем стоимость на 1 ампер высокочастотного тиристора

, также можно спроектировать

в диапазоне частот от 10 кГц до 25 кГц с использованием высокочастотных модулей транзисторов Дарлингтона

в качестве коммутационных модулей

. устройства (Mauch, 1986; Деде, 1991).

Однако за последние 20 лет тиристорный инвертор

стал основным источником энергии средней частоты

для приложений индукционного нагрева,

заменил комплект двигатель-генератор.

широко применяется в диапазонах частот от

1 кГц до 10 кГц (Чудновский и др., 1996),

из-за его способности выдерживать большие токи.

Преимущество предложенной топологии резонансного инвертора с одним переключателем

состоит в том, что выключение тиристора

происходит при нулевом токе и, следовательно,

снижает коммутационные потери в силовых устройствах.

Дополнительным преимуществом предложенной топологии инвертора

является то, что он требует небольшого количества компонентов

и имеет более низкую стоимость по сравнению с

другими альтернативными топологиями.

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ

Принципиальная схема предлагаемого резонансного инвертора с одним переключателем

, который обеспечивает переменный ток

через катушку индукционного нагревателя, приведена на рисунке

1. Этот переменный ток, протекающий в витках индукционная катушка

создает переменное электромагнитное поле

для заготовки.

Рисунок 1. Принципиальная схема предлагаемой индукционной системы нагрева

На рисунке 2 показаны формы сигналов предлагаемого однокнопочного резонансного инвертора

.Каждый цикл переключения

делится на три различных режима. Соответствующие эквивалентные схемы

показаны на рисунке 3.

Рисунок 2. Рабочие формы сигналов для одиночного переключающего резонансного инвертора

. (В

GS

— Импульс затвора тиристора

, В

CrL

— Напряжение на резонансном конденсаторе

нагрузки, I

S

— Ток тиристора, I

D —

ток,

В

LrL

-Напряжение нагрузки)

Высокочастотный индукционный нагрев

Высокочастотный индукционный нагрев

Введение

Индукционный нагрев — это процесс бесконтактного нагрева.Он использует высокочастотное электричество для нагрева материалов, которые являются электропроводными. Поскольку процесс нагрева бесконтактный, он не загрязняет нагреваемый материал. Это также очень эффективно, поскольку тепло фактически генерируется внутри заготовки. Это можно противопоставить другим методам нагрева, когда тепло генерируется в пламени или нагревательном элементе, который затем прикладывается к заготовке. По этим причинам индукционный нагрев находит уникальное применение в промышленности.

Как работает индукционный нагрев?

Источник высокочастотного электричества используется для пропускания большого переменного тока через катушку.Эта катушка известна как рабочая катушка. Смотрите картинку напротив. Прохождение тока через эту катушку создает очень интенсивное и быстро меняющееся магнитное поле в пространстве внутри рабочей катушки. Обогреваемая деталь помещается в это интенсивное переменное магнитное поле. В зависимости от материала заготовки происходит ряд вещей …

Переменное магнитное поле индуцирует ток в проводящей детали.Расположение рабочей катушки и заготовки можно рассматривать как электрический трансформатор. Рабочая катушка похожа на первичную обмотку, в которую подается электрическая энергия, а заготовка похожа на однооборотную вторичную обмотку, которая закорачивается. Это вызывает протекание огромных токов через заготовку. Они известны как вихревые токи. В дополнение к этому высокая частота, используемая в приложениях индукционного нагрева, вызывает явление, называемое скин-эффектом. Этот скин-эффект заставляет переменный ток тонким слоем течь к поверхности заготовки.Скин-эффект увеличивает эффективное сопротивление металла прохождению большого тока. Следовательно, он значительно увеличивает эффект нагрева, вызванный током, индуцированным в заготовке.

(Хотя нагрев из-за вихревых токов желателен в этом приложении, интересно отметить, что производители трансформаторов делают все возможное, чтобы избежать этого явления в своих трансформаторах. Используются ламинированные сердечники трансформаторов, сердечники из порошкового железа и ферриты для предотвращения протекания вихревых токов внутри сердечников трансформатора.Внутри трансформатора прохождение вихревых токов крайне нежелательно, поскольку оно вызывает нагрев магнитопровода и представляет собой потерянную мощность.)

А для черных металлов?

Для черных металлов, таких как железо и некоторые виды стали, существует дополнительный механизм нагрева, который происходит одновременно с вихревыми токами, упомянутыми выше. Интенсивное переменное магнитное поле внутри рабочей катушки многократно намагничивает и демагнетизирует кристаллы железа.Это быстрое переключение магнитных доменов вызывает значительное трение и нагрев внутри материала. Нагрев из-за этого механизма известен как потеря гистерезиса и является наибольшим для материалов, которые имеют большую площадь внутри их кривой B-H. Это может быть большим фактором, способствующим выделению тепла во время индукционного нагрева, но происходит только внутри черных металлов. По этой причине материалы из черных металлов легче поддаются индукционному нагреву, чем материалы из цветных металлов.

Интересно отметить, что сталь теряет свои магнитные свойства при нагревании выше примерно 700 ° C.Эта температура известна как температура Кюри. Это означает, что выше 700 ° C не может быть нагрева материала из-за гистерезисных потерь. Дальнейший нагрев материала должен происходить только за счет наведенных вихревых токов. Это делает нагрев стали выше 700 ° C более сложной задачей для систем индукционного нагрева. Тот факт, что медь и алюминий являются немагнитными и очень хорошими электрическими проводниками, также может затруднить эффективное нагревание этих материалов. (Мы увидим, что для этих материалов лучше всего увеличить частоту, чтобы преувеличить потери из-за скин-эффекта.)

Для чего используется индукционный нагрев?

Индукционный нагрев может использоваться для любого применения, где мы хотим нагревать электропроводящий материал чистым, эффективным и контролируемым образом.

Одно из наиболее распространенных применений — запечатывание защитных пломб, приклеенных к верхней части бутылок с лекарствами и напитками. Пленка из фольги, покрытая «термоклеем», вставляется в пластиковую крышку и навинчивается на верхнюю часть каждой бутылки во время производства.Эти уплотнения из фольги затем быстро нагреваются, когда бутылки проходят под индукционным нагревателем на производственной линии. Вырабатываемое тепло расплавляет клей и герметизирует фольгу на крышке бутылки. Когда крышка снята, фольга остается герметичной и предотвращает любое вмешательство или загрязнение содержимого бутылки до тех пор, пока покупатель не проткнет фольгу.

Еще одно распространенное применение — «поджиг геттера» для удаления загрязнений из вакуумированных трубок, таких как телевизионные кинескопы, вакуумные лампы и различные газоразрядные лампы.Кольцо из проводящего материала, называемое «геттером», помещается в вакуумированный стеклянный сосуд. Поскольку индукционный нагрев — это бесконтактный процесс, его можно использовать для нагрева газопоглотителя, который уже запечатан внутри емкости. Индукционная рабочая катушка расположена рядом с геттером на внешней стороне вакуумной лампы, и источник переменного тока включен. В течение нескольких секунд после запуска индукционного нагревателя газопоглотитель нагревается добела, и химические вещества в его покрытии вступают в реакцию с любыми газами в вакууме. В результате геттер поглощает любые последние оставшиеся следы газа внутри вакуумной трубки и увеличивает чистоту вакуума.

Еще одним распространенным применением индукционного нагрева является процесс, называемый зонной очисткой, используемый в промышленности по производству полупроводников. Это процесс, в котором кремний очищается с помощью движущейся зоны расплавленного материала. Поиск в Интернете обязательно найдет более подробную информацию об этом процессе, о котором я мало что знаю.

Другие области применения включают плавку, сварку и пайку металлов. Индукционные варочные панели и рисоварки. Закалка металла боеприпасов, зубьев шестерен, пильных полотен, приводных валов и т. Д. Также является обычным применением, поскольку в процессе индукции поверхность металла нагревается очень быстро.Поэтому его можно использовать для поверхностного упрочнения и упрочнения локализованных участков металлических деталей за счет «опережения» теплопроводности тепла вглубь детали или в окружающие области. Бесконтактный характер индукционного нагрева также означает, что его можно использовать для нагрева материалов в аналитических целях без риска загрязнения образца. Точно так же металлические медицинские инструменты можно стерилизовать, нагревая их до высоких температур, пока они все еще запечатаны в известной стерильной среде, чтобы убить микробы.

Что требуется для индукционного нагрева?

Теоретически для индукционного нагрева необходимы только 3 вещи:

1. Источник высокочастотной электроэнергии,
2. Рабочая катушка для создания переменного магнитного поля,
3. Нагреваемая электрически проводящая деталь,

С учетом вышесказанного, практические системы индукционного нагрева обычно немного сложнее. Например, между источником высокой частоты и рабочей катушкой часто требуется цепь согласования импеданса, чтобы обеспечить хорошую передачу мощности.Системы водяного охлаждения также распространены в индукционных нагревателях большой мощности для отвода тепла от рабочей катушки, ее согласующей сети и силовой электроники. Наконец, некоторая управляющая электроника обычно используется для управления интенсивностью нагрева и времени цикла нагрева для обеспечения стабильных результатов. Управляющая электроника также защищает систему от повреждений в результате ряда неблагоприятных условий эксплуатации. Однако основной принцип работы любого индукционного нагревателя остается таким же, как описано ранее.

Практическая реализация

На практике рабочая катушка обычно включается в контур резонансного резервуара. Это дает ряд преимуществ. Во-первых, это делает форму волны тока или напряжения синусоидальной. Это сводит к минимуму потери в инверторе, позволяя ему использовать переключение при нулевом напряжении или при нулевом токе в зависимости от точного выбранного расположения. Синусоидальная форма волны на рабочей катушке также представляет более чистый сигнал и вызывает меньшие радиочастотные помехи для ближайшего оборудования.Этот более поздний момент становится очень важным в системах с большой мощностью. Мы увидим, что существует ряд резонансных схем, которые разработчик индукционного нагревателя может выбрать для рабочей катушки:

Последовательный резонансный контур резервуара

Рабочая катушка резонирует на заданной рабочей частоте с помощью конденсатора, включенного последовательно с ней. Это приводит к тому, что ток через рабочую катушку становится синусоидальным. Последовательный резонанс также увеличивает напряжение на рабочей катушке, намного превышающее выходное напряжение только инвертора.Инвертор видит синусоидальный ток нагрузки, но он должен нести полный ток, протекающий в рабочей катушке. По этой причине рабочая катушка часто состоит из множества витков провода, через которые протекают всего несколько ампер или десятки ампер. Значительная мощность нагрева достигается за счет резонансного повышения напряжения на рабочей катушке в последовательно-резонансном расположении при сохранении тока через катушку (и инвертор) на разумном уровне.

Такое расположение обычно используется в рисоварках, где уровень мощности низкий, а инвертор расположен рядом с нагреваемым объектом.Основные недостатки последовательного резонансного устройства заключаются в том, что инвертор должен пропускать тот же ток, который течет в рабочей катушке. В дополнение к этому повышение напряжения из-за последовательного резонанса может стать очень заметным, если в рабочей катушке нет заготовки значительного размера, которая могла бы демпфировать цепь. Это не проблема для таких приложений, как рисоварки, где заготовкой всегда является одна и та же варочная емкость, а ее свойства хорошо известны на момент разработки системы.

Резервуарный конденсатор обычно рассчитан на высокое напряжение из-за повышения резонансного напряжения в последовательно настроенном резонансном контуре.Он также должен пропускать полный ток, переносимый рабочей катушкой, хотя обычно это не проблема для маломощных приложений.

Параллельный резонансный контур резервуара

Рабочая катушка резонирует на заданной рабочей частоте с помощью конденсатора, помещенного параллельно ей. Это приводит к тому, что ток через рабочую катушку становится синусоидальным. Параллельный резонанс также увеличивает ток через рабочую катушку, намного превышающий допустимый выходной ток только инвертора.Инвертор видит синусоидальный ток нагрузки. Однако в этом случае он должен проводить только ту часть тока нагрузки, которая действительно работает. Инвертор не должен пропускать полный ток, циркулирующий в рабочей катушке. Это очень важно, поскольку коэффициенты мощности при индукционном нагреве обычно невелики. Это свойство параллельного резонансного контура может в десять раз уменьшить ток, который должен поддерживаться инвертором и проводами, соединяющими его с рабочей катушкой.Потери проводимости обычно пропорциональны квадрату тока, поэтому десятикратное снижение тока нагрузки представляет собой значительную экономию потерь проводимости в инверторе и соответствующей проводке. Это означает, что рабочую катушку можно разместить в месте, удаленном от инвертора, без значительных потерь в питающих проводах.

Рабочие катушки, использующие эту технику, часто состоят из нескольких витков толстого медного проводника, но протекают большие токи в несколько сотен или тысяч ампер.(Это необходимо, чтобы получить необходимое количество ампер-витков для индукционного нагрева.) Водяное охлаждение является общим для всех систем, кроме самых маленьких. Это необходимо для удаления избыточного тепла, генерируемого прохождением большого высокочастотного тока через рабочую катушку и связанный с ней емкостной конденсатор.

