Схема индукционной печи на транзисторах. Как сделать печь для плавки металла

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.

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.

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.

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

простую конструкцию

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.

При работе от сварочного инвертора его корпус нужно обязательно заземлять! Розетка и проводка должны быть рассчитаны на потребляемый инвертором ток.

В основе системы отопления частного дома лежит работа печи или котла, высокая производительность и долгий бесперебойный срок службы которых зависит как от марки и установки самих отопительных приборов, так и от правильного монтажа дымохода.
вы найдёте рекомендации по выбору твердотопливного котла, а в следующей — познакомитесь с видами и правилами :

Индукционная печь на транзисторах: схема

Существует множество различных способов собрать индукционный нагреватель своими руками. Достаточно простая и проверенная схема печи для плавки металла представлена на рисунке:

два полевых транзистора типа IRFZ44V;
два диода UF4007 (можно также использовать UF4001);
резистор 470 Ом, 1 Вт (можно взять два последовательно соединенных по 0,5 Вт);
пленочные конденсаторы на 250 В: 3 штуки емкостью 1 мкФ; 4 штуки - 220 нФ; 1 штука - 470 нФ; 1 штука - 330 нФ;
медный обмоточный провод в эмалевой изоляции Ø1,2 мм;
медный обмоточный провод в эмалевой изоляции Ø2 мм;
два кольца от дросселей, снятых с компьютерного блока питания.

Последовательность сборки своими руками:

Полевые транзисторы устанавливают на радиаторы. Поскольку схема в процессе работы сильно греется, радиатор должны быть достаточно большими. Можно установить их и на один радиатор, но тогда нужно изолировать транзисторы от металла с помощью прокладок и шайб из резины и пластика. Распиновка полевых транзисторов приведена на рисунке.

Необходимо изготовить два дросселя. Для их изготовления медную проволоку диаметром 1,2 мм наматывают на кольца, снятые с блока питания любого компьютера. Эти кольца состоят их порошкового ферромагнитного железа. На них необходимо намотать от 7 до 15 витков проволоки, стараясь выдерживать расстояние между витками.

Собирают перечисленные выше конденсаторы в батарею общей емкостью 4,7 мкФ. Соединение конденсаторов - параллельное.

Выполняют обмотку индуктора из медной проволоки диаметром 2 мм. Наматывают на подходящий по диаметру тигля цилиндрический предмет 7-8 витков обмотки, оставляют достаточно длинные концы для подключения к схеме.
Соединяют элементы на плате в соответствии со схемой. В качестве источника питания используют аккумулятор на 12 В, 7,2 A/h. Потребляемый ток в режиме работы - около 10 А, емкости аккумулятора в этом случае хватит примерно на 40 минут.При необходимости изготовляют корпус печи из термостойкого материала, например, текстолита.Мощность устройства можно изменить, поменяв количество витков обмотки индуктора и их диаметр.

При продолжительной работе элементы нагревателя могут перегреваться! Для их охлаждения можно использовать вентилятор.

Индукционный нагреватель для плавки металла: видео

Индукционная печь на лампах

Более мощную индукционную печь для плавки металлов можно собрать своими руками на электронных лампах. Схема устройства приведена на рисунке.

Для генерации высокочастотного тока используются 4 лучевые лампы, соединенные параллельно. В качестве индуктора используется медная трубка диаметром 10 мм. Установка оснащена подстроечным конденсатором для регулировки мощности. Выдаваемая частота - 27,12 МГц.

Для сборки схемы необходимы:

4 электронные лампы - тетрода, можно использовать 6L6, 6П3 или Г807;
4 дросселя на 100…1000 мкГн;
4 конденсатора на 0,01 мкФ;
неоновая лампа-индикатор;
подстроечный конденсатор.

Сборка устройства своими руками:

Из медной трубки выполняют индуктор, сгибая ее в форме спирали. Диаметр витков - 8-15 см, расстояние между витками не менее 5 мм. Концы лудят для пайки к схеме. Диаметр индуктора должен быть больше диаметра помещаемого внутрь тигля на 10 мм.
Размещают индуктор в корпусе. Его можно изготовить из термостойкого не проводящего ток материала, либо из металла, предусмотрев термо- и электроизоляцию от элементов схемы.
Собирают каскады ламп по схеме с конденсаторами и дросселями. Каскады соединяют в параллель.
Подключают неоновую лампу-индикатор - она будет сигнализировать о готовности схемы к работе. Лампу выводят на корпус установки.
В схему включают подстроечный конденсатор переменной емкости, его ручку также выводят на корпус.

Для всех любителей деликатесов, приготовленных методом холодного копчения, предлагаем узнать как быстро и просто своими руками сделать коптильню, а познакомиться с фото и видео инструкцией по изготовлению генератора дыма для холодного копчения.

Охлаждение схемы

Промышленные плавильные установки оснащены системой принудительного охлаждения на воде или антифризе. Выполнение водяного охлаждения в домашних условиях потребует дополнительных затрат, сопоставимых по цене со стоимостью самой установки для плавки металла.

Выполнить воздушное охлаждение с помощью вентилятора можно при условии достаточно удаленного расположения вентилятора. В противном случае металлическая обмотка и другие элементы вентилятора будут служить дополнительным контуром для замыкания вихревых токов, что снизит эффективность работы установки.

Элементы электронной и ламповой схемы также способны активно нагреваться. Для их охлаждения предусматривают теплоотводящие радиаторы.

Меры безопасности при работе

Основная опасность при работе - опасность получения ожогов от нагреваемых элементов установки и расплавленного металла.
Ламповая схема включает элементы с высоким напряжением, поэтому её нужно разместить в закрытом корпусе, исключив случайное прикосновение к элементам.
Электромагнитное поле способно воздействовать на предметы, находящиеся вне корпуса прибора. Поэтому перед работой лучше надеть одежду без металлических элементов, убрать из зоны действия сложные устройства: телефоны, цифровые камеры.

Не рекомендуется использовать установку людям с вживлёнными кардиостимуляторами!

Печь для плавки металлов в домашних условиях может использоваться также для быстрого нагрева металлических элементов, например, при их лужении или формовке. Характеристики работы представленных установок можно подогнать под конкретную задачу, меняя параметры индуктора и выходной сигнал генераторных установок - так можно добиться их максимальной эффективности.

Индукционная плавка - широко распространенный в черной и цветной металлургии процесс. Плавка в устройствах с индукционным нагревом нередко превосходит плавку в топливных печах по эффективности использования энергии, качеству продукта и гибкости производства. Эти пре-

современных электротехнологий

имущества обусловлены специфическими физическими характеристиками индукционных печей.

При индукционной плавке происходит перевод твердого материала в жидкую фазу под воздействием электромагнитного поля. Так же как в случае индукционного нагрева, тепло выделяется в расплавляемом материале вследствие эффекта Джоуля от наведенных вихревых токов. Первичный ток, проходящий через индуктор, создает электромагнитное поле. Вне зависимости от того, концентрируется электромагнитное поле магнитопро - водами или нет, связанная система индуктор - загрузка может быть представлена как трансформатор с магнитопроводом или как воздушный трансформатор. Электрический КПД системы сильно зависит от влияющих на поле характеристик ферромагнитных конструктивных элементов.

Наряду с электромагнитными и тепловыми явлениями в процессе индукционной плавки важную роль играют электродинамические силы. Эти силы должны учитываться, особенно в случае плавки в мощных индукционных печах. Взаимодействие индуктированных электрических токов в расплаве с результирующим магнитным полем вызывает механическую силу (силу Лоренца)

Давление Потоки расплава

Рис. 7.21. Действие электромагнитных сил

Например, вызванное силами турбулентное движение расплава имеет очень большое значение как для хорошего теплообмена, так и для перемешивания и адгезии непроводящих частиц, находящихся в расплаве.

Различают два основных типа индукционных печей: индукционные тигельные печи (ИТП) и индукционные канальные печи (ИКП). В ИТП расплавляемый материал обычно загружается кусками в тигель (рис. 7.22). Индуктор охватывает тигель и расплавляемый материал. Из-за отсутствия концентрирующего поля магнитопровода электромагнитная связь между

современных электротехнологий

индуктором и загрузкой сильно зависит от толщины стенки керамического тигля. Для обеспечения высокого электрического КПД изоляция должна быть как можно тоньше. С другой стороны, футеровка должна быть достаточно толстой для того, чтобы противостоять термическим напряжениям и

движению металла. Следовательно, следует искать компромисс между электрическими и прочностными критериями.

Важными характеристиками индукционной плавки в ИТП являются движение расплава и мениск как результат воздействия электромагнитных сил. Движение расплава обеспечивает как равномерное распределение температуры, так и однородный химический состав. Эффект перемешивания у поверхности расплава снижает потери материала во время дозагруз - ки малоразмерной шихты и добавок. Несмотря на использование дешевого материала воспроизводство расплава постоянного состава обеспечивает высокое качество литья.

В зависимости от размеров, рода расплавляемого материала и области применения ИТП работают на промышленной частоте (50 Гц) или сред-

современных электротехнологий

них частотах до 1000 Гц. Последние приобретают все более важное значение благодаря высокой эффективности при плавке чугуна и алюминия. Поскольку движение расплава при постоянной мощности ослабляется с повышением частоты, на более высоких частотах становятся доступными более высокие удельные мощности и, как следствие, большая производительность. Вследствие более высокой мощности сокращается время плавки, что ведет к повышению КПД процесса (по сравнению с печами, работающими на промышленной частоте). С учетом других технологических преимуществ, таких как гибкость при смене выплавляемых материалов, среднечастотные ИТП разработаны как мощные плавильные установки, доминирующие в настоящее время в чугунолитейном производстве. Современные мощные среднечастотные ИТП для плавки чугуна имеют емкость до 12 т и мощность до 10 МВт. ИТП промышленной частоты разрабатываются для больших емкостей, чем среднечастотные, до 150 т для плавки чугуна. Интенсивное перемешивание ванны имеет особое значение при выплавке однородных сплавов, например латуни, поэтому в этой области широко используются ИТП промышленной частоты. Наряду с применением тигельных печей для плавки в настоящее время их используют также для выдержки жидкого металла перед разливкой.

В соответствии с энергетическим балансом ИТП (рис. 7.23) уровень электрического КПД почти для всех типов печей составляет около 0,8. Приблизительно 20 % исходной энергии теряется в индукторе в виде Джо - улева тепла. Отношение тепловых потерь через стенки тигля к индуктированной в расплаве электрической энергии достигает 10 %, поэтому полный КПД печи составляет около 0,7.

Вторым широко распространенным типом индукционных печей являются ИКП. Они применяются для литья, выдержки и, особенно, плавки в черной и цветной металлургии. ИКП в общем случае состоит из керамической ванны и одной или нескольких индукционных единиц (рис. 7.24). В

принципе, индукционная единица может быть представлена как трансфор-

Принцип действия ИКП требует наличия постоянно замкнутого вторичного витка, поэтому эти печи работают с жидким остатком расплава. Полезное тепло генерируется главным образом в канале, имеющем малое сечение. Циркуляция расплава под действием электромагнитных и термических сил обеспечивает достаточный перенос тепла в основную массу расплава, находящуюся в ванне. До настоящего времени ИКП проектировались на промышленную частоту, однако исследовательские работы проводятся и для более высоких частот. Благодаря компактной конструкции печи и очень хорошей электромагнитной связи ее электрический КПД достигает 95%, а общий КПД - 80 % и даже 90 % в зависимости от расплавляемого материала.

В соответствии с технологическими условиями в разных областях применения ИКП требуются различные конструкции индукционных каналов. Одноканальные печи используются в основном для выдержки и литья,

современных электротехнологий

реже плавки стали при установленных мощностях до 3 МВт. Для плавки и выдержки цветных металлов предпочтительнее двухканальные конструкции, обеспечивающие лучшее использование энергии. В установках для плавки алюминия каналы выполняются прямыми для удобства очистки.

Производство алюминия, меди, латуни и их сплавов является основной областью применения ИКП. Сегодня наиболее мощные ИКП емкостью

до 70 т и мощностью до 3 МВт используются для плавки алюминия. Наряду с высоким электрическим КПД в производстве алюминия очень важны низкие потери расплава, что и предопределяет выбор ИКП.

Перспективными применениями технологии индукционной плавки являются производство высокочистых металлов, таких как титан и его сплавы, в индукционных печах с холодным тиглем и плавка керамики, например силиката циркония и оксида циркония.

При плавке в индукционных печах ярко проявляются преимущества индукционного нагрева, такие как высокая плотность энергии и производительность, гомогенизация расплава благодаря перемешиванию, точный

современных электротехнологий

энергетический и температурный контроль, а также простота автоматического управления процессом, легкость ручного управления и большая гибкость. Высокие электрический и тепловой КПД в сочетании с низкими потерями расплава и, следовательно, экономией сырья обусловливают низкий удельный расход энергии и экологическую конкурентоспособность.

Превосходство индукционных плавильных устройств над топливными непрерывно возрастает благодаря практическим исследованиям, подкрепленным численными методами решения электромагнитной и гидродинамической задач. В качестве примера можно отметить внутреннее покрытие медными полосами стального кожуха ИКП для плавки меди. Уменьшение потерь от вихревых токов повысило КПД печи на 8 %, и он достиг 92 %.

Дальнейшее улучшение экономических показателей индукционной плавки возможно за счет применения современных технологий управления, таких как тандем или управление двойным питанием. Две ИТП тандема имеют один источник питания, и пока в одной идет плавка, в другой расплавленный металл выдерживается для разливки. Переключение источника питания с одной печи на другую повышает коэффициент его использования. Дальнейшим развитием этого принципа является управление двойным питанием (рис. 7.25), которое обеспечивает продолжительную одновременную работу печей без переключения с помощью специальной автоматики управления процессом. Следует также отметить, что неотъемлемой частью экономики плавки является компенсация общей реактивной мощности.

В заключение для демонстрации преимуществ энерго - и материалосберегающей индукционной технологии можно сравнить топливный и электротермический способы плавки алюминия. Рис. 7.26 показывает значительное снижение энергопотребления на тонну алюминия при плавке в

Глава 7. Энергосберегающие возможности современных электротехнологий

□ потери металла; Щ плавление

современных электротехнологий

индукционной канальной печи емкостью 50 т. Потребляемая конечная энергия уменьшается примерно на 60 %, а первичная на 20 %. Наряду с этим значительно сокращается выброс СО2. (Все расчеты основываются на типичных для Германии коэффициентах преобразования энергии и выделения СО2 при работе смешанных электростанций). Полученные результаты подчеркивают особое влияние потерь металла при плавке, связанных с его окислением. Их компенсация требует большого дополнительного расхода энергии. Примечательно, что в производстве меди потери металла при плавке также велики и должны учитываться при выборе той или иной технологии плавки.

В настоящее время в быту стали использоваться печи, работающие по индукционному принципу, которые обычно применяются в промышленности. Чтобы индукционные печи можно было использовать в бытовых условиях, их конструкцию существенно преобразили, без изменения остался только принцип преобразования энергии. Такой прибор можно сделать своими руками из доступных материалов. Главное – это разобраться в конструкции и понять, как работает эта печь.

Принцип работы индукционной печи

Работа такой печи основана на принципе индукционного нагрева. Другими словами, тепловая энергия получается от электрического тока, вырабатываемого электромагнитным полем. Благодаря такой особенности этот прибор отличается от обыкновенных электрообогревателей.

Конструкция индуктора довольно проста. Его центром является графитовая или металлическая электропроводящая заготовка, вокруг которой следует намотать провод. При помощи мощности генератора в индуктор начинают запускать токи разной частоты, создавая вокруг индуктора мощное электромагнитное поле. Благодаря воздействию такого поля на заготовку и создания в ней вихревых токов, графит или металл начинает очень сильно разогреваться и отдавать тепло окружающему воздуху.

В быту индукторы стали использоваться сравнительно недавно.

Виды индукционных устройств

По своему предназначению такие приборы бывают бытовыми и промышленными. Однако такая классификация считается неполной. Существует еще несколько разновидностей печей:

Тигельные. Самый распространенный вид агрегатов, используемых в металлургии. Такая конструкция не содержит сердечник. Эти устройства в основном используются для обработки и плавки любых металлов. Замечательно зарекомендовали себя они и в других областях.
Канальные. Их конструкция имеет сходство с трансформатором.
Вакуумные. Применяются тогда, когда необходимо удалить примеси из металла.

Бытовые печи делятся на две группы:

Агрегаты, которые используют для отопления. Представляют собой индукционные котельные установки небольшого размера, которые монтируются в системах автономного отопления.
Индукционные плиты, на которых готовят пищу. Основное отличие от обыкновенной электроплиты – экономное расходование электроэнергии.

Можно ли изготовить индукционную печь, предназначенную для плавки металлов, своими руками? Хотя она и является, с одной стороны, сложным оборудованием, а с другой – благодаря относительной простоте и понятности принципа работы появляется возможность сделать индукционный нагревательный прибор своими руками. Кроме того, многие специалисты, обладающие необходимыми знаниями и навыками, способны создать качественные агрегаты из обычных материалов. Чтобы сделать индукционную печь своими руками, будет нужна схема и хорошее знание физики.

Индукционные печи своими руками в основном используются для обогрева помещений . Тигельные конструкции небольшого размера лучше всего подойдут для плавки металлов в небольших объемах, например, при изготовлении бижутерии или ювелирных украшений. Индукционные плиты считаются замечательным решением для дачных домиков. А в городской квартире их используют как дополнительный обогреватель, если произошел какой-либо сбой в центральной системе отопления.

Схема такого простого индукционного нагревателя необходима будет для выполнения работ. Можно работать и без нее, но нежелательно, так как такой нагреватель является сложным электрооборудованием . Его конструкция и внутреннее содержимое разрабатывается заранее. Схема объединяет все задумки мастера в единое целое. Если потребуется спроектировать плиту, а не простой нагреватель, без схемы вообще не получится обойтись.

Конструкция индукционной печи своими руками достаточно проста: нагревательный элемент, общий корпус, индуктор. Если агрегат потребуется для обработки материалов, следует дополнительно спроектировать плавильную камеру. Сердцем индукционной печи является заготовка, проводящая ток, способная разогреваться до высоких температур. С такой задачей замечательно справляются нихромовая спираль или графитовые щетки. Выбирая между ними, следует ориентироваться на те задачи, которые стоят перед нагревателем. Для плавильной печи лучшим вариантом будет использование графитовых щеток, для нагревательного прибора – нихромовой спирали. Использование нихрома дает возможность подключить агрегат к обычной электросети.

Как сделать индукционную печь своими руками

Для создания эффективного агрегата необходимо учитывать следующие параметры:

частота и мощность генератора;
скорость, с которой теряется тепло;
количество потерь в вихревых токах.

Сначала необходимо правильно подобрать все необходимые детали схемы для получения достаточных условий для плавки в мастерской. Если агрегат собирают своими руками, частота генератора должна составлять 27,12 МГц . Катушку следует делать из провода или тонкой медной трубки, при этом не должно быть больше 10 витков.

Мощность электронных ламп должна быть большая. Схема предусматривает установку неоновой лампы, которая будет использоваться в качестве индикатора готовности устройства. В схеме также предусмотрено применение дросселей и керамических конденсаторов. К домашней розетке подключение осуществляется через выпрямитель.

Индукционная печь, изготовленная своими руками, выглядит следующим образом: небольшая подставка на ножках, к которой крепится генератор со всеми необходимыми деталями схемы. А уже к генератору подключается индуктор.

Преимущества и недостатки индукционных печей

Индукционные агрегаты могут иметь различную мощность и зависит это от особенностей конструкции. Своими руками собрать устройство промышленной частоты очень непросто, да и в этом нет необходимости. Лучше стоит их купить.

Индукционные печи могут иметь как плюсы, так и минусы:

Безопасность

Работая с печью, следует опасаться получения термических ожогов. Кроме того, такое устройство имеет высокую пожарную опасность. Во время работы эти агрегаты ни в коем случае нельзя перемещать. Нужно быть очень внимательным, когда такие печи устанавливают в квартире.

Переменное электромагнитное поле начинает разогревать окружающее его помещение, и такая особенность находится в прямой зависимости от мощности и частоты излучения устройства. Мощные промышленные печи могут оказывать воздействие на предметы, находящиеся в карманах одежды, на близлежащие детали из металла, на ткани людей.

Заключение

Индукционную печь можно изготовить самостоятельно, но это не всегда целесообразно. Лучше не браться за такую работу, если нет совершенно никаких знаний в области электрооборудования и физики. Перед тем как приступить к конструированию даже самого простого устройства, его следует разработать, спроектировать и составить схему. Если нет никакого опыта в изготовлении электроприборов, лучше всего приобрести такой агрегат заводского изготовления.