Индуктор печи. Как собрать индукционную печь – схемы и инструкции. Прибор на лампах

Обновлено:

2016-08-14

Индукционная печь хорошо знакома тем, чья профессия или хобби связаны с плавкой, обработкой металла. Их повсеместно используют на металлургических предприятиях. Но при этом такие печки вполне можно использовать для хозяйственных нужд. Скажем больше, данное оборудование при правильном подходе изготавливается своими руками. Однако сперва разберемся в принципе работы и конструкции.

Каждая индукционная печь основана на индукционном нагреве. Если говорить более простым языком, то тепло получается за счет электрического тока, который создает электромагнитное поле. При этом не стоит путать понятия индукционная печка и электрокотел. Хотя в обоих случаях используется электричество, приборы совершенно различны между собой, используется разная схема и пр.

Индуктор — витки проводов, в которые помещается электропроводящая заготовка, выполненная из графита. За счет мощности генератора, в индуктор поступают разночастотные токи, что способствует созданию мощного электромагнитного поле. Поле воздействует на графитовую заготовку, нагревая ее. Это позволяет получать тепло высокой эффективности.

Создаваемое тепло индукционная печь может направлять на различные потребности и нужды человека:

Для плавки различных видов металла. Это мощные печи, применяемые в промышленности;
Для поверхностной закалки металла. Незаменимая вещь для обработки изделий из металла;
Для термообработки металлических заготовок;
Для обогрева помещения, приготовления пищи.

Виды индукционных печей

Теперь, когда принцип работы устройства понятно, разберемся, какой может быть индукционная печь.

Тигельная печь. Индукционная тигельная печь служит для плавки металла. Такое оборудование имеет характерное отличие от стальных видов печей — сердечник отсутствует, схема нестандартная.
Канальная печь. Это трансформатор, который имеет стальной магнитный проводов и вторичную обмотку одновиткового типа. Данная обмотка служит одновременно в качестве нагрузки. Такая схема создания печи используется не так часто, как тигельная.
Вакуумная печь. Процесс плавки металла осуществляется в вакууме, что позволяет удалить из металла вредные примеси.
Бытовая индукционная печка. Такая индукционная печь служит для бытовых нужд. При работе с ними следует соблюдать важное правило — использовать посуду, материал которой поглощает электромагнитное поле.

Наибольший интерес представляет именно тигельная печь, потому о ней поговорим подробнее.

Тигельная печка

Это самый распространенный тип индукционной печи, где все основано на индукционном нагреве.

Мы уже отмечали, что конструкция оборудования предусматривает отсутствие сердечника. Потому это изделие правильной цилиндрической формы, материал для изготовления которого должно быть обязательно огнеупорным. Это и есть тигель. Он помещается в полость индуктора и подключается к источнику подачи переменного тока.

Среди основных преимуществ тигельной печки можно выделить следующие:

Принцип выделения энергии осуществляется при загрузке, потому не требуется промежуточный нагревательный элемент;
Процесс работы тигельной индукпечи позволяет получить многокомпонентные сплавы;
Уникальность оборудования в том, что в нем воссоздается различный тип атмосферы — окислительная, восстановительная или нейтральная;
Показатели давления могут регулироваться;
Отличаются высокой производительностью работы. Даже при средних частотах;
Отлично подходит для работы с металлами разного типа и марки. Для перехода от работы с одним металлом на другой не нужно затрачивать много ресурсов и времени;
Легкость эксплуатации, простота управления и настройки;
Поддаются автоматизации;
Не имеют местные перегревы, выравнивают температуру по всему объему емкости для плавки;
Экологичные. В результате работы тигельной печки атмосфера практически не страдает;
Процесс работы на индукционной печке тигельного типа довольно чистый, гигиеничный.

Но есть у тигельных печей два недостатка.

Достаточно низкая температура используемых для обработки зеркала плавки шлаков.
Не особо высокий показатель стойкости футеровки, что становится особенно заметным при резких перепадах температуры.

Но принцип работы, качество плавки металла и возможности тигельной индукционной печки заставляют частично закрывать глаза на недостатки, поскольку достоинства их существенно превосходят.

Футеровка

Мы затронули такое понятие как футеровка. Но что это? Давайте разбираться.

Футеровка требуется для защиты обшивки, то есть кожуха печки. Футеровка не позволяет высоким температурам пагубно воздействовать на конструкцию. Но и это не все.

Футеровка заметно сокращает тепловые потери, а потому повышает эффективность работы устройства.

Как показывает практика, наиболее эффективная футеровка изготавливается на основе модификации кремнезема — кварцит. Чтобы футеровка могла хорошо выполнять свои задачи, требуется создать три зоны состояния материала:

Промежуточная;
Монолитная;
Буферная.

Только трехслойная футеровка позволяет максимально обеспечить защитные функции индукционной печи.

Негативно на целостность футеровки влияют несколько факторов:

Нарушение рекомендаций и правил в процессе укладки, когда создавалась футеровка;
Применение защитных материалов низкого качества;
Условия повышенной нагрузки при эксплуатации индукционного оборудования.

Делаем своими руками

Как вы думаете, индукционная печь своими руками — это реально? Более чем.

Начать нужно с того, чтобы понять схему устройства. Мы приведем пример самой элементарной индукционной печи. Поняв принцип и разобравшись, какая схема здесь используется, можно попробовать создать нечто более сложное, подходящее для бытовых нужд.

В описываемом руководстве по изготовлению индукционной печи мы возьмем не очень мощный генератор с низковольтными транзисторами. Его хватит для нагрева железа. Полученный прибор нагрева полностью основан на работе токов Фуко.

Для работы вам потребуется:

Проволока для индуктора;
Светодиод;
Ферритовые кольца с разным диаметром;
Схема К174ХА11. Данная микросхема есть везде.

Теперь приступаем к сборке.

Для начала соберем задающий генератор для нашего нагревателя индукционного типа.
Вам нужна схема (К174ХА11), которая предварительно настраивается на пределы частоты 40-80 кГц.
Задайте скважность на 50%. Для создаваемого оборудования это оптимальные показатели.
Трансформатор ТР1 наматывается на маленьком ферритовом кольце диаметром около 2 сантиметров.
Для обмотки используются провода диаметром 4 миллиметра. Намотка должна получиться из 30 витков.
Трансформатор ТР2 наматывается на ферритовое кольцо большего диаметра — 5 сантиметров. На первичной обмотке обязательно 22 витка из проводов диаметров 1 миллиметр.
Для вторичной обмотки требуется 2-3 витка из аналогичной проволоки, только сложенной в четыре раза.
Индуктор делают из проволоки толщиной 3 миллиметра. Диаметр получаемого индуктора составляет 11 миллиметров. Количество витков при этом ровно 6.
Для настройки резонанса используют обычный светодиод, подключенный через резистор 1к.
Если после включения генератор не начал работать, выводы обмоток на транзисторных базах попробуйте поменять местами.
Обязательно подавайте напряжение постепенно при первом пуске с шагом 10 В.
Одновременно с повышением напряжения следите за состоянием транзисторов, чтобы схема выдержала нагрузку. Если вы собрали конструкцию правильно, транзисторы только слегка нагреются, они не должны быть горячими.

Специалисты отмечают, что при выборе между индукционной печкой и электрическим аналогом, предпочтение следует отдать первому варианту. Но это уже дело лично каждого. Так что решайте.

Индукционная плавильная печь применяется для плавления металлов и сплавов уже на протяжении последних нескольких десятилетий. Устройство получило широкое распространение в металлургической и машиностроительной областях, а также в ювелирном деле. При желании простую версию этого оборудования можно изготовить своими руками. Рассмотрим принцип работы и особенности применения индукционной печи подробнее.

Принцип индукционного нагрева

Для того чтобы металл перешел из одного агрегатного состояния в другое требуется нагреть его до достаточно высокой температуры. При этом у каждого металла и сплава своя температура плавления, которая зависит от химического состава и других моментов. Индукционная плавильная печь проводит нагрев материала изнутри при создании вихревых токов, которые проходят через кристаллическую решетку. Рассматриваемый процесс связан с явлением резонанса, который становится причиной увеличения силы вихревых токов.

