Индукционный нагрев. Основы. Индукционные нагреватели своими руками: пошаговая инструкция

Индукционный нагреватель лежит в основе нового метода отопления жилых домов. Для обогрева агрегат использует электромагнитную энергию. Как теплоноситель в приборе применяется вода. Индукционный котел можно приобрести готовый заводской или сделать его самостоятельно. Об особенностях прибора и его сборке я и расскажу.

Что такое индукционное нагревание

Работает индукционный прибор на энергии, вырабатываемой электромагнитным полем . Ее вбирает в себя носитель тепла, отдавая его затем помещениям:

1. Создает электромагнитное поле в таком водонагревателе индуктор. Это многовитковая проволочная катушка цилиндрической формы.
2. Протекая сквозь нее, переменный электроток вокруг катушки генерирует магнитное поле.
3. Его линии размещаются перпендикулярно вектору электромагнитного потока. При перемещении они воссоздают замкнутую окружность.
4. Вихревые потоки, создаваемые переменным током, преобразуют энергию электричества в тепло.

Тепловая энергия при индукционном нагревании тратится экономно и при невысокой скорости разогрева. Благодаря этому индукционный прибор доводит воду для системы отопления за небольшой временной период до высокой температуры.

Особенности прибора

Индукционный нагрев осуществляется при помощи трансформатора. Он состоит из пары обмоток:

• внешней (первичной);
• короткозамкнутой внутренней (вторичной).

Вихревые токи возникают в глубинной части трансформатора. Они перенаправляют появляющееся электромагнитное поле на вторичный контур. Тот одновременно исполняет функцию корпуса и выступает, как нагревательный элемент для воды.

С ростом плотности вихревых потоков, направленных на сердечник, сначала разогревается он сам, затем - весь тепловой элемент.

Для подачи прохладной воды и отвода подготовленного теплоносителя в отопительную систему индукционный нагреватель оснащается парой патрубков:

1. Нижний из них устанавливается на входную часть водопровода.
2. Верхний патрубок - на питающий участок отопительной системы.

Из каких элементов состоит прибор, и каким образом работает

Индукционный водонагреватель состоит из таких конструктивных элементов:

Фото	Конструктивный узел
	Индуктор . Он состоит из множества витков медной проволоки. В них и генерируется электромагнитное поле.
	Нагревательный элемент . Это труба из металла или обрезки стальной проволоки, размещаемые внутри индуктора.
	Генератор . Он трансформирует бытовую электроэнергию в высокочастотный электроток. Роль генератора может играть инвертор от сварочного аппарата.

При взаимодействии всех составляющих прибора происходит выработка тепловой энергии и передача ее воде. Схема работы агрегата такова:

1. Генератор продуцирует высокочастотный электроток. Затем он передает его индукционной катушке.
2. Та, восприняв ток, трансформирует его в электрическое магнитное поле.
3. Нагреватель, расположенный внутри катушки, раскаляется от действия вихревых потоков, появляющихся из-за смены вектора магнитного поля.
4. Вода, циркулирующая внутри элемента, нагревается от него. Затем она поступает в систему отопления.

Достоинства и недостатки индукционного метода нагревания

Индукционные нагреватели наделены такими достоинствами :

• высокий уровень КПД;
• не нуждаются в частом техобслуживании;
• они отнимают мало свободного пространства;
• вследствие вибраций магнитного поля, внутри них не оседает накипь;
• приборы бесшумны;
• они безопасны;
• благодаря герметичности корпуса не появляются протечки;
• функционирование нагревателя полностью автоматизировано;
• агрегат экологически чист, не выделяет копоть, сажу угарный газ и пр.

Главный минус прибора - дороговизна его заводских моделей .

Однако данный недостаток можно нивелировать, если собрать индукционный нагреватель своими руками. Монтируется агрегат из легкодоступных элементов, их цена невелика.

Сборка агрегата

Делается самодельный индукционный нагреватель из сварочного инвертора. Кроме него вам понадобятся некоторые материалы и инструменты.