В схеме параллельного резонансного резервуара рабочую катушку можно рассматривать как индуктивную нагрузку с подключенным к ней конденсатором «коррекции коэффициента мощности». Конденсатор PFC обеспечивает протекание реактивного тока, равного и противоположного значительному индуктивному току, потребляемому рабочей катушкой.Главное, что нужно помнить, это то, что этот огромный ток локализован в рабочей катушке и ее конденсаторе и просто представляет собой колебание реактивной мощности между ними. Следовательно, единственный реальный ток, протекающий от инвертора, — это относительно небольшая величина, необходимая для преодоления потерь в конденсаторе «PFC» и рабочей катушке. В этой цепи резервуара всегда есть некоторые потери из-за диэлектрических потерь в конденсаторе и скин-эффекта, вызывающего резистивные потери в конденсаторе и рабочей катушке. Поэтому от инвертора всегда поступает небольшой ток, даже при отсутствии заготовки.Когда деталь с потерями вставляется в рабочую катушку, это гасит параллельный резонансный контур, внося дополнительные потери в систему. Следовательно, ток, потребляемый параллельным резонансным контуром резервуара, увеличивается, когда деталь вводится в катушку.

Согласование импеданса

Или просто «Соответствие». Это относится к электронике, которая находится между источником высокочастотной энергии и рабочей катушкой, которую мы используем для нагрева. Для того, чтобы нагреть твердый кусок металла с помощью индукционного нагрева, нам нужно вызвать УДИВИТЕЛЬНЫЙ ток, протекающий по поверхности металла.Однако это можно отличить от инвертора, который генерирует высокочастотную энергию. Инвертор обычно работает лучше (и конструкция несколько проще), если он работает при достаточно высоком напряжении, но при низком токе. (Обычно проблемы возникают в силовой электронике, когда мы пытаемся включить и выключить большие токи за очень короткое время.) Увеличение напряжения и уменьшение тока позволяет использовать полевые МОП-транзисторы с общим переключателем (или быстрые IGBT). Сравнительно низкие токи делают инвертор менее чувствительным к проблемам компоновки и паразитной индуктивности.Задача согласующей цепи и самой рабочей катушки — преобразовывать высокое напряжение / слабый ток от инвертора в низковольтный / сильный ток, необходимый для эффективного нагрева заготовки.

Мы можем представить себе контур резервуара, включающий рабочую катушку (Lw) и ее конденсатор (Cw), как параллельный резонансный контур. Он имеет сопротивление (R) из-за того, что деталь с потерями, соединенная с рабочей катушкой, из-за магнитной связи между двумя проводниками. См. Схему напротив.

На практике сопротивление рабочей катушки, сопротивление резервуарного конденсатора и отраженное сопротивление детали вносят потери в контур резервуара и гасят резонанс. Поэтому полезно объединить все эти потери в одно «сопротивление потерь». В случае параллельного резонансного контура это сопротивление потерь проявляется непосредственно в контуре резервуара в нашей модели.Это сопротивление представляет собой единственный компонент, который может потреблять реальную мощность, и поэтому мы можем рассматривать это сопротивление потерь как нагрузку, на которую мы пытаемся эффективно направить мощность.

При резонансном возбуждении ток, потребляемый емкостным конденсатором и рабочей катушкой, равны по величине и противоположны по фазе и, следовательно, компенсируют друг друга в отношении источника энергии. Это означает, что единственная нагрузка, которую видит источник питания на резонансной частоте, — это сопротивление потерь в контуре резервуара. (Обратите внимание, что при возбуждении по обе стороны от резонансной частоты существует дополнительная «противофазная» составляющая к току, вызванная неполным подавлением тока рабочей катушки и тока конденсатора резервуара. общая величина тока, потребляемого от источника, но не способствует полезному нагреву детали.)

Задача согласующей цепи — просто преобразовать это относительно большое сопротивление потерь в цепи резервуара до более низкого значения, которое лучше подходит инвертору, пытающемуся его управлять.Есть много разных способов добиться этого преобразования импеданса, включая отвод рабочей катушки, использование ферритового трансформатора, емкостного делителя вместо емкостного конденсатора или согласующей цепи, такой как L-образная цепь.

В случае сети L-match он может преобразовать относительно высокое сопротивление нагрузки цепи резервуара до примерно 10 Ом, что лучше подходит для инвертора. Эта цифра типична для того, чтобы инвертор мог работать от нескольких сотен вольт, сохраняя при этом токи на среднем уровне, так что для выполнения операции переключения можно использовать стандартные переключаемые полевые МОП-транзисторы. Сеть L-соответствия состоит из компонентов Lm и Cm, показанных напротив.

Сеть L-match имеет несколько очень желаемых свойств в этом приложении. Катушка индуктивности на входе в L-образную цепь представляет постепенно увеличивающееся индуктивное сопротивление на всех частотах, превышающих резонансную частоту контура резервуара. Это очень важно, когда рабочая катушка должна питаться от инвертора источника напряжения, который генерирует выходное напряжение прямоугольной формы.Вот объяснение, почему это так.

Напряжение прямоугольной формы, генерируемое большинством полумостовых и полномостовых схем, богато высокочастотными гармониками, а также необходимой основной частотой. Прямое подключение такого источника напряжения к параллельному резонансному контуру привело бы к протеканию чрезмерных токов на всех гармониках частоты привода! Это связано с тем, что емкостный конденсатор в параллельном резонансном контуре будет иметь все более низкое емкостное сопротивление к возрастающим частотам.Это потенциально очень опасно для инвертора источника напряжения. Это приводит к большим скачкам тока при переключениях, поскольку инвертор пытается быстро зарядить и разрядить резервуарный конденсатор на нарастающих и спадающих фронтах прямоугольной волны. Включение L-образной цепи между инвертором и контуром резервуара устраняет эту проблему. Теперь на выходе инвертора сначала отображается индуктивное сопротивление Lm в согласующей цепи, а все гармоники формы волны возбуждения видят постепенно возрастающее индуктивное сопротивление.Это означает, что максимальный ток протекает только на заданной частоте, а гармонический ток незначительный, что делает ток нагрузки инвертора плавным.

Наконец, при правильной настройке сеть L-match может обеспечивать небольшую индуктивную нагрузку на инвертор. Этот слегка запаздывающий ток нагрузки инвертора может облегчить переключение при нулевом напряжении (ZVS) полевых МОП-транзисторов в инверторном мосту. Это значительно снижает потери переключения при включении из-за выходной емкости устройства в полевых МОП-транзисторах, работающих при высоких напряжениях.Общий результат — меньший нагрев полупроводников и увеличение срока службы.

Таким образом, включение схемы L-соответствия между инвертором и параллельным резонансным контуром резервуара позволяет добиться двух вещей.

1. Согласование импеданса, чтобы необходимое количество энергии могло подаваться от инвертора к заготовке,
2. Показано возрастающее индуктивное сопротивление к высокочастотным гармоникам, чтобы инвертор оставался безопасным и счастливым.

Глядя на предыдущую схему выше, мы видим, что конденсатор в согласующей цепи (Cm) и резервуарный конденсатор (Cw) подключены параллельно.На практике обе эти функции обычно выполняются с помощью специального силового конденсатора. Большую часть его емкости можно представить как находящуюся в параллельном резонансе с рабочей катушкой, при этом небольшая величина обеспечивает действие согласования импеданса с согласующей катушкой индуктивности (Lm). Объединение этих двух емкостей в одну приводит нас к модели LCLR для устройство рабочей катушки, которое обычно используется в промышленности для индукционного нагрева.