Принцип действия устройства имеет следующие особенности:

Пространство, которое образуется внутри катушки, служит для размещения заготовки. Использовать этот метод нагрева в промышленных условиях можно только при условии создания большого устройства, в которое можно будет поместить шихту различных размеров.
Устанавливаемая катушка может иметь различную форму, к примеру, восьмерки, но наибольшее распространение получила спираль. Стоит учитывать, что форма катушки выбирается в зависимости от особенностей заготовки, подвергаемой нагреву.

Для того чтобы создать переменное магнитное поле устройство подключается к бытовой сети электроснабжения. Для повышения качества получаемого сплава с высокой текучестью применяются высокочастотные генераторы.

Устройство и применение индукционной печи

При желании можно создать индукционную печь для плавки металла из подручных материалов. Классическая конструкция имеет три блока:

Генератор, который создает ток высокой частоты переменного типа. Именно он создает электрический ток, преобразующийся в магнитное поле, проходящее через материал и ускоряя движение частиц. За счет этого происходит переход металла или сплавов из твердого состояния в жидкое.
Индуктор отвечает за создание магнитного поля, которое и нагревает металл.
Тигель предназначен для плавки материала. Он помещается в индуктор, а обмотка подключается к источникам тока.

Процесс преобразования электрического тока в магнитное поле сегодня применяется в самых различных отраслях промышленности.

К основным достоинствам индуктора можно отнести нижеприведенные моменты:

Современное устройство способно направлять магнитное поле, за счет чего повышается КПД. Другими словами, проходит нагрев шихты, а не устройства.
За счет равномерного распространения магнитного поля заготовка нагревается равномерно. При этом с момента включения устройства до плавки шихты уходит небольшое количество времени.
Однородность получаемого сплава, а также его высокое качество.
При нагреве и плавлении металла не образуются испарения.
Сама установка безопасна в применении, не становится причиной образования токсичных веществ.

Существует просто огромное количество различных вариантов исполнения самодельных индукционных печей, каждая имеет свои определенные особенности.

Виды индукционных печей

Рассматривая классификацию устройств, отметим, что нагрев заготовок может проходить как внутри, так и снаружи катушки. Именно поэтому выделяют два типа индукционных печей:

Канальная. Подобного рода устройство имеет небольшие каналы, которые расположены вокруг индуктора. Для генерации переменного магнитного поля внутри расположен сердечник.
Тигельная. Эта конструкция характеризуется наличием специальной емкости, которую называют тигель. Изготавливается она из тугоплавкого металла с высоким показателем температуры плавления.

Важно, что канальные индукционные печи обладают большими габаритными размерами и предназначаются для промышленного плавления металла. За счет непрерывного процесса плавки можно получать большой объем расплавленного металла. Канальные индукционные печи применяются для плавки алюминия и чугуна, а также других цветных сплавов.
Тигельные индукционные печи характеризуются относительно небольшими размерами. В большинстве случаев подобного рода устройство применяется в ювелирном деле, а также при плавке металла в домашних условиях.
Создавая печь своими руками можно провести регулировку мощности, для чего изменяется количество витков. Стоит учитывать, что при повышении мощности устройства требуется более емкая батарея, так как повышается показатель энергопотребления. Для того чтобы снизить температуру основных элементов конструкции устанавливается вентилятор. При длительной эксплуатации печи ее основные элементы могут существенно нагреваться, что стоит учитывать.
Еще большое распространение получили индукционные печи на лампах. Подобную конструкцию можно изготовить самостоятельно. Процесс сборки имеет следующие особенности:
Медная трубка применяется для создания индуктора, для чего ее сгибают по спирали. Концы также должны быть большими, что требуется для подключения устройства к источнику тока.
Индуктор следует поместить в корпусе. Изготавливается он из термостойкого материала, который может отражать тепло.
Проводится соединение каскадов ламп по схеме с конденсаторами и дросселями.
Выполняется подключение неоновой лампы-индикатора. Она включается в схему для обозначения того, что устройство готово к работе.
В систему подключают подстроечный конденсатор переменной емкости.

Важным моментом является то, как можно провести охлаждение системы. При работе практически всех индукционных печей основные элементы конструкции могут нагреваться до высокой температуры. Промышленное оборудование имеет систему принудительного охлаждения, которое работает на воде или антифризе. Для того чтобы создать конструкцию водяного охлаждения своими руками требуется довольно много средств.
В домашних условиях устанавливается система воздушного охлаждения. Для этого устанавливаются вентиляторы. Следует располагать их так, чтобы обеспечивать беспрерывный поток холодного воздуха к основным элементам конструкции печи.

Индукционная печь часто используется в сфере металлургии, поэтому данное понятие хорошо знакомо людям, которые в той или иной степени связаны с процессом плавки различных металлов. Устройство позволяет преобразовывать электричество, образованное магнитным полем, в тепло.

Подобные устройства продаются в магазинах по довольно высокой цене, но если вы обладаете минимальными навыками использования паяльника и умеете читать электронные схемы, то можно попробовать изготовить индукционную печь своими руками.

Самодельное устройство вряд ли подойдёт для выполнения сложных задач, но вполне справится с базовыми функциями. Собрать устройство можно на основе рабочего сварочного инвертора из транзисторов, либо на лампах. Самым производительным при этом является именно устройство на лампах за счёт высокого КПД.

Принцип работы индукционной печи

Нагревание металла, помещённого внутрь устройства, происходит путём перехода электромагнитных импульсов в энергию тепла. Электромагнитные импульсы вырабатываются катушкой с витками из медной проволоки или трубы.

Схема индукционной печи и схемы проведения нагрева

При подключении устройства через катушку начинает проходить электрический ток, а вокруг появляется электрическое поле со временем меняющее своё направление. Впервые работоспособность такой установки была описана Джеймсом Максвеллом.

Объект, который нужно нагреть, необходимо поместить внутрь катушки или недалеко от неё. Целевой предмет будет пронизываться потоком магнитной индукции, а внутри появится магнитное поле вихревого типа. Таким образом, индукционная энергия перейдёт в тепловую.

Разновидности

Печи на индукционной катушке, принято подразделять на два вида в зависимости от типа конструкции:

Канальные;
Тигельные.

В первых устройствах металл для расплавки находится перед индукционной катушкой, а в печах второго типа помещается внутри неё.

Собрать печь можно, соблюдая следующие шаги:

Медную трубу сгибаем в виде спирали. Всего необходимо сделать около 15 витков, расстояние между которыми должно быть не меньше 5 мм. Внутри спирали должен свободно располагаться тигель, где и будет происходить процесс выплавки;
Изготавливаем надёжный корпус для устройства, который не должен проводить электрический ток, и обязан выдерживать высокие температуры воздуха;
Дросселя и конденсаторы собираются по обозначенной выше схеме;
К схеме подключается неоновая лампа, которая будет сигнализировать о том, что устройство готово к работе;
Также припаивается конденсатор для подстройки ёмкости.

Использование для обогрева

Индукционные печи подобного вида могут использоваться и для обогрева помещения. Чаще всего их используют вместе с котлом, который дополнительно производит нагрев холодной воды. На деле конструкции применяются крайне редко из-за того, что в результате потерь электромагнитной энергии КПД устройства минимален.

Ещё один недостаток основан на потреблении устройством больших объёмов электроэнергии в процессе работы, потому устройство относится к категории экономически невыгодных.

Охлаждение системы

Устройство, собранное самостоятельно, необходимо оборудовать системой охлаждения, так как при работе все составные части будут находиться под воздействием высоких температур, конструкция может перегреться и сломаться. В печах, продающихся в магазине, охлаждение производится водой или антифризом.

При выборе охладителя для дома предпочтение отдаётся вариантам, которые наиболее выгодны для реализации с экономической точки зрения.

Для домашних печей можно попробовать использовать обычный лопастной вентилятор. Обращайте внимание на то, что устройство не должно стоять слишком близко к печи, так как металлические детали вентилятора негативно воздействуют на работоспособность устройства, а также способны размыкать вихревые потоки и снижать производительность всей системы.