Какие материалы и инструментарий будут нужны

Чтобы собрать индукторный котел самостоятельно, необходим:

1. Инвертор от сварочного аппарата. Это устройство значительным образом упростит сборку водонагревателя.

1. Толстостенная труба из пластика. Она будет играть роль корпуса агрегата.
2. Проволока из стали-нержавейки. Она станет выполнять функцию нагревательного элемента в магнитном поле.
3. Сеточка из металла. В ней будут заключены отрезки проволоки из стали-нержавейки.
4. Водяной насос для циркуляции жидкости.

1. Проволока из меди для установки индуктора.
2. Термический регулятор.
3. Фитинги и шаровые вентили для соединения водонагревателя с отопительной системой.
4. Пассатижи для работы с проволокой.

Этапы работы

Собирая нагреватель, придерживайтесь точной последовательности работ :

1. Сначала закрепите на одной стороне трубы из пластика металлическую сеточку. Она не даст вываливаться проволочным отрезкам нагревательного элемента.
2. В этом же конце корпуса зафиксируйте патрубок для подключения к системе отопления.
3. Пассатижами нарежьте куски проволоки-нержавейки. Их длина должна быть 1–5 см. Плотно уложите отрезки в пластиковый корпус. В трубе при этом не должно остаться свободного места.
4. Другой конец трубы закройте металлической сеткой. Затем установите в нем второй патрубок для отопительной сети.

1. Далее займитесь изготовлением индукционной катушки. Для этого обмотайте трубу проволокой из меди. Инструкция предупреждает, что в намотке должно быть не меньше 80–90 витков.
2. После этого подсоедините концы медной обмотки к инверторным полюсам аппарата для сварки. Обмотайте изолентой все точки соединений.

1. Подключите водонагреватель к отопительной сети.
2. Если обогревательная система еще не была оснащена циркуляционным насосом, то подключите его.

1. К инвертору подсоедините термический регулятор. Он даст возможность автоматизации функционирования водонагревателя.
2. В последнюю очередь проверьте работоспособность собранного прибора.

После включения инвертора, индукторная катушка воссоздает электромагнитное поле. Оно генерирует вихревые потоки. Те быстро нагревают проволочные отрезки проволоки. Они передают тепло циркулирующей воде.

Вывод

Индукционный нагреватель металла из сварочного инвертора - эффективный отопительный прибор. При этом у него простая конструкция, потому его несложно собрать самостоятельно.

Ознакомьтесь с видео в этой статье, где есть дополнительные инструкции. Если у вас остались вопросы, то задавайте их в комментариях.

Индукционный нагреватель можно устанавливать в квартире, для этого не нужно никаких согласований и связанных с ними расходов и хлопот. Достаточно желания хозяина. Проект подключения требуется только теоретически. Это и стало одной из причин популярности индукционных нагревателей, даже несмотря на приличную стоимость электроэнергии.

Индукционный способ нагрева

Индукционный нагрев - это нагрев переменным электромагнитным полем проводника, помещенного в это поле. В проводнике возникают вихревые токи (токи Фуко), которые и нагревают его. По сути дела - это трансформатор, первичная обмотка - это катушка, называемая индуктором, а вторичная обмотка - это вкладка или короткозамкнутая обмотка. Тепло не подводится к вкладке, а генерируется в ней самой блуждающими токами. Все, окружающее ее, остается холодным, что является определенным преимуществом устройств такого рода.

Тепло во вкладке распределяется неравномерно, а только в поверхностных ее слоях и далее по объему распространяется за счет теплопроводности материала вкладки. Причем с повышением частоты переменного магнитного поля глубина проникновения уменьшается, а интенсивность увеличивается.

Для работы индуктора с частотой большей, чем в сети (50Гц), применяются транзисторные или тиристорные преобразователи частоты. Тиристорные преобразователи позволяют получать частоты до 8 КГц, транзисторные - до 25КГц. Схемы их подключения можно найти легко.

Планируя установку систем отопления в собственном доме или на даче, кроме прочих вариантов на жидком или твердом топливе, необходимо рассмотреть вариант с применением индукционного нагрева котла. С таким отоплением экономить на электроэнергии не удастся , но отсутствуют опасные для здоровья вещества.

Основное назначение индуктора - выработка тепловой энергии за счет электрической без использования теплоэлектронагревателей принципиально другим способом.

Типовой индуктор состоит из следующих основных деталей и устройств:

Устройство нагревательного прибора

Основные элементы индукционного нагревателя для отопительной системы.

1. Стальная проволока диаметром 5-7 мм.
2. Труба из пластика с толстой стенкой. Внутренний диаметр не менее 50 мм и длина подбирается по месту установки.
3. Медная эмалированная проволока для катушки. Размеры подбираются в зависимости от мощности устройства.
4. Сетка из нержавеющей стали.
5. Сварочный инвертор.

Порядок изготовления индукционного котла

Вариант первый

Стальную проволоку порубить на отрезки длиной не более 50 мм. Рубленой проволокой заполнить пластиковую трубу. Торцы заглушить проволочной сеткой для предотвращения высыпания проволоки.

На концах трубы установить переходники от пластиковой трубы к размеру трубы в месте подключения нагревателя.

Медным эмалированным проводом намотать обмотку на корпусе нагревателя (пластиковой трубе). Для этого понадобится порядка 17 метров провода: количество витков - 90, наружный диаметр трубы порядка 60 мм: 3,14 х 60 х90 = 17 (метров). Длину уточните дополнительно, когда будет точно известен наружный диаметр трубы.

Пластиковую трубку, а теперь уже индукционный котел , врезать в трубопровод в вертикальном положении.

При проверке работоспособности индукционного нагревателя убедитесь, что в котле присутствует теплоноситель. В противном случае корпус (пластиковая труба) расплавится очень быстро.

Подключить котел к инвертору, необходимо заполнить систему теплоносителем и можно включать.

Вариант второй

Конструкция индукционного нагревателя из сварочного инвертора по этому варианту более сложна, требует определенных навыков и умений работать своими руками, однако, она более эффективна. Принцип тот же - индукционный нагрев теплоносителя.

Для начала нужно изготовить сам индукционный нагреватель - котел. Для этого понадобятся две трубки разного диаметра, которые вставляются одна в другую с зазором между ними порядка 20 мм. Длина трубок от 150 до 500 мм, в зависимости от предполагаемой мощности индукционного нагревателя. Нужно вырезать два кольца соответственно зазору между трубками и приварить их герметично по торцам. Получилась емкость тороидальной формы.

Остается вварить в наружную стенку входную (нижнюю) трубку по касательной к корпусу и верхнюю (выходную) трубку параллельно входной на противоположной стороне тороида. Размер трубок - по размеру труб отопительной системы. Расположение входного и выходного патрубков по касательной, обеспечит циркуляцию теплоносителя по всему объему котла без образования застойных зон.

Второй шаг - создание обмотки. Эмалированный медный провод нужно наматывать вертикально, пропуская его внутрь и поднимая наверх по внешнему контуру корпуса. И так 30-40 витков, образуя тороидальную катушку. В таком варианте нагреваться будет одновременно вся поверхность котла, таким образом, значительно повышая его производительность и эффективность.

Изготовить наружный корпус обогревателя из непроводящих материалов, использовав, например, пластиковую трубу большого диаметра или банальное пластиковое ведро, если будет достаточно его высоты. Диаметр наружного корпуса должен обеспечивать выход патрубков котла сбоку. Обеспечить соблюдение правил электробезопасности по всей схеме подключения.

Корпус котла отделить от наружного корпуса теплоизолятором, можно использовать как сыпучий термоизоляционный материал (керамзит), так и плиточный (изовер, минплита и тому подобное). Этим предотвращаются потери тепла в атмосферу от конвекции.