Рабочая катушка LCLR

Эта схема включает рабочую катушку в параллельный резонансный контур и использует схему L-соответствия между контуром резервуара и инвертором.Согласующая цепь используется для того, чтобы контур резервуара выглядел как более подходящая нагрузка для инвертора, и ее происхождение обсуждается в разделе выше.

Рабочая катушка LCLR имеет ряд желаемых свойств:

1. В рабочей катушке течет большой ток, но инвертор должен подавать только слабый ток. Большой циркулирующий ток ограничен рабочей катушкой и ее параллельным конденсатором, которые обычно расположены очень близко друг к другу.
2. По линии передачи от инвертора к контуру бака течет сравнительно небольшой ток, поэтому для этого можно использовать более легкий кабель.
3. Любая паразитная индуктивность линии передачи просто становится частью соответствующей индуктивности сети (Лм). Следовательно, тепловая станция может быть расположена вдали от инвертора.
4. Инвертор видит синусоидальный ток нагрузки, поэтому он может использовать ZCS или ZVS для снижения коммутационных потерь и, следовательно, охлаждения.
5. Последовательный согласующий индуктор может быть изменен в соответствии с различными нагрузками, размещенными внутри рабочей катушки.
6. Цепь резервуара может питаться через несколько согласующих катушек индуктивности от многих инверторов для достижения уровней мощности выше тех, которые достигаются с помощью одного инвертора.Соответствующие катушки индуктивности обеспечивают внутреннее разделение тока нагрузки между инверторами, а также делают систему устойчивой к некоторому рассогласованию моментов переключения параллельно включенных инверторов.

Для получения дополнительной информации о поведении резонансной сети LCLR см. Новый раздел ниже, озаглавленный «Частотная характеристика сети LCLR».

Еще одно преимущество рабочей катушки LCLR состоит в том, что не требуется высокочастотный трансформатор для обеспечения функции согласования импеданса.Ферритовые трансформаторы мощностью несколько киловатт большие, тяжелые и довольно дорогие. В дополнение к этому трансформатор необходимо охладить, чтобы отвести избыточное тепло, выделяемое высокими токами, протекающими в его проводниках. Включение схемы L-match в схему рабочей катушки LCLR устраняет необходимость в трансформаторе для согласования инвертора с рабочей катушкой, что снижает затраты и упрощает конструкцию. Однако разработчик должен понимать, что между инвертором и входом в рабочую катушку LCLR все же может потребоваться разделительный трансформатор 1: 1, если необходима электрическая изоляция от сети.Это зависит от того, важна ли изоляция и обеспечивает ли уже основной блок питания индукционного нагревателя достаточную электрическую изоляцию для удовлетворения этих требований безопасности.

Принципиальная схема

На приведенной ниже схеме системы показан простейший инвертор, приводящий в действие его рабочую катушку LCLR.

Обратите внимание, что эта схема НЕ ПОКАЗЫВАЕТ схему управления затвором и управляющую электронику полевого МОП-транзистора!

Инвертор в этом демонстрационном прототипе представлял собой простой полумост, состоящий из двух полевых МОП-транзисторов MTW14N50, изготовленных мной On-semiconductor (ранее Motorola.) Он питается от сглаженного источника постоянного тока с разделительным конденсатором по шинам для поддержки требований инвертора по переменному току. Однако следует понимать, что качество и регулировка источника питания для приложений индукционного нагрева не являются критическими. Двухполупериодная выпрямленная (но не сглаженная) сеть может работать так же, как сглаженный и регулируемый постоянный ток, когда дело доходит до нагрева металла, но пиковые токи выше при той же средней мощности нагрева. Есть много аргументов в пользу того, чтобы уменьшить размер конденсатора шины постоянного тока до минимума.В частности, он улучшает коэффициент мощности тока, потребляемого от сети через выпрямитель, а также минимизирует запасенную энергию в случае неисправности инвертора.

Конденсатор блокировки постоянного тока используется только для того, чтобы не дать выходному сигналу постоянного тока полумостового инвертора вызвать протекание тока через рабочую катушку. Его размер достаточно велик, чтобы он не участвовал в согласовании импеданса и не влиял отрицательно на работу устройства рабочей катушки LCLR.

В схемах с высокой мощностью обычно используется полный мост (H-мост) из 4 или более переключающих устройств. В таких конструкциях согласующая индуктивность обычно делится поровну между двумя ветвями моста, так что формы волны напряжения возбуждения сбалансированы относительно земли. Конденсатор блокировки постоянного тока также может быть исключен, если используется управление режимом тока, чтобы гарантировать, что чистый постоянный ток не течет между ответвлениями моста. (Если обе ветви H-моста могут управляться независимо, тогда есть возможность для управления пропускной способностью с помощью управления фазовым сдвигом.См. Пункт 6 в разделе «Методы управления мощностью» ниже для получения дополнительной информации.)

При еще более высоких мощностях можно использовать несколько отдельных инверторов, эффективно соединенных параллельно, чтобы удовлетворить высокие требования к току нагрузки. Однако отдельные инверторы не подключаются напрямую параллельно к выходным клеммам их H-мостов. Каждый из распределенных инверторов подключен к удаленной рабочей катушке через свою собственную пару согласующих катушек индуктивности, которые обеспечивают равномерное распределение общей нагрузки между всеми инверторами.

Эти согласующие катушки индуктивности также обеспечивают ряд дополнительных преимуществ при параллельном подключении инверторов таким образом. Во-первых, полное сопротивление МЕЖДУ любыми двумя выходами инвертора равно удвоенному значению соответствующей индуктивности. Этот индуктивный импеданс ограничивает ток «пробега между», который протекает между параллельно включенными инверторами, если их моменты переключения не полностью синхронизированы. Во-вторых, это же индуктивное реактивное сопротивление между инверторами ограничивает скорость нарастания тока повреждения, если один из инверторов обнаруживает отказ устройства, что потенциально исключает отказ других устройств.Наконец, поскольку все распределенные инверторы уже подключены через катушки индуктивности, любая дополнительная индуктивность между инверторами просто добавляет к этому импедансу и лишь немного ухудшает распределение тока. Следовательно, распределенные инверторы для индукционного нагрева не обязательно должны располагаться физически близко друг к другу. Если в конструкции включены изолирующие трансформаторы, им даже не нужно питаться от одного источника!

Отказоустойчивость

Устройство рабочей катушки LCLR очень хорошо ведет себя при различных возможных неисправностях.

1. Обрыв цепи рабочего змеевика.
2. Короткое замыкание рабочей катушки (или емкостного конденсатора).
3. Короткое замыкание в рабочей катушке.
4. Бачковый конденсатор разомкнутой цепи.

Все эти отказы приводят к увеличению импеданса, передаваемого инвертору, и, следовательно, к соответствующему падению тока, потребляемого инвертором. Автор лично использовал отвертку, чтобы замкнуть накоротко между витками рабочей катушки на несколько сотен ампер. Несмотря на искры, летящие в месте короткого замыкания, нагрузка на инвертор снижается, и система с легкостью выдерживает это воздействие.

Худшее, что может случиться, — это то, что контур резервуара расстроится так, что его собственная резонансная частота будет чуть выше рабочей частоты инвертора. Поскольку частота привода все еще близка к резонансной, из инвертора все еще течет значительный ток. Но коэффициент мощности уменьшается из-за расстройки, и ток нагрузки инвертора начинает опережать напряжение. Эта ситуация нежелательна, потому что ток нагрузки, воспринимаемый инвертором, меняет направление до изменения приложенного напряжения.Результатом этого является то, что ток принудительно коммутируется между диодами свободного хода и противоположным MOSFET каждый раз, когда MOSFET включается. Это вызывает принудительное обратное восстановление диодов свободного хода, когда они уже несут значительный прямой ток. Это приводит к сильному скачку тока через диод и противоположный MOSFET, который включается.

Хотя это не проблема для специальных выпрямителей с быстрым восстановлением, это принудительное восстановление может вызвать проблемы, если внутренние диоды полевых МОП-транзисторов используются для обеспечения функции диодов свободного хода.Эти большие всплески тока по-прежнему представляют собой значительную потерю мощности и угрозу для надежности. Однако следует понимать, что надлежащий контроль рабочей частоты инвертора должен гарантировать, что он отслеживает резонансную частоту контура резервуара. Следовательно, условие опережающего коэффициента мощности в идеале не должно возникать и, конечно же, не должно сохраняться какое-либо время. Резонансную частоту следует отслеживать до ее предела, а затем отключать систему, если она выходит за пределы допустимого диапазона частот.

Методы регулирования мощности

Часто желательно контролировать количество энергии, обрабатываемой индукционным нагревателем. Это определяет скорость, с которой тепловая энергия передается заготовке. Установкой мощности индукционного нагревателя этого типа можно управлять несколькими способами:

1. Изменение напряжения промежуточного контура.

Мощность, обрабатываемая инвертором, может быть уменьшена путем уменьшения напряжения питания инвертора.Это можно сделать, запустив инвертор от источника постоянного тока с переменным напряжением, такого как управляемый выпрямитель, использующий тиристоры для изменения напряжения постоянного тока, получаемого от сети. Импеданс инвертора в значительной степени постоянен при изменении уровня мощности, поэтому пропускная способность инвертора примерно пропорциональна квадрату напряжения питания. Изменение напряжения промежуточного контура позволяет полностью контролировать мощность от 0% до 100%.

Следует отметить, однако, что точная пропускная способность мощности в киловаттах зависит не только от напряжения питания постоянного тока на инвертор, но также от нагрузки, которую рабочая катушка представляет инвертору через согласующую сеть.Поэтому, если требуется точное регулирование мощности, необходимо измерить фактическую мощность индукционного нагрева, сравнить с запрошенной «настройкой мощности» от оператора и вернуть сигнал ошибки, чтобы непрерывно регулировать напряжение промежуточного контура в замкнутом контуре, чтобы минимизировать ошибку. . Это необходимо для поддержания постоянной мощности, поскольку сопротивление детали значительно изменяется при нагревании. (Этот аргумент для управления мощностью с обратной связью также применим ко всем методам, которые следуют ниже.)

2.Изменение продолжительности включения устройств в инверторе.

Мощность, обрабатываемая инвертором, может быть уменьшена за счет сокращения времени включения переключателей в инверторе. Электропитание поступает на рабочую катушку только тогда, когда устройства включены. Затем ток нагрузки свободно проходит через диоды на корпусе устройства в течение мертвого времени, когда оба устройства выключены. Изменение продолжительности включения переключателей позволяет полностью контролировать мощность от 0% до 100%. Однако существенным недостатком этого метода является коммутация больших токов между активными устройствами и их свободными диодами.Принудительное обратное восстановление диодов свободного хода, которое может произойти при значительном уменьшении продолжительности включения. По этой причине регулирование продолжительности включения обычно не используется в инверторах с индукционным нагревом большой мощности.

3. Изменение рабочей частоты инвертора.

Мощность, подаваемая инвертором на рабочую катушку, может быть уменьшена путем отстройки инвертора от собственной резонансной частоты цепи резервуара, включающей рабочую катушку. Поскольку рабочая частота инвертора отодвигается от резонансной частоты контура бака, резонансный рост в контуре бака уменьшается, и ток в рабочей катушке уменьшается.Следовательно, меньше циркулирующего тока индуцируется в заготовке и уменьшается эффект нагрева.

Для уменьшения пропускной способности инвертор обычно расстраивается на стороне высокого напряжения собственной резонансной частоты контуров резервуара. Это приводит к тому, что индуктивное реактивное сопротивление на входе согласующей цепи становится все более доминирующим с увеличением частоты. Поэтому ток, потребляемый от инвертора согласующей цепью, начинает отставать по фазе и уменьшаться по амплитуде.Оба эти фактора способствуют снижению реальной пропускной способности. В дополнение к этому, запаздывающий коэффициент мощности гарантирует, что устройства в инверторе все еще включаются с нулевым напряжением на них, и нет проблем с восстановлением свободного хода диода. (Это можно контрастировать с ситуацией, которая могла бы возникнуть, если бы инвертор был отстроен на нижней стороне резонансной частоты рабочей катушки. ZVS теряется, и диоды свободного хода видят принудительное обратное восстановление при значительном токе нагрузки.)

Этот метод управления уровнем мощности путем отстройки очень прост, поскольку большинство индукционных нагревателей уже контролируют рабочую частоту инвертора, чтобы обслуживать различные детали и рабочие катушки. Обратной стороной является то, что он обеспечивает только ограниченный диапазон управления, поскольку есть предел скорости переключения силовых полупроводников. Это особенно верно в приложениях с высоким энергопотреблением, где устройства могут уже работать со скоростью, близкой к максимальной.Системы большой мощности, использующие этот метод управления мощностью, требуют подробного теплового анализа результатов коммутационных потерь на разных уровнях мощности, чтобы гарантировать, что температура устройств всегда остается в допустимых пределах.

Для получения более подробной информации об управлении мощностью с помощью расстройки см. Новый раздел ниже, озаглавленный «Частотная характеристика сети LCLR».

4. Изменение значения индуктивности в согласующей цепи.

Мощность, подаваемая инвертором на рабочую катушку, может быть изменена путем изменения значения соответствующих компонентов сети.Схема L-соответствия между инвертором и цепью резервуара технически состоит из индуктивной и емкостной частей. Но емкостная часть параллельна собственному емкостному конденсатору рабочей катушки, и на практике это обычно одна и та же часть. Поэтому единственная часть согласующей цепи, которую можно настроить, — это индуктор.

Согласующая цепь отвечает за преобразование импеданса нагрузки рабочей катушки до подходящего импеданса нагрузки, приводимого в действие инвертором.Изменение индуктивности соответствующей катушки индуктивности регулирует значение, на которое преобразуется импеданс нагрузки. Как правило, уменьшение индуктивности согласующей катушки индуктивности приводит к преобразованию полного сопротивления рабочей катушки в сторону более низкого импеданса. Это более низкое сопротивление нагрузки, передаваемое инвертору, приводит к тому, что инвертор получает больше энергии. И наоборот, увеличение индуктивности согласующей катушки индуктивности вызывает более высокое сопротивление нагрузки, передаваемое инвертору. Эта более легкая нагрузка приводит к меньшему потоку мощности от инвертора к рабочей катушке.

Степень управления мощностью, достижимая путем изменения согласующей катушки индуктивности, умеренная. Также происходит сдвиг резонансной частоты всей системы — это цена, которую приходится платить за объединение емкости L-согласования и емкости резервуара в одну единицу. Схема L-согласования по существу заимствует часть емкости у емкостного конденсатора для выполнения операции согласования, тем самым оставляя баковый контур резонировать на более высокой частоте. По этой причине соответствующий индуктор обычно фиксируется или регулируется грубыми шагами в соответствии с предполагаемой нагреваемой заготовкой, а не предоставляет пользователю полностью регулируемую настройку мощности.

5. Трансформатор согласования импеданса.

Мощность, подаваемая инвертором на рабочую катушку, может изменяться грубыми шагами с помощью силового ВЧ трансформатора с ответвлениями для преобразования импеданса. Хотя большая часть преимущества схемы LCLR заключается в отсутствии громоздкого и дорогостоящего ферритового силового трансформатора, она может учитывать большие изменения в параметрах системы, не зависящие от частоты. Ферритовый силовой трансформатор может также обеспечивать гальваническую развязку, а также выполнять функцию преобразования импеданса для настройки пропускной способности.

Кроме того, если ферритовый силовой трансформатор расположен между выходом инвертора и входом в схему L-согласования, его конструктивные ограничения во многих отношениях ослабляются. Во-первых, размещение трансформатора в этом положении означает, что импедансы на обеих обмотках относительно высоки. т.е. напряжения высокие, а токи сравнительно небольшие. Для этих условий проще сконструировать обычный ферритовый силовой трансформатор. Большой циркулирующий ток в рабочей катушке не попадает в ферритовый трансформатор, что значительно снижает проблемы с охлаждением.Во-вторых, хотя трансформатор воспринимает прямоугольное выходное напряжение инвертора, по его обмоткам проходят токи синусоидальной формы. Отсутствие высокочастотных гармоник снижает нагрев трансформатора из-за скин-эффекта и эффекта близости проводников.

Наконец, конструкция трансформатора должна быть оптимизирована для обеспечения минимальной межобмоточной емкости и хорошей изоляции за счет увеличения индуктивности рассеяния. Причина этого заключается в том, что любая индуктивность рассеяния трансформатора, расположенного в этом положении, просто добавляет к согласующей индуктивности на входе в L-образную схему.Следовательно, индуктивность рассеяния в трансформаторе не так вредна для рабочих характеристик, как межобмоточная емкость.

6. Фазовое управление H-мостом.

Когда рабочая катушка приводится в действие полномостовым (H-мостовым) инвертором с питанием по напряжению, существует еще один метод управления мощностью. Если моментами переключения обеих ветвей моста можно управлять независимо, это открывает возможность управления пропускной способностью мощности путем регулировки фазового сдвига между двумя ветвями моста.

Когда обе ветви моста переключаются точно по фазе, они обе выдают одинаковое напряжение. Это означает, что на рабочей катушке нет напряжения и ток не течет через рабочую катушку. И наоборот, когда обе ветви моста переключаются в противофазе, через рабочую катушку протекает максимальный ток и достигается максимальный нагрев. Уровни мощности от 0% до 100% могут быть достигнуты путем изменения фазового сдвига привода одной половины моста от 0 градусов до 180 градусов по сравнению с приводом другой ветви моста.

Этот метод очень эффективен, поскольку управление мощностью может быть достигнуто на стороне управления меньшей мощностью. Коэффициент мощности, наблюдаемый инвертором, всегда остается хорошим, потому что инвертор не отстроен от резонансной частоты рабочей катушки, поэтому протекание реактивного тока через свободные диоды сводится к минимуму.

Конденсаторы индукционного нагрева

Требования к конденсаторам, используемым для индукционного нагрева большой мощности, пожалуй, самые высокие из всех типов конденсаторов.Конденсаторная батарея, используемая в цепи резервуара индукционного нагревателя, должна пропускать полный ток, протекающий в рабочей катушке в течение продолжительных периодов времени. Этот ток обычно составляет многие сотни ампер при многих десятках или сотнях килогерц. Они также подвергаются повторному 100% -ному изменению напряжения на той же частоте. и посмотрите полное напряжение, развиваемое на рабочей катушке. Высокая рабочая частота вызывает значительные потери из-за нагрева диэлектрика и скин-эффекта в проводниках. Наконец, паразитная индуктивность должна быть сведена к абсолютному минимуму, чтобы конденсатор выглядел как элемент схемы с сосредоточенными параметрами по сравнению с достаточно низкой индуктивностью рабочей катушки, к которой он подключен.

Правильный выбор диэлектриков и использование расширенных методов изготовления фольги позволяют свести к минимуму количество выделяемого тепла и свести к минимуму эффективную последовательную индуктивность. Однако даже при использовании этих технологий конденсаторы индукционного нагрева по-прежнему демонстрируют значительное рассеивание мощности из-за огромных высокочастотных токов, которые они должны нести. Поэтому важным фактором в их конструкции является возможность эффективного отвода тепла из конденсатора для продления срока службы диэлектрика.

Следующие производители производят специальные компоненты:

High Energy Corp.(Дистрибьютором в Великобритании является AMS Technologies.)

Компоненты Vishay.

Силовые конденсаторы Celem. базируется в Израиле.

Диапазон мощных конденсаторов индукционного нагрева от High Energy Corp.

Слюдяной конденсатор высокой мощности с кондуктивным охлаждением от Celem Power Capacitors. Celem
(изображения любезно предоставлены Стивом Коннером)

Обратите внимание на большую площадь поверхности соединительных пластин на компонентах Celem с кондуктивным охлаждением и номинальную реактивную мощность (KVAR), указанную на паспортной табличке.Изображенные выше силовые агрегаты в алюминиевых корпусах имеют соединения для шлангов водяного охлаждения для отвода тепла, генерируемого внутри.

Частотная характеристика сети LCLR

Сеть LCLR представляет собой резонансную систему 3-го порядка, состоящую из двух катушек индуктивности, одного конденсатора и одного резистора. На приведенном ниже графике Боде показано, как некоторые напряжения и токи в сети изменяются при изменении частоты привода. ЗЕЛЕНЫЕ дорожки представляют ток, проходящий через согласующую катушку индуктивности, и, следовательно, ток нагрузки, воспринимаемый инвертором.КРАСНЫЕ линии представляют собой напряжение на баке конденсатора, которое совпадает с напряжением на рабочей катушке индукционного нагрева. Верхний график показывает величины переменного тока этих двух величин, а нижний график показывает относительную фазу сигналов относительно выходного переменного напряжения инвертора.

Из амплитудной части графика Боде видно, что максимальное напряжение создается на рабочей катушке (верхняя красная кривая) только на одной частоте. На этой частоте ток через рабочую катушку также максимален, и на этой частоте проявляется наибольший эффект нагрева.Можно видеть, что эта частота соответствует максимальному току нагрузки, потребляемому инвертором (верхняя зеленая кривая). Стоит отметить, что величина тока нагрузки инвертора имеет нулевое значение при частоте, лишь немного меньшей, чем та, которая дает максимальный нагрев. . Этот график показывает важность точной настройки для индукционного нагрева. Для системы с высоким Q эти две частоты очень близки друг к другу. Разница между максимальной мощностью и минимальной мощностью может составлять всего несколько килогерц.

На нижнем графике видно, что для частот ниже точки максимальной мощности напряжение рабочей катушки (зеленый) синфазно с выходным напряжением инвертора. По мере увеличения рабочей частоты фазовый угол напряжения рабочей катушки резко изменяется на 180 градусов (инверсия фазы) прямо в точке, где обрабатывается максимальная мощность. При этом фазовый угол напряжения рабочей катушки остается смещенным на 180 градусов от выходного напряжения инвертора для всех частот выше точки максимальной мощности.

Из нижнего графика мы также можем видеть, что ток нагрузки от инвертора показывает не одно, а два резких изменения фазы по мере постепенного увеличения рабочей частоты. Изначально ток нагрузки инвертора отстает от выходного напряжения инвертора на 90 градусов на низких частотах. Ток нагрузки резко изменяется на 180 градусов до опережения фазы 90 градусов, когда рабочая частота проходит через «нулевую частоту» сети. Инверторный ток остается опережающим на 90 градусов, пока не будет достигнута точка максимальной мощности, где он снова резко поворачивается на 180 градусов и снова возвращается к фазе запаздывания на 90 градусов.

Если учесть, что только ток на выходе инвертора, который синфазен с выходным напряжением, способствует передаче реальной мощности, мы можем видеть, что эти резкие переходы от -90 градусов до +90 градусов явно нуждаются в более детальном рассмотрении.

График Боде выше более подробно показывает интересующую область вокруг нулевой частоты и точки максимальной мощности. Он также показывает семейство кривых, показывающих поведение контура индукционного нагревателя с множеством различных деталей.Это позволяет нам понять, как ведет себя сеть с большой заготовкой с потерями, при отсутствии заготовки вообще и со всеми промежуточными нагрузками.

Без установленной детали потери низкие, а добротность высокая. Это приводит к резким скачкам токов и напряжений на верхнем графике и резко изменяющимся фазовым сдвигам на нижнем графике. Когда вводится деталь с потерями, общая добротность сети LCLR падает. Это вызывает менее резонансный рост тока нагрузки инвертора и напряжения на рабочей катушке.Резонансные пики становятся менее высокими и шире с уменьшением добротности. Точно так же фаза формы волны тока инвертора и напряжение рабочей катушки меняются медленнее при более низких значениях добротности.

Из этих графиков мы можем вывести некоторые значения для любой системы управления, которая должна отслеживать резонансную частоту расположения LCLR и управлять пропускной способностью мощности. Во-первых, когда нет заготовки, в цепи LCLR возникает на резонансных подъема больше. Следовательно, ток, подаваемый от инвертора, должен быть уменьшен, чтобы предотвратить резкое увеличение токов рабочей катушки и резервуарного конденсатора при отсутствии каких-либо значительных потерь в системе.Во-вторых, ток нагрузки инвертора без нагрузки должен отслеживаться очень точно, если инвертор не должен видеть ни опережающий, ни запаздывающий ток нагрузки, потому что он так быстро нарастает на ноль градусов.

И наоборот, мы можем сказать, что с большой заготовкой с потерями будет меньше резонансного нарастания, присущего устройству LCLR, и инвертор должен будет подавать больший ток нагрузки, чтобы достичь необходимого уровня тока в рабочей катушке. Однако управляющей электронике теперь не нужно так точно отслеживать резонансную частоту, поскольку уменьшенная добротность дает ток нагрузки, который смещает фазу более неторопливо.

Наконец, при рассмотрении стратегии автоматического управления для отслеживания резонансной частоты индукционного нагревателя LCLR заслуживает внимания ряд моментов, которые следует учитывать на графике выше. Для материалов заготовки с очень большими потерями (или больших объемов металла, которые приводят к значительным общим потерям) мы можем видеть, что фаза тока нагрузки инвертора (нижний зеленый график) иногда не может перейти через ноль градусов к опережающей фазе. Это означает, что ток нагрузки инвертора при высоких нагрузках не может быть синфазным и всегда отстает на определенную величину.Кроме того, ток нагрузки инвертора не является монотонным при качании частоты. Поэтому прямая обратная связь от трансформатора тока (ТТ) на выходе инвертора не является жизнеспособным вариантом. Хотя может показаться, что он работает нормально без установленной детали или с умеренными тепловыми нагрузками, он не отслеживает правильно резонансную частоту и не сможет нормально работать при увеличении рабочей нагрузки и падении Q сети! (Прямая обратная связь от выходного тока инвертора с использованием трансформатора тока для формирования автономного генератора мощности приводит к конструкции, которая колеблется при низкой нагрузке, но выходит из автоколебания при увеличении рабочей нагрузки.)

Напротив, мы можем видеть, что фаза напряжения рабочей катушки (и напряжения конденсатора емкости) (нижний красный график) является монотонной с увеличением частоты. Кроме того, он постоянно проходит через точку запаздывания фазы -90 градусов точно на той частоте, которая дает максимальную мощность независимо от того, насколько сильно загружена рабочая катушка. Эти два достоинства делают форму волны напряжения емкостного конденсатора отличной регулируемой переменной. В заключение, частота инвертора должна управляться таким образом, чтобы обеспечить постоянное запаздывание в 90 градусов между напряжением емкостного конденсатора и выходным напряжением инвертора для достижения максимальной пропускной способности. Теперь мы можем обозначить некоторые интересующие области на диаграмме Боде ниже.

Белая вертикальная линия указывает частоту, при которой напряжение на баке конденсатора (а также напряжение рабочей катушки) отстает от выходного напряжения инвертора на 90 градусов. Это также точка, где на рабочей катушке возникает максимальное напряжение, а через нее протекает максимальный ток. Белая линия — это то место, где вы хотите достичь максимально возможного теплового эффекта в заготовке. Если мы посмотрим на фазу тока нагрузки инвертора (нижний зеленый график), мы увидим, что она всегда находится в диапазоне от 0 градусов до -90 градусов, когда он пересекает белую линию, независимо от того, насколько резко или медленно он поворачивается.Это означает, что инвертор всегда видит ток нагрузки, который либо синфазен, либо, в худшем случае, немного отстает по коэффициенту мощности. Такая ситуация идеальна для поддержки плавного переключения ZVS в инверторе и предотвращения проблем с обратным восстановлением свободного диода.

Справа от белой линии мы видим область, заштрихованную синим цветом, с надписью «Область индуктивной нагрузки». Когда рабочая частота увеличивается выше точки максимальной мощности, напряжение на рабочей катушке уменьшается, и в детали создается меньший эффект нагрева.Ток нагрузки инвертора также падает и начинает отставать по фазе относительно выходного напряжения инвертора. Эти свойства делают область, заштрихованную синим цветом, идеальным местом для работы с целью достижения контроля над мощностью индукционного нагрева. Путем отстройки частоты привода инвертора на сторону высокого значения точки максимальной мощности можно снизить пропускную способность, и инвертор всегда видит запаздывающий коэффициент мощности.

И наоборот, слева от белой линии у нас есть полоса частот, обозначенная как «Область емкостной нагрузки».«По мере того, как рабочая частота снижается ниже точки максимальной мощности, напряжение рабочей катушки также падает и имеет место меньший эффект нагрева. Однако это сопровождается тем, что ток нагрузки инвертора, возможно, переходит в опережающий фазовый угол, когда потери в заготовке низкие. и высокий коэффициент Q. Это нежелательно для многих твердотельных инверторов, так как ведущий ток нагрузки вызывает потерю ZVS и приводит к принудительному обратному восстановлению безынерционных диодов, вызывая повышенные коммутационные потери и выбросы напряжения.Поэтому область емкостной нагрузки не рекомендуется для управления пропускной способностью.

Вертикальная фиолетовая линия отмечает другой конец области емкостной нагрузки, где ток нагрузки инвертора снова переходит в отстающий «индуктивный» ток нагрузки. Эта вторая индуктивная область не представляет особого интереса, поскольку она не обеспечивает значительной пропускной способности мощности и в любом случае не может быть достигнута без прохождения через потенциально опасную область емкостной нагрузки. Когда сеть LCLR приводится в действие прямоугольным инверторным напряжением, также существует риск значительного протекания тока на гармонике частоты привода.Здесь он отмечен на схеме только для полноты картины.

Примечание: Фаза напряжения на баке конденсатора была предложена в качестве регулирующей переменной и подробно обсуждалась на графиках выше. Это связано с тем, что это напряжение может быть легко измерено с помощью высокочастотного трансформатора напряжения и обеспечивает всю необходимую управляющую информацию. Несмотря на то, что он демонстрирует сдвиг фазы на 90 градусов относительно выходного напряжения инвертора (что на первый взгляд может показаться нежелательным), он по-прежнему является лучшей управляющей переменной, чем попытка измерить ток емкостного конденсатора.Хотя ток резервуарного конденсатора синфазен с выходным сигналом инвертора, этот ток может составлять многие сотни ампер, что делает использование ферритовых трансформаторов тока с закрытым сердечником непрактичным. Кроме того, фазовый сдвиг на 90 градусов формы волны напряжения емкостного конденсатора означает, что его переходы через ноль намеренно смещены во времени в сторону от потенциально шумных моментов переключения инвертора. Этот фазовый сдвиг на -90 градусов сигнала обратной связи по напряжению может быть учтен в конструкции управляющей электроники и является небольшой платой за упрощенное считывание и повышенную помехозащищенность.

Требования к охлаждению

# Добавить сюда отзыв про водяное охлаждение #

Нагревательные картинки

Формы сигналов

Здесь показана форма выходного тока инвертора при возбуждении рабочей катушки LCLR близко к его резонансной частоте.Эта точка соответствует максимальной мощности и, следовательно, максимальному тепловому эффекту. Обратите внимание на то, что ток нагрузки инвертора представляет собой почти чистую синусоиду.

Здесь показана форма выходного тока инвертора при возбуждении рабочей катушки LCLR, значительно превышающей ее собственную резонансную частоту. Эта рабочая точка снижает мощность и тепловой эффект. На частотах выше собственной резонансной частоты рабочей катушки LCLR преобладает индуктивное реактивное сопротивление согласующей цепи, и ток нагрузки инвертора отстает от приложенного напряжения.Обратите внимание на треугольный ток нагрузки, вызванный индуктивной нагрузкой, интегрирующей выходное прямоугольное напряжение инвертора с течением времени.

Показывает напряжение на рабочей катушке при нормальной работе при приближении к резонансу. Обратите внимание, что форма волны напряжения представляет собой чистую синусоиду. Это также верно для формы сигнала тока и сводит к минимуму гармоническое излучение и радиочастотные помехи. В этом случае напряжение на рабочей катушке также выше, чем напряжение шины постоянного тока, подаваемое на инвертор.Оба эти свойства объясняются высокой добротностью контура индукционного нагревателя.

Показывает выходное напряжение инвертора, когда он неправильно настроен на частоту, которая ниже собственной резонансной частоты рабочей катушки. Обратите внимание на очень быстрое время нарастания и спада прямоугольной волны, сопровождающееся чрезмерным выбросом напряжения и звоном. Все это связано с принудительным обратным восстановлением корпусных диодов полевого МОП-транзистора при сохранении этого нежелательного режима работы.(Выбросы и звонки возникают из-за всплесков тока обратного восстановления, возбуждающих ударную паразитную индуктивность в схеме инвертора в паразитные колебания.)

Показывает выходное напряжение инвертора, когда он настроен немного выше собственной резонансной частоты рабочей катушки. Обратите внимание на то, что времена нарастания и спада прямоугольной волны более контролируемы, а выбросы или звонки сравнительно небольшие. Это связано с переключением нулевого напряжения (ZVS), которое происходит, когда инвертор работает в этом благоприятном рабочем режиме.

Показывает выходное напряжение инвертора, когда он точно настроен на резонансную частоту рабочей катушки. Хотя эта ситуация фактически обеспечивает максимальную пропускную способность, она не совсем обеспечивает переключение при нулевом напряжении полевых МОП-транзисторов. Обратите внимание на маленькие выемки на нарастающем и спадающем фронтах сигнала напряжения. Это происходит из-за того, что средняя точка опоры моста не была полностью коммутирована с противоположной шиной питания в течение мертвого времени перед включением следующего полевого МОП-транзистора.На практике небольшое индуктивное реактивное сопротивление инвертора помогает обеспечить требуемый коммутирующий ток и достичь ZVS. По этой причине ситуация, описанная для предыдущей фотографии, предпочтительнее точной настройки.

Вернуться на главную

.