Меры предосторожности при использовании устройства

Работая с устройством следует придерживаться следующих правил:

Некоторые элементы установки, а также металл, который плавится, подвергаются сильному нагреву, в результате чего существует риск получить ожог;
При использовании ламповой печи, обязательно размещайте её в закрытом корпусе, иначе велика вероятность поражения электрическим током;
Перед работой с устройством уберите из зоны работы прибора все металлические элементы и сложные электронные приборы. Использовать устройство не стоит людям, у которых установлен кардиостимулятор.

Печь для плавки металлов индукционного типа может применяться при лужении и формовке металлических деталей.

Самодельную установку легко подогнать под работу в конкретных условиях, меняя некоторые настройки. Если придерживаться указанных схем при сборе конструкции, а также соблюдать элементарные правила безопасности, самодельное устройство практически не будет уступать магазинным бытовым приборам.

Индукционная печь уже давно не новинка – это изобретение существует еще с 19-го века, однако лишь в наше время, с развитием технологий и элементной базы, оно наконец-то начинает повсеместно входить в быт. Раньше в тонкостях работы индукторных печей было множество вопросов, не все физические процессы были до конца понятны, а сами агрегаты имели массу недостатков и использовались только в промышленности, в основном для плавки металлов.

Теперь же, с появлением мощных высокочастотных транзисторов и дешевых микроконтроллеров, совершивших прорыв во всех сферах науки и техники, появились и по-настоящему эффективные индукционные печи, которые можно свободно использовать для бытовых нужд (готовка еды, подогрев воды, отопление) и даже собрать своими руками.

Физические основы и принцип действия печи

Рис.1. Схема индукционной печи

Прежде чем выбрать или изготовить индукторный нагреватель, следует разобраться, что это такое. В последнее время наблюдается вспышка интереса к данной теме, но мало кто имеет полноценное представление о физике магнитных волн. Это породило множество заблуждений, мифов и массу неработоспособных либо небезопасных самоделок. Сделать индукторную печь своими руками можно, но перед этим стоит получить хотя бы элементарные знания.

Индукционная печка по принципу работы основана на явлении электромагнитной индукции. Ключевой элемент здесь – это индуктор, представляющий собой высокодобротную катушку индуктивности. Индукционные печи широко применяются для нагрева или плавления электропроводящих материалов, чаще всего металлов, за счет термического эффекта от наведения в них вихревого электрического тока. Представленная выше схема иллюстрирует устройство этой печи (рис. 1).

Генератором G вырабатывается напряжение переменной частоты. Под действием его электродвижущей силы в катушке индуктора L протекает переменный ток I 1 . Индуктор L совместно с конденсатором C представляет собой колебательный контур, настроенный в резонанс с частотой источника G, благодаря чему эффективность работы печи существенно возрастает.

В соответствии с физическими законами в пространстве вокруг индуктора L возникает переменное магнитное поле H. Это поле может существовать и в воздушной среде, но для улучшения характеристик иногда применяют специальные ферромагнитные сердечники, имеющие лучшую магнитную проводимость в сравнении с воздухом.

Силовые линии магнитного поля проходят сквозь объект W, помещенный внутрь индуктора, и наводят в нем магнитный поток Ф. Если материал, из которого сделана заготовка W, является электропроводным, в ней возникает наведенный ток I 2 , замыкающийся внутри и формирующий вихревые индукционные потоки. В соответствии с законом теплового воздействия электричества вихревые токи разогревают объект W.

Изготовление индуктивного нагревателя

Индукционная печь состоит из двух основных функциональных блоков: индуктора (нагревающая индукционная катушка) и генератора (источника переменного напряжения). Индуктор представляет собой оголенную медную трубку, свернутую в спираль (рис. 2).

Для изготовления своими руками печи мощностью не более 3 кВт индуктор должен быть сделан со следующими параметрами:

диаметр трубки – 10 мм;
диаметр спирали – 8-15 см;
количество витков катушки – 8-10;
расстояние межу витками – 5-7 мм;
минимальный просвет в экране – 5 см.

Нельзя допускать соприкосновения соседних витков катушки, соблюдайте указанное расстояние. Индуктор никаким образом не должен соприкасаться с защитным экраном печи, зазор между ними должен быть не меньше указанного.