Остается заполнить систему своим теплоносителем и подсоединить индукционный нагреватель из сварочного инвертора.

Такой котел совершенно не требует вмешательства и может работать 25 и более лет без ремонта, поскольку в конструкции отсутствуют движущиеся детали, а в схеме подключения предусмотрено использование автоматического управления.

Вариант третий

Это, наоборот, самый простой вариант обогрева жилища, выполняемый своими руками. На вертикальной части трубы системы отопления нужно выбрать прямой участок длиной не менее метра и очистить его от краски наждачной шкуркой. Затем этот участок трубы изолировать 2-3 слоями электротехнической ткани или плотной стеклоткани. После этого эмалированным медным проводом намотать индукционную катушку. Тщательно изолировать всю схему подключения.

Остается только подключить сварочный инвертор и наслаждаться теплом в своем жилище.

Обратите внимание на несколько моментов.

1. Нежелательно устанавливать такой обогреватель в жилых комнатах, где чаще всего находятся люди. Дело в том, что электромагнитное поле распространяется не только внутри катушки, но и в окружающем пространстве. Чтобы убедиться в этом, достаточно воспользоваться обыкновенным магнитом. Нужно взять его в руку и подойти к катушке (котлу). Магнит начнет ощутимо вибрировать и тем сильнее, чем ближе катушка. Поэтому лучше использовать котел в нежилой части дома или квартиры.
2. Устанавливая катушку на трубе, убедитесь, что на этом участке системы отопления теплоноситель естественным образом течет вверх, чтобы не создавать противотока, иначе система вообще не будет работать.

Можно предложить много вариантов применения индукционного нагрева в жилище. Например, в системе горячего водоснабжения можно вообще отказаться от подачи горячей воды , подогревая ее на выходах из каждого крана. Однако, это тема для отдельного рассмотрения.

Несколько слов о безопасности при использовании индукционных нагревателей со сварочным инвертором:

• для обеспечения электробезопасности необходимо тщательно изолировать токопроводящие элементы конструкций по всей схеме подключения;
• индукционный нагреватель рекомендуется только для закрытых систем отопления, в которых циркуляция обеспечивается водяным насосом;
• рекомендуется размещать индукционную систему на расстоянии не менее 30 см от стен и мебели и в 80 сантиметрах от пола или потолка;
• чтобы обезопасить работу системы нужно оснастить систему манометром, аварийным клапаном и устройством автоматического регулирования.
• установить устройство для стравливания воздуха из системы отопления во избежание образования воздушных пробок.

КПД индукционных котлов и нагревателей близка к 100%, при этом нужно учитывать, что потери электроэнергии в сварочных инверторах и проводке, так или иначе, возвращаются к потребителю в виде тепла.

Прежде чем приступать к изготовлению индукционной системы, посмотрите технические данные промышленных образцов. Это поможет определиться с исходными данными самодельной системы.

Желаем успехов в творчестве и труде на самого себя!

Индукционный нагрев

Индукционный нагрев - это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно - это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла. Система «индуктор-заготовка» представляет собой трансформатор без сердечника, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является как бы вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху. На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ, в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое Δ плотность тока уменьшается в e раз относительно плотности тока на поверхности заготовки, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла (от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки. Если деталь из ферромагнитного материала, то она ещё подвергается перемагничиванию и дополнительному нагреву из-за магнитного гистерезиса. Нагрев детали, вызванный магнитным гистерезистом, длится до тех пор, пока температура детали не достигнет температуры, при которой вещество теряет магнитные свойства (точка Кюри). Выделяющееся в теле при возникновении вихревых токов количество тепла пропорционально квадрату тока в данном участке проводника.

Для немагнитных материалов и материалов, имеющих температуру выше точки Кюри, относительная магнитная проницаемость равна единице. Глубина проникновения Δ возрастает с увеличение удельного электрического сопротивления ρ v (Ом·м) и уменьшается с увеличением частоты f (Гц) и относительной магнитной проницаемости материала μ. При частоте тока более 1 кГц можно получать тонкий нагретый слой, т.е. проводить поверхностную термическую обработку изделия, а используя ток промышленной частоты (50 Гц), - сквозной прогрев изделия.

Форма и размеры индуктора зависят от геометрии нагреваемого изделия. Индуктор изготавливают из медной трубки специального профиля в виде цилиндрической спирали или плоских витков с короткими наклонными переходами между витками. Для охлаждения индуктора по нему пропускают воду.

Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри μ имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице. Формула для вычисления глубины скин-слоя в мм:

где = 4π·10 −7 - магнитная постоянная Гн/м, - удельное электрическое сопротивление материала заготовки при температуре обработки, - частота электромагнитного поля, генерируемого индуктором. Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ≈ 0,001 мм.

Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием.

Достоинствами электроустановок индукционного нагрева являются:

Высокая скорость нагрева, пропорциональная вводимой мощности;

Хорошие санитарно-гигиенические условия труда;

Возможность регулирования зоны действия вихревых токов в про-странстве (ширина и глубина прогрева);

Простота автоматизации технологического процесса;

Неограниченный уровень достигаемых температур, достаточных для нагрева металлов, плавления металлов и неметаллов, перегрева, расплава, испарения материалов и получения плазмы.

Недостатки:

Требуются более сложные источники питания;

Повышенный удельный расход электроэнергии на технологические операции.

К особенностям индукционного нагрева можно отнести возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов.

Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому телу зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении. Глубина нагрева тела увеличивается с ростом его удельного сопротивления и снижается с увеличением частоты тока. Ток индукторов составляет от сотен до нескольких тысяч ампер при средней плотности тока 20 А/мм 2 . Потери мощности в индукторах могут достигать 20-30 % от полезной мощности.

Индукционные нагревательные установки (ИНУ) широко применяются в различных технологических процессах в машиностроительной и других отраслях промышленности. Их подразделяют на два основных типа: установки сквозного и поверхностного нагрева.

Установки для закалки и сквозного нагрева в зависимости от назначения питаются от сетей переменного тока на частоте от 50 Гц до сотен кГц. Питание установок повышенной и высоких частот производится от тиристорных или машинных преобразователей..

По режиму работу установки сквозного нагрева подразделяют на установкипериодического и непрерывного действия.

В установках периодического действия нагревается только одна заготовка или ее часть. При нагреве заготовок из магнитного материала происходит изменение потребляемой мощности: вначале она возрастает, а затем по достижении точки Кюри снижается до 60-70 % от начальной. При нагреве заготовок из цветных металлов мощность в конце нагрева несколько увеличивается за счет роста удельного электрического сопротивления.

В установках непрерывногодействияодновременно находится несколько заготовок, расположенных в продольном или поперечном магнитном поле (рис.3.1). В процессе нагрева они перемещаются по длине индуктора, нагреваясь до заданной температуры. В нагревателях непрерывного действия полнее используется мощность источника питания, поскольку средняя мощность, потребляемая ими от источника питания, выше, чем средняя мощность, потребляемая нагревателем периодического действия.

Индукционные нагреватели непрерывного действия имеют более высокий КПД источника питания. Производительность выше, чем у установок периодического действия. Возможно питание нескольких нагревателей от одного источника, а также подключение нескольких генераторов к одному нагревателю, состоящему из нескольких секций (рис. 3.1, в)

Конструкция индуктора для сквозного нагрева зависит от формы и размеров деталей. Индукторы выполняют круглого, овального, квадратного или прямоугольного сечения. Для нагрева концов заготовок индукторы выполняют щелевыми или петлевыми (рис.3.1, г, д).

Необходимость поддержания высокого электрического и теплового КПД системы индуктор-нагреваемое тело определяет исключительно большое количество форм и размеров индукторов. Схемы некоторых индукторов для поверхностного нагрева показаны на рис.3.2. Между индуктором и огнеупорным цилиндром проложен слой теплоизолирующего материала, что снижает тепловые потери и защищает электрическую изоляцию индуктора.

Электрический КПД системы индукционного нагрева увеличивается с уменьшением зазора индуктором и нагреваемым изделием, а также с увеличением отношения удельных сопротивлений нагреваемого изделия и материала индуктора.

Резистивный нагрев

Нагрев проводящего тела при прохождении через него электрического тока по закону Джоуля-Ленца называют резистивным нагревом. Для выделения тепла в твёрдом проводнике можно использовать постоянный и переменный электрический ток. Применение постоянного тока затруднено и экономически не выгодно из-за отсутствия источников (генераторов) большой силы тока и низкого напряжения, которые необходимы для выделения тепла в твёрдом проводнике, обладающей высокой электропроводностью. Способность переменного тока к трансформации позволяет получать требуемые напряжения. При переменном токе под сопротивлением проводника постоянному току. Это объясняется наличием скин-эффекта, влияние которого возрастает с увеличением частоты, диаметра проводника, магнитной проницаемостью и падает с ростом электрического сопротивления.

Принцип выделения тепла в проводнике при пропускании тока находит применение в печах прямого (контактного) и косвенного нагрева.

В печах сопротивления прямого нагрева ток проводиться непосредственно к нагреваемому изделию. При расчёте электрических параметров нагрева необходимо учитывать изменение в процессе нагрева сопротивления материала.

В качестве материала нагревателей применяют сплавы на основе Fe, Ni, Cr , Mo и Al. В виде проволоки или ленты. Также используют нагреватели из графита. Электронагреватели трубчатые (ТЭН) предназначены для нагрева различных сред путём конвекции, теплопроводности или излучения посредством преобразования электрической энергии в тепловую (рис.3.3). Применяются в качестве комплектующих изделий в промышленных устройствах. ТЭНы используются для следующих целей: нагрев жидкости, воздуха и прочих газов; нагрев воды и слабых растворов кислот и щелочей; нагрев подложек в вакуумных камерах.

Рисунок 3.3 – Конструкция трубчатого электронагревателя

Конструкция двухконцевого трубчатого элетронагревателя круглого сечения представляет собой расположенный внутри металлической оболочки нагревательный элемент 5 (спираль или несколько спиралей из сплава с высоким сопротивлением) с контактными стержнями 1. От оболочки 4 нагревательный элемент изолирован спрессованным электроизоляционным наполнителем 6. Для предохранения от попадания влаги из окружающей среды торцы ТЭН герметизируют. Контактные стержни изолируют от оболочки диэлектрическими изоляторами 3,7. Для присоединения проводов используются гайки с шайбами 2.

Преимущества резистивного нагрева: высокий КПД, простота, и низкая стоимость.Недостатки: загрязнение материалом нагревателя, старение нагревателя.

Индукционный нагреватель состоит из мощного источника высокой частоты и колебательного контура, включающего в себя индуктор (рис. 1). В переменное магнитное поле индуктора помещается нагреваемая заготовка. В зависимости от материала заготовки, её объёма и глубины нагрева, применяется широкий диапазон рабочих частот, от 50 Гц до десятков МГц. При низких частотах порядка 100-10000 Гц в промышленности могут применяются электромашинные преобразователи и тиристорные инверторы. При частотах порятка МГц могут применяться электронные лампы. На средних частотах порядка 10-300 кГц целесообразно применять транзисторы IGBT/MOSFET.

Рисунок 1. Общая схема

Физика

Согласно закону электромагнитной индукции, если проводник находится в изменяющемся (переменном) магнитном поле, то в нём индуцируется (наводится) электродвижущая сила (ЭДС), направление которой перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, пересекающего проводник. При этом амплитуда ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, в котором находится проводник.
Говоря простым языком, если заготовку из проводящего материала рассматривать как бесконечное множество короткозамкнутых контуров, то при помещении её в индуктор, под действием переменного магнитного поля в этих контурах будут индуцироваться токи (т.н. вихревые или токи Фуко). В свою очередь эти токи, согласно закону Джоуля-Ленца, вызовут нагрев заготовки, так как её материал обладает электрическим сопротивлением.

Рисунок 2. Принцип работы

Как при прохождении по металлическим проводникам переменного тока, так и при нагреве токами высокой частоты металлов, наблюдается поверхностный эффект (скин-эффект). Связано это с тем, что вихревые токи в толще проводника вытесняют основной ток на поверхность. Индукционный нагрев металла интенсивнее у поверхности, чем в центре. Глубина скин-слоя зависит от удельного сопротивления материала, его магнитной проницаемости и обратно пропорциональна частоте поля. Поэтому, в зависимости от частоты, данный метод нагрева может применяться как для плавки металла, так и для поверхностной закалки.

Согласование

Для инвертора, являющегося источником напряжения прямоугольной формы, LC-контур является нагрузкой с низким импедансом. Для согласования применяются высокочастотные трансформаторы или дроссели.
Согласующий дроссель, включенный в разрыв провода между инвертором и контуром, вместе с резонансным конденсатором образует LC-фильтр. Таким образом, отбирая небольшую часть емкости резонансного конденсатора, дроссель в малой степени влияет на частотную характеристику контура. Обычно такой дроссель выполняется на ферритовом сердечнике с воздушным зазором, изменяя величину которого, можно регулировать подводимую к индуктору мощность.
Высокочастотный трансформатор может работать как на параллельный контур, так и последовательный. В первом случае трансформатор сильно повлияет на резонансную частоту контура. Во втором случае последовательный контур в резонансном режиме будет потреблять максимум мощности с пустым индуктором (без нагрузки), т.к. при резонансе напряжений реактивное сопротивление LC-цепи стремится к нулю, а активное в таких цепях - как правило, очень мало. Конструктивно согласующий трансформатор выполняется на ферритовом кольце (либо набирается из нескольких) и надевается на провод индуктора.
Если импедансы не согласованы, то сильно падает КПД такого нагревателя и повышается риск выхода из строя питающего источника. При правильной настройке генератора, его частота должна совпадать с резонансной частотой выходного контура, либо может быть немного выше резонансной. В этом случае ключи питающего преобразователя работают в наиболее благоприятном режиме. Не желательно допускать ситуации, когда частота переключений инвертора будет ниже резонансной, т.е. сопротивление будет иметь емкостной характер.
С изменением массы или материала нагреваемого тела резонансная частота колебательного контура меняется. Для подстройки применяются различные методы: переключение емкости конденсаторной батареи, автоматическая подстройка частоты, ручная регулировка частоты, автогенераторы.
При достижении определенной температуры материала (точка Кюри) материал теряет магнитные свойства, в следствие чего резонансная частота контура резко меняется, а также увеличивается толщина скин-слоя.

Выбирая элементы контура следует учитывать, что при резонансе в контуре достигаются токи и напряжения большой амплитуды, которые могут превышать питающие в десятки раз. Индуктор следует изготавливать из медного провода или трубки достаточного сечения. Даже при небольшой мощности (порядка 200-500 Вт) индуктор начинает сильно нагреваться под действием собственного поля. Работать такой индуктор будет, но сильно перегреется за короткое время.
Для отвода тепла обычно применяется водное охлаждение, тогда индуктор делается из медной трубки.
В качестве контурных конденсаторов следует выбирать высоковольтные конденсаторы с достаточной реактивной мощностью, с низвикми диэлектрическими потерями, присоединять шинами/проводами c наименьшей длиной и индуктивностью, вблизи индуктора. Существуют специальные конденсаторы для работы в таких установках, но при относительно малой мощности (единицы кВт) успешно приметяются батареи полипропилленовых конденсаторов.

Плавка металла методом индукции широко применяется в разных отраслях: металлургии, машиностроении, ювелирном деле. Простую печь индукционного типа для плавки металла в домашних условиях можно собрать своими руками.

Нагрев и плавка металлов в индукционных печах происходят за счет внутреннего нагрева и изменения кристаллической решетки металла при прохождении через них высокочастотных вихревых токов. В основе этого процесса лежит явление резонанса, при котором вихревые токи имеют максимальное значение.

Чтобы вызвать протекание вихревых токов через расплавляемый металл, его помещают в зону действия электромагнитного поля индуктора - катушки. Она может иметь форму спирали, восьмерки или трилистника. Форма индуктора зависит от размеров и формы нагреваемой заготовки.

Катушка индуктора подключается к источнику переменного тока. В производственных плавильных печах используют токи промышленной частоты 50 Гц, для плавки небольших объемов металлов в ювелирном деле используют высокочастотные генераторы, как более эффективные.

Виды

Вихревые токи замыкаются по контуру, ограниченному магнитным полем индуктора. Поэтому нагрев токопроводящих элементов возможен как внутри катушки, так и с внешней ее стороны.

Поэтому индукционные печи бывают двух типов:
• канальные, в которых емкостью для плавки металлов являются каналы, расположенные вокруг индуктора, а внутри него расположен сердечник;
• тигельные, в них используется специальная емкость - тигель, выполненный из жаропрочного материала, обычно съемный.

Канальная печь слишком габаритная и рассчитана на промышленные объемы плавки металлов. Её используют при выплавке чугуна, алюминия и других цветных металлов.
Тигельная печь довольно компактна, ей пользуются ювелиры, радиолюбители, такую печь можно собрать своими руками и применять в домашних условиях.

Устройство

Самодельная печь для плавки металлов имеет довольно простую конструкцию и состоит из трех основных блоков, помещенных в общий корпус:
• генератор переменного тока высокой частоты;
• индуктор - спиралевидная обмотка из медной проволоки или трубки, выполненная своими руками;
• тигель.

Тигель помещают в индуктор, концы обмотки подключают к источнику тока. При протекании тока по обмотке вокруг нее возникает электромагнитное поле с переменным вектором. В магнитном поле возникают вихревые токи, направленные перпендикулярно его вектору и проходящие по замкнутому контуру внутри обмотки. Они проходят через металл, положенный в тигель, при этом нагревая его до температуры плавления.

Достоинства индукционной печи:

• быстрый и равномерный нагрев металла сразу после включения установки;
• направленность нагрева - греется только металл, а не вся установка;
• высокая скорость плавления и однородность расплава;
• отсутствует испарение легирующих компонентов металла;
• установка экологически чиста и безопасна.

В качестве генератора индукционной печи для плавки металла может быть использован сварочный инвертор. Также можно собрать генератор по представленным ниже схемам своими руками.

Печь для плавки металла на сварочном инверторе

Эта конструкция отличается простотой и безопасностью, так как все инверторы оборудованы внутренними защитами от перегрузок. Вся сборка печи в этом случае сводится к изготовлению своими руками индуктора.

Выполняют его обычно в форме спирали из медной тонкостенной трубки диаметром 8-10 мм. Ее сгибают по шаблону нужного диаметра, располагая витки на расстоянии 5-8 мм. Количество витков - от 7 до 12, в зависимости от диаметра и характеристик инвертора. Общее сопротивление индуктора должно быть таким, чтобы не вызывать перегрузки по току в инверторе, иначе он будет отключаться внутренней защитой.

Индуктор можно закрепить в корпусе из графита или текстолита и установить внутрь тигель. Можно просто поставить индуктор на термостойкую поверхность. Корпус не должен проводить ток, иначе замыкание вихревых токов будет проходить через него, и мощность установки снизится. По этой же причине не рекомендуется располагать в зоне плавления посторонние предметы.