Всем здравствуйте. Индукционный нагреватель — это электронное устройство, используемое для нагрева и плавления металлов. Он использует электромагнитное поле, которое нагревает металл внутри него с помощью вихревых токов. Нагреватели используются в промышленности для плавления металлов, на металлургических заводах. В промышленности существует два типа индукционных нагревателей, основной (непрямой) и без сердечника (прямой), и этот тип нагревателя будет представлен в статье.
Основным преимуществом индукционного нагрева является его высокая энергоэффективность, достигающая до 90%. Во время обычного нагрева топливом происходит большая потеря тепловой энергии, которая выделяется в окружающую среду, и только часть этой энергии используется для нагрева металла. В методе индукционного нагрева почти вся энергия, за исключением потерь в генераторе, катушке и системе электропитания, нагревает металл, потому что металл нагревается изнутри с помощью вихревых токов.
Если в области нагревателя нет металла, потребляется только ток, необходимый для питания нагревателя. Важно отметить, что в отличие от нагрева топливом с использованием индукционного нагревателя можно нагревать только электропроводящие объекты — этот проект, как упоминалось во введении, предназначен для нагрева металлов. Некоторое время назад промышленный метод индукционного нагрева был применен в домашнем хозяйстве в виде индукционных плит.
Такая печь обеспечивает комфортное использования, высокую эффективность и безопасность, а главное — не требует смешивания установки с ядовитым, легковоспламеняющимся газом. Мощность, которую мы должны обеспечить для кипячения с газом, намного больше за счет потери тепла, чем мощность, подаваемая на индукционную варочную панель. К сожалению, при использовании индукционной плиты используйте посуду, предназначенную для нее, что искусно используют производители посуды, иногда необоснованно повышая их цены.
Конструкция индукционного нагревателя, представленная в статье, состоит из генератора и катушки. Катушка не имеет сердечника, и нагретый металл помещается внутрь катушки, например, в тигле. Принцип работы печи можно сравнить с принципом работы трансформатора с укороченной вторичной обмоткой. Катушка печи является первичной обмоткой, а заряд — закороченной вторичной обмоткой. Быстро меняющийся ток с высокой интенсивностью и частотой в несколько десятков кГц, протекающий через катушку, создает электромагнитное поле. Когда проводник (металл) находится внутри этого поля, он становится «вторичной обмоткой», в которой индуцируются вихревые токи, нагревающие заряд. Представленный нагреватель сконструирован таким образом, что после сборки и включения питания он готов к работе, и его нет необходимости настраивать.
На рисунке приведена принципиальная схема модели индукционного нагревателя.
Как вы можете видеть, в нем используется не большое число компонентов, наиболее важными из которых являются два транзистора, два дросселя, набор конденсаторов и катушка. При проектировании нагревателя рассматривались различные конструкции, в том числе вариант с генератором частоты. Однако нагреватели с генератором, частоту необходимо устанавливать вручную, работают не очень хорошо из-за изменения параметров индуктивности и мощности, которые нагреваются во время работы, что приводит к изменению генерируемой частоты.
Представленное решение нагревателя характеризуется стабильной работой и хорошие параметры, он широко используется в устройствах DIY. При включении источника питания генератор автоматически настраивается в резонанс и поддерживает требуемую рабочую частоту, автоматически реагируя на изменения температуры используемых компонентов.
По сравнению с типовым решением для улучшения и повышения надежности, в нагреватель добавлено несколько элементов. В схемах затворов транзисторов MOS-FET T1 и T2 были включены стабилитроны D1 и D2, ограничивающие напряжение на их затворах, предотвращающие повреждение транзисторов, а также использовались диоды D3 и D4, которые улучшают попеременное открытие транзисторов T1 и T2. Частота, генерируемая нагревателем, составляет около 90 кГц и зависит от общей емкости С1 ... С6 и индуктивности катушки. Катушка нагревателя выполнена из медной трубки диаметром около 6 мм.
С другой стороны, медная трубка позволяет легко охлаждать змеевик во время длительной работы, например, водой или другим охлаждающим средством, которое может проходить через внутреннюю часть трубы.
Схема нагревателя была выполнена на двухсторонней печатной плате с металлизацией отверстий, монтажная схема которой показана на рисунке.
Транзисторы Т1 и Т2 должны быть припаяны таким образом, чтобы их можно было прикрутить к радиатору. Дроссели L1 и L2 лучше всего устанавливать на плате в последнею очередь. Катушка изготовлена из медной трубки диаметром около 6 мм, намотанной на оправку диаметром около 50 мм. Намотать 6 или 7 витков, оставив прямые выводы для монтажа на клеммы генератора и для возможного подключения к трубкам охлаждающей жидкости.
Пример реализации катушки приведен на рисунке.
Чтобы изготовить катушку с семью витками, намотанными на сердечник диаметром 50 мм, используйте трубку длиной около 100 см. На рисунке показано, как подключить катушку к плате генератора.
При установке транзисторов тщательно измерьте высоту, на которой они должны быть припаяны к плате, чтобы монтажные отверстия совпадали с отверстиями в радиаторе.
На устройство подается напряжение в диапазоне 12 ... 48В. Испытания также проводились при напряжении 55В, но выше 40В метод, используемый для охлаждения транзисторов в виде кусочка алюминиевого профиля, недостаточен, а радиатор должен быть увеличен и применено принудительное охлаждение при помощи вентилятора.
Из-за высокого тока, потребляемого нагревателем при работе, достигающего даже 30 ... 40 А, для запуска нагревателя следует использовать трансформатор мощностью около 1 кВт и вторичным напряжением 9 ... 40В в зависимости от выбранного рабочего напряжения нагревателя. Вторичное напряжение трансформатора должно быть выпрямлено с помощью выпрямительного моста с током около 50 А и сглажено с помощью конденсатора емкостью около 10мФ.
Схема несложного выпрямителя показана на рисунке.
На рисунке показан пример нагрева металлической трубки.
В зависимости от типа нагреваемого металла может быть достигнута температура выше 1000 C. Нагреватель не нагревает цветные немагнитные металлы, такие как алюминий. Для плавления алюминия следует использовать тигель с металлическим сердечником. Во время работы нагревателя катушка очень сильно нагревается, поэтому используйте ее с особой осторожностью и защитную одежду и очки.