Изготовление генератора

Рис.3. Схема на лампах

Стоит отметить, что индукционная печь для своего изготовления требует хотя бы средних радиотехнических навыков и умений. Особенно важно обладать ими для создания второго ключевого элемента – высокочастотного генератора тока. Ни собрать, ни воспользоваться сделанной своими руками печью не получится без этих знаний. Более того, это может быть опасно для жизни.

Для тех же, кто берется за это дело со знанием и пониманием процесса, существуют различные способы и схемы, по которым может быть собрана индукционная печь. Выбирая подходящую схему генератора, рекомендуется отказываться от вариантов с жестким спектром излучения. К ним относится широко распространенная схема с использованием тиристорного ключа. Высокочастотное излучение от такого генератора способно создать мощнейшие помехи для всех окружающих радиоприборов.

Еще с середины 20 века среди радиолюбителей большим успехом пользовалась индукционная печь, собранная на 4-х лампах. Ее качество и КПД далеко не самые лучшие, а радиолампы в наше время труднодоступны, тем не менее многие продолжают собирать генераторы именно по этой схеме, так как у нее есть большое преимущество: мягкий, узкополосный спектр генерируемого тока, благодаря которому такая печь излучает минимум помех и максимально безопасна (рис. 3).

Настройка режима работы этого генератора производится при помощи переменного конденсатора C. Конденсатор обязательно должен быть с воздушным диэлектриком, зазор между его пластинами должен составлять не менее 3 мм. На схеме также присутствует неоновая лампа Л, служащая индикатором.

Схема универсального генератора

Современные индукционные печи работают на более совершенных элементах – микросхемах и транзисторах. Большим успехом пользуется универсальная схема двухтактного генератора, развивающая мощность до 1 кВт. Принцип работы основан на генераторе независимого возбуждения, при этом индуктор включен в режиме моста (рис. 4).

Достоинства двухтактного генератора, собранного по такой схеме:

Возможность работать на 2-й и 3-й моде помимо основной.
Присутствует режим поверхностного нагрева.
Диапазон регулирования 10-10000 кГц.
Мягкий спектр излучения во всем диапазоне.
Не нуждается в дополнительной защите.

Перестройка частоты осуществляется с помощью переменного резистора R 2 . Рабочий диапазон частот задается конденсаторами C 1 и C 2 . Межкаскадный согласующий трансформатор должен быть с кольцевым ферритовым сердечником сечением не менее 2 кв.см. Намотка трансформатора делается из эмалированного провода сечением 0,8-1,2 мм. Транзисторы нужно усадить на общий радиатор площадью от 400 кв.см.

Заключение по теме

Излучаемое индукторной печкой электромагнитное поле (ЭМП) оказывает воздействие на все проводники вокруг. В том числе происходит влияние на организм человека. Внутренние органы под действием ЭМП равномерно прогреваются, повышается общая температура тела во всем объеме.

Поэтому при работе с печью важно соблюдать определенные меры предосторожности во избежание негативных последствий.

Прежде всего, корпус генератора должен быть экранирован при помощи кожуха из листов оцинкованного железа или сетки с мелкими ячейками. Это снизит интенсивность облучения в 30-50 раз.

Также следует иметь в виду, что в непосредственной близости от индуктора плотность энергетического потока будет выше, особенно вдоль оси намотки. Поэтому индукционная катушка должна быть расположена вертикально, а за нагревом лучше наблюдать издалека.

В мире уже сформировались устоявшиеся технологии производства металла и стали, которыми пользуются металлургические предприятия и сегодня. К ним относятся: конверторный способ получения металла, прокатка, волочение, литье, штамповка, ковка, прессование и т. д. Однако наиболее распространенным при современных условиях является переплавка металла и стали в конвекторах, мартеновских печах и электрических печах. Каждая из таких технологий имеет ряд недостатков и преимуществ. Однако наиболее совершенной и новейшей технологией сегодня является получение стали в электрических печах. Основными преимуществами последней над другими технологиями является высокая производительность и экологичность. Рассмотрим как собрать устройство где будет осуществляться плавка металла в домашних условиях своими руками.

Малогабаритная индукционная электрическая печь для плавления металлов в домашних условиях

Плавка металлов в домашних условиях возможна, если иметь электрическую печь, которую можно сделать своими руками. Рассмотрим создание индуктивной малогабаритной электрической печи для получения однородных сплавов (ОС). По сравнению с аналогами создаваемая установка будет отличаться такими особенностями:

низкой себестоимостью (до 10000 руб), тогда как стоимость аналогов составляет от 150000 руб;
возможностью регулирования температурного режима;
возможностью скоростной плавки металлов в небольших объемах, что позволяет использовать установку не только в научной сфере, но и, например, в ювелирной, стоматологической областях и т.д.
равномерностью и скоростью нагрева;
возможностью размещения рабочего органа в печи в вакууме;
сравнительно малыми габаритами;
низким уровнем шума, почти полным отсутствием дыма, что позволит повысить производительность труда при работе с установкой;
возможностью работы как от однофазной, так и от трехфазной сети.

Выбор типа схемы

Наиболее часто, при построении индукционных нагревателей, используются три основных типа схем: полумост, ассиметричный мост и полный мост. При конструировании данной установки были использованы два типа схем – полумост и полный мост с частотным регулированием. Этот выбор был вызван потребностью регулирования коэффициента мощности. Встала проблема поддержания режима резонанса в контуре, поскольку именно с его помощью возможна настройка требуемого значения мощности. Существует два способа регулирования резонанса:

посредством изменения емкости;
с помощью изменения частоты.

В нашем случае поддержка резонанса происходит за счет регулировки частоты. Именно эта особенность и вызвала выбор типа схемы с частотным регулированием.

Анализ составных частей схемы

Анализируя работу индукционной печи для плавки металла в домашних условиях (ИП) можно выделить три основные ее части: генератор, блок силового питания, и силовой блок. Для предоставления необходимой частоты при работе установки используется генератор, который для избежания помех от других блоков установки, соединяется с ними через гальваническую решения в виде трансформатора. Для обеспечения схемы силового напряжения необходим блок силового питания, который обеспечивает безопасную и надежную работу силовых элементов конструкции. Собственно, именно силовой блок формирует необходимы мощные сигналы для создания нужного коэффициента мощности на выходе схемы.

На рисунке 1 приведена общая принципиальная схема индукционной установки.

Создание схемы соединений

Схема соединений (монтажная) показывает соединения составных частей изделия и определяет провода, кабели, которые выполняют эти соединения, а также места их присоединения.

Для удобства дальнейшего монтажа установки была разработана схема соединений, отражающий основные контакты между функциональными блоками печи (рис. 2).

Генератор частоты

Самым сложным блоком ИП является генератор. Он обеспечивает нужную частоту работы установки и создает начальные условия для получения резонансного контура. В качестве источника колебаний используется специализированный контроллер электронных импульсов типа КР1211ЕУ1 (рис.3). Этот выбор был вызван возможностью работы данной микросхемы в достаточно широком частотном диапазоне (до 5 МГц), что позволяет получать высокое значение мощности на выходе силового блока схемы.

На рисунках 4,5 приведены принципиальная схема генератора частоты и схема электрической платы.

Микросхема КР1211ЕУ1 генерирует сигналы заданной частоты, которые можно изменять с помощью регулирующего резистора, установленного вне микросхемой. Далее сигналы попадают на транзисторы, работающие в ключевом режиме. В нашем случае применяются кремниевые полевые транзисторы с изолированным затвором типа КП727. Их преимущества заключаются в следующем: максимально допустимый импульсный ток, который они могут выдерживать, равна 56 А; максимальное напряжение – 50 В. Диапазон этих показателей нас полностью устраивает. Но, в связи с этим возникла проблема значительного перегрева. Именно для решения данного вопроса и нужен ключевой режим, который позволит уменьшить время нахождения транзисторов в рабочем состоянии.

Блок питания

Данный блок обеспечивает подачу питания на исполнительные узлы установки. Главной его особенностью является возможность работы от однофазной и трехфазной сети. Источник питания на 380В используется для повышения коэффициента мощности, выделяемая в индукторе.

Входное напряжение подается на выпрямляющий мост, который преобразует переменное напряжение 220В в постоянное пульсирующее. К выходам моста подключены накопительные конденсаторы, которые поддерживают постоянный уровень напряжения после снятия нагрузки с установки. Для обеспечения надежности работы установки блок оборудован автоматическим выключателем.

Силовой блок

Данный блок обеспечивает непосредственное усиление сигнала и создания резонансного контура, с помощью изменения емкости круга. Сигналы с генератора попадают на транзисторы, которые работают в режиме усиления. Таким образом, они, открываясь в разные моменты времени, будоражат соответствующие электрические цепи, проходящие через повышающий трансформатор и пропускают по нему силовой ток в разных направлениях. В результате на выходе трансформатора (Tr1) мы получаем повышенный сигнал с заданной частотой. Этот сигнал подается на установку с индуктором. Установка с индуктором (Tr2 на схеме) состоит из индуктора и набора конденсаторов (С13 – Сп). Конденсаторы имеют специально подобранную емкость и создают колебательный контур, который позволяет регулировать уровень индуктивности. Этот контур должен работать в режиме резонанса, что вызывает стремительное повышение частоты сигнала в индукторе, и увеличение индукционных токов, за счет которых собственно и происходит нагрев. На рисунке 7 приведена электрическая схема силового блока индукционной печи.

Индуктор и особенности его работы

Индуктор – специальное устройство для передачи энергии от источника питания в изделие, нагревается. Индукторы изготавливают обычно из медных трубок. Во время работы он охлаждается проточной водой.

Плавка цветных металлов в домашних условиях при помощи индукционной печи заключается в проникновении в середину металлов индукционных токов, которые возникают за счет высокой частоты изменения напряжения, приложенного к зажимам индуктора. Мощность установки зависит от величины приложенного напряжения и от ее частоты. Частота влияет на интенсивность индукционных токов и соответственно на температуру в середине индуктора. Чем больше частота и время работы установки, тем лучше перемешиваются металлы. Сам индуктор и направления протекания индукционных токов приведены на рисунке 8.

Для однородного смешивания и избежание загрязнения сплава чужеродными элементами, например электродами из резервуара со сплавом, используют индуктор с обратным витком как показано на рисунке 9. Именно благодаря этому витку создается электромагнитное поле, которое удерживает металл в воздухе, превосходя силу притяжения Земли.

Конечный монтаж установки

Каждый из блоков крепится к корпусу индукционной печи с помощью специальных стоек. Это делается для того чтобы избежать нежелательных контактов токоведущих частей с металлическим покрытием самого корпуса (рис. 10).

Для безопасной работы с установкой, она полностью закрывается прочным корпусом (рис. 11), чтобы таким образом создать преграду между опасными элементами конструкции и телом человека, работающего с ней.

Для удобства наладки индукционной установки в целом было изготовлена панель индикации для размещения метрологических устройств, с помощью которых и происходит контроль за всеми параметрами установки. В таких метрологических устройств относятся: амперметр, который показывает ток в индукторе, вольтметр, подключенный на выходе индуктора, индикатор температурного режима, регулятор частоты генерации сигнала. Все приведенные параметры дают возможность для регулирования режимов работы индукционной установки. Также конструкция оборудована системой ручного включения, и системой индикации процессов нагрева. С помощью показов на устройствах собственно и происходит контроль за работой установки в целом.

Конструирование малогабаритной индукционной установки является достаточно сложным технологическим процессом, так как он должен обеспечить соблюдение большого количества критерий, таких как: удобство конструкции, малогабаритность, портативность и т.д. Данная установка работает по принципу бесконтактной передачи энергии в предмет, нагревается. В следствие целенаправленного движения индукционных токов в индукторе происходит непосредственно сам процесс плавки, продолжительность которого составляет несколько минут.

Создание данной установки является достаточно выгодным, так как область ее применения безгранична, начиная с использования для обычной лабораторной работы и заканчивая изготовлением сложных однородных сплавов из тугоплавких металлов.