Использование индукционного нагрева

Принцип действия и области применения индукционного нагрева

Электротермические устройства, которые осуществляют нагрев электропроводящих материалов посредством наведения в них индуктированных токов, называются индукционными нагревателями. Поскольку э. д. с. индукции возникает при изменении возбуждающих электромагнитное поле токов, то такие устройства могут работать только на переменном токе.

Основным элементом индукционных нагревателей является индуктор — катушка, содержащая определенное количество витков, которая при пропускании по ней переменного тока создает переменное магнитное поле. Здесь происходит преобразование (первое) электрической энергии в энергию магнитного поля.

При внесении в переменное магнитное поле электропроводящего тела индуктированная в нем э. д. с. вызывает появление “вторичного” тока. Происходит обратное преобразование (второе) энергии магнитного поля в электрическую энергию.

И, наконец, вторичный ток, наведенный в нагреваемом теле, согласно закона Джоуля-Ленца выделяет тепло: электрическая энергия переходит в тепловую. В результате третьего преобразования энергии и получается то тепло, которое обеспечивает нагрев или расплавление материалов в индукционных нагревателях.

Схема индукционного нагрева

Для работы индукционных нагревателей не требуется непосредственного контакта источника энергии с нагреваемым объектом, а необходимо только наличие магнитной связи между объектом и индуктором.

Основным и наиболее давним применением индукционных нагревателей в промышленности является их использование в качестве индукционных электропечей, предназначенных для плавки цветных и черных металлов и их сплавов. Индукционные электропечи обеспечивают высокую чистоту плавки, так как не вносят в расплавляемый материал никаких примесей.

Кроме того, индукционные электропечи создают равномерный прогрев всей массы расплавляемого материала без значительных местных перегревов. Последнее обстоятельство очень важно при выплавке многокомпонентных сплавов, составные части которых имеют различные температуры плавления. При наличии местных перегревов (как, например, в дуговых печах) в таких сплавах интенсивно угарают более легкоплавкие компоненты и начальный состав шихты нарушается.

Область применения индукционных нагревателей не ограничивается установками для плавления металлов. Очень часто в современном производстве индукционный нагрев используется для поверхностной закалки деталей, в операциях изгиба труб и профильного проката марки биметаллических изделий, для пайки изделий сложной конфигурации и т. д.

При нагреве электропроводящих материалов в электромагнитном поле высокой частоты большую роль играет наличие поверхностного эффекта. Поверхностный эффект проявляется все более и более отчетливо по мере увеличения частоты питающего тока.

Возможность быстрого нагрева только верхних слоев материала, необходимая при поверхностной закалке, целиком основана на использовании этого эффекта.

Толщина слоя, называемая “глубиной проникновения тока”, зависит от удельного сопротивления материала, частоты тока и абсолютной магнитной проницаемости.

Кроме того, подбирая такой режим работы индукционного нагревателя, чтобы при нем обеспечивалась высокая концентрация индуктированных токов в поверхностных слоях, можно получить значительное увеличение к. п. д. нагревателя.

Главным достоинством метода индукционной поверхностной закалки является возможность концентрированного выделения тепловой энергии в поверхностных слоях изделий произвольной формы и возможность передачи энергии без непосредственного контакта между нагревателем и деталью. Равномерность нагрева деталей сложной конфигурации обеспечивается с помощью индукторов специальной формы. В общем случае форма индуктора повторяет очертания детали.

Применение индукционных нагревателей, как правило, обеспечивает улучшение качественных показателей технологических операций, повышение производительности труда и создает условия для перехода производства на более высокий уровень с широкой механизацией и автоматизацией процессов.

Индукционный нагрев применяется и для такой распространенной операции, как наплавка. Наплавкой называется неразъемное соединение слоя наплавляемого металла с основным металлом.

Обычно применяется наплавка цветных металлов и сплавов на стальные и чугунные изделия. Для наплавки необходимо и достаточно расплавить присадочный металл, а основной металл довести до температуры, близкой к температуре плавления присадочного материала. Присадочный материал, применяемый для наплавки, может быть в любой форме — в виде прутков, полос, стружки и т. д.

Использование индукционных нагревательных устройств в промышленности не ограничивается рассмотренными примерами, область их применения чрезвычайно широка и увеличивается с каждым годом.

Значительные преимущества использования индукционных методов нагрева — экономичность, универсальность применения, высокое качество продукции, рост производительности труда и т. д. — позволяют оценить эти методы как прогрессивные, а индукционные нагреватели считать наиболее совершенным видом электротермических устройств.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Индукционный нагрев, основные принципы и технологии.

Индукционный нагрев (Induction Heating) — метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH — radio-frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов.

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 (см. закон Джоуля-Ленца).

Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

Читайте также:
Диаметры шаровых кранов, конструкция, применение

На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ (Поверхностный-эффект), 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.

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, электролиты, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице.

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 — этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.

Применение:
Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.
Получение опытных образцов сплавов.
Гибка и термообработка деталей машин.
Ювелирное дело.
Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.
Поверхностная закалка.
Закалка и термообработка деталей сложной формы.
Обеззараживание медицинского инструмента.

Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.

Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в непроводящей жидкости, в вакууме.

Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева — эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал — металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п.

За счёт возникающих МГД усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе — так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле).

Поскольку разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева, или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование.

Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора.

Индуктор можно изготовить особой формы — это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному непрогреву.

Легко провести местный и избирательный нагрев.

Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более мягко за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина при этом остаётся вязкой).

Лёгкая автоматизация оборудования — циклов нагрева и охлаждения, регулировка и удерживание температуры, подача и съём заготовок.

Установки индукционного нагрева:

На установках с рабочей частотой до 300 кГц используют инверторы на IGBT-сборках или MOSFET-транзисторах. Такие установки предназначены для разогрева крупных деталей. Для разогрева мелких деталей используются высокие частоты (до 5 МГц, диапазон средних и коротких волн), установки высокой частоты строятся на электронных лампах.

Также для разогрева мелких деталей строятся установки повышенной частоты на MOSFET-транзисторах на рабочие частоты до 1,7 МГц. Управление транзисторами и их защита на повышенных частотах представляет определённые трудности, поэтому установки повышенной частоты пока ещё достаточно дороги.

Индуктор для нагрева мелких деталей имеет небольшие размеры и небольшую индуктивность, что приводит к уменьшению добротности рабочего колебательного контура на низких частотах и снижению КПД, а также представляет опасность для задающего генератора (добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью слишком хорошо «накачивается» энергией, образует короткое замыкание по индуктору и выводит из строя задающий генератор). Для повышения добротности колебательного контура используют два пути:
– повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;
– применение ферромагнитных вставок в индукторе; обклеивание индуктора панельками из ферромагнитного материала.

Так как наиболее эффективно индуктор работает на высоких частотах, промышленное применение индукционный нагрев получил после разработки и начала производства мощных генераторных ламп. До первой мировой войны индукционный нагрев имел ограниченное применение. В качестве генераторов тогда использовали машинные генераторы повышенной частоты (работы В. П. Вологдина) или искровые разрядные установки.

Схема генератора может быть в принципе любой (мультивибратор, RC-генератор, генератор с независимым возбуждением, различные релаксационные генераторы), работающей на нагрузку в виде катушки-индуктора и обладающей достаточной мощностью. Необходимо также, чтобы частота колебаний была достаточно высока.

Например, чтобы «перерезать» за несколько секунд стальную проволоку диаметром 4 мм, необходима колебательная мощность не менее 2 кВт при частоте не менее 300 кГц.

Выбирают схему по следующим критериям: надёжность; стабильность колебаний; стабильность выделяемой в заготовке мощности; простота изготовления; удобство настройки; минимальное количество деталей для уменьшения стоимости; применение деталей, в сумме дающих уменьшение массы и габаритов, и др.

Читайте также:
Водяные радиаторы отопления, установка стальных батарей своими руками: инструкция, фото и видео-уроки, цена

На протяжении многих десятилетий в качестве генератора высокочастотных колебаний применялась индуктивная трёхточка (генератор Хартли, генератор с автотрансформаторной обратной связью, схема на индуктивном делителе контурного напряжения). Это самовозбуждающаяся схема параллельного питания анода и частотно-избирательной цепью, выполненной на колебательном контуре. Она успешно использовалась и продолжает использоваться в лабораториях, ювелирных мастерских, на промышленных предприятиях, а также в любительской практике. К примеру, во время второй мировой войны на таких установках проводили поверхностную закалку катков танка Т-34.

Недостатки трёх точки:

Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).

Сильное отклонение частоты в момент нагрева заготовок из магнитных материалов выше точки Кюри (≈700С) (изменяется μ), что изменяет глубину скин-слоя и непредсказуемо изменяет режим термообработки. При термообработке ответственных деталей это может быть недопустимо. Также мощные твч-установки должны работать в узком диапазоне разрешённых Россвязьохранкультурой частот, поскольку при плохом экранировании являются фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.

При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя.

При смене одновитковых индукторов на многовитковые, на более крупные или более малогабаритные частота также изменяется.

Под руководством Бабата, Лозинского и других учёных были разработаны двух- и трёхконтурные схемы генераторов, имеющих более высокий кпд (до 70 %), а также лучше удерживающие рабочую частоту. Принцип их действия состоит в следующем. За счёт применения связанных контуров и ослабления связи между ними, изменение индуктивности рабочего контура не влечёт сильного изменения частоты частотозадающего контура. По такому же принципу конструируются радиопередатчики.

Недостаток многоконтурных систем — повышенная сложность и возникновение паразитных колебаний УКВ-диапазона, которые бесполезно рассеивают мощность и выводят из строя элементы установки. Также такие установки склонны к затягиванию колебаний — самопроизвольному переходу генератора с одной из резонансных частот на другую.

Современные твч-генераторы — это инверторы на IGBT-сборках или мощных MOSFET-транзисторах, обычно выполненные по схеме мост или полумост. Работают на частотах до 500 кГц. Затворы транзисторов открываются с помощью микроконтроллерной системы управления. Система управления в зависимости от поставленной задачи позволяет автоматически удерживать

а) постоянную частоту
б) постоянную мощность, выделяемую в заготовке
в) максимально высокий КПД.

Например, при нагреве магнитного материала выше точки Кюри толщина скин-слоя резко увеличивается, плотность тока падает, и заготовка начинает греться хуже. Также пропадают магнитные свойства материала и прекращается процесс перемагничивания – заготовка начинает греться хуже, сопротивление нагрузки скачкообразно уменьшается – это может привести к “разносу” генератора и выходу его из строя. Система управления отслеживает переход через точку Кюри и автоматически повышает частоту при скачкообразном уменьшении нагрузки (либо уменьшает мощность).

Индуктор по возможности необходимо располагать как можно ближе к заготовке. Это не только увеличивает плотность электромагнитного поля вблизи заготовки (пропорционально квадрату расстояния), но и увеличивает коэффициент мощности Cos(φ).

Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты).

При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев до точки Кюри идет намного эффективнее.

При расчёте индуктора необходимо учитывать индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше индуктивности самого индуктора (если индуктор выполнен в виде одного витка небольшого диаметра или даже части витка — дуги).

Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов.
Параллельный колебательный контур – резонанс токов.
В этом случае на катушке и на конденсаторе напряжение такое же, как у генератора. При резонансе, сопротивление контура между точками разветвления становится максимальным, а ток (I общ) через сопротивление нагрузки Rн будет минимальным (ток внутри контура I-1л и I-2с больше чем ток генератора).

В идеальном случае полное сопротивление контура равно бесконечности – схема не потребляет тока от источника. При изменение частоты генератора в любую сторону от резонансной частоты полное сопротивление контура уменьшается и линейный ток (I общ) возрастает.

Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений.

Главной чертой последовательного резонансного контура является то, что его полное сопротивление минимально при резонансе. (ZL + ZC – минимум). При настройке частоты на величину, превышающую или лежащую ниже резонансной частоты, полное сопротивление возрастает.
Вывод:
В параллельном контуре при резонансе ток через выводы контура равен 0, а напряжение максимально.
В последовательном контуре наоборот – напряжение стремится к нулю, а ток максимален.

Индукционный нагрев: технология бесконтактной плавки металла

Главная страница » Индукционный нагрев: технология бесконтактной плавки металла

Индукционный нагрев — метод быстрого, эффективного, бесконтактного прогрева проводящих материалов — металлов и полупроводников. Основой метода является принцип применения флуктуирующего магнитного поля. Методика считается предпочтительной технологией прогрева среди всех других, существующих на текущий момент времени.

Исторические памятки на заметку

Применяется отмеченная техника плавки в промышленности, медицине, бытовой сфере, благодаря выраженным преимуществам по сравнению с традиционными методами прогрева:

  • резистивным,
  • пламенным,
  • печным и другими.

Индукционный нагрев особенно полезен для выполнения высокоточных или повторяющихся операций.

Индукционный нагрев впервые применил Майкл Фарадей – физик и химик в одном лице – выходец из Великобритании. Учёный обнаружил уникальное свойство нагрева в момент изучения индукции токов в проводах под действием магнита.

Читайте также:
Блендер погружной - какой лучше выбрать для дома: со стеклянной чашей или стационарный и комбинированный

Однако базовые принципы индукционного нагрева чуть позже представил Джеймс Максвелл в единой теории электромагнетизма. В то же время Джеймс П. Джоуль первым описал эффект прогрева током, протекающим через проводящий материал.

На момент 1887 года, Себастьян Зиани де Ферранти предложил индукционный нагрев как метод плавки металлов. Первую полнофункциональную индукционную печь соорудил и представил обществу (1891 год) Ф. А. Кьеллин, Первое применение высокочастотной печи реализовано Эдвином Ф. Нортрупом (1916 год).

Разработка твердотельных генераторов с использованием новых технологий силовых полупроводников обеспечила потенциал за пределами промышленной среды. С конца 1980-х годов появились различные предложения к применению.

Последние годы фиксируется особый интерес к индукционному нагреву под медицинские процедуры, поскольку этот метод обеспечивает точное и целевое локальное прогревание.

Основы технологии индукционного нагрева

Технология индукционного нагрева требует источника переменного тока, пропускаемого через катушку индуктивности. В результате катушка индуктивности генерирует переменное магнитное поле, что приводит к следующему эффекту:

Вот такого эффекта, к примеру, удаётся достичь посредством использования описываемой технологии работы с металлами, элементами полупроводниками

Когда объект помещается в область этого поля, возникают два эффекта прогрева:

  1. Гистерезисные потери, которые неизбежно возникают только в магнитных материалах, подобных железу, никелю, кобальту и т. д. Причина потерь — трение между молекулами, когда материал постоянно намагничивается в разных направлениях. Более высокая частота колебаний магнитного поля приводит к более быстрому движению частиц, что вызывает значительное трение и, следовательно, выделение большого количества тепла.
  2. Потери на вихревые токи, которые возникают как эффект Джоуля в любом проводящем материале из-за влияния электрических токов, вызванных флуктуирующим магнитным полем.

Оба эффекта приводят к прогреву обработанного объекта, но второй чаще всего является основным источником тепла в процессах индукционного нагрева. Кроме того, гистерезис не наблюдается в немагнитных материалах.

Магнитные материалы теряют магнитную специфичность при прогревании выше определённой температуры (точка Кюри).

Принцип получения прогрева: 1, 2 – переменный ток; 3 – объект, подлежащий воздействию магнитным полем; 4 – магнитные потоки; 5 – вихревые токи

Вихревые токи также зависят от частоты магнитного поля по причине скин-эффекта: на высоких частотах токи протекают вблизи поверхности проводника.

Эта специфика используется для контроля глубины проникновения процесса индукционного нагрева. В результате прогревается либо весь объект, либо только конкретная часть (например, область поверхности).

Индукционный нагрев: использование для различных применений

Таким образом, индукционный нагрев может использоваться для различных применений:

  • плавки металла,
  • пайки,
  • поверхностного упрочнения и т.д.

Проводникам индукционной катушки также присущ скин-эффект. Поэтому вместо сплошных проводов следует использовать трубы. Когда ток протекает через индуктор, аналогичные резистивные потери наблюдаются из-за эффекта Джоуля. Для предотвращения расплавления и повреждения катушки часто применяется водяное охлаждение.

Принципиальная схема установки для бытового применения, собираемая из электронных компонентов вполне доступных для приобретения на коммерческом рынке

Учитывая обширное наличие электрических (электронных) компонентов, доступных простому обывателю, есть все возможности для создания системы индукционного нагрева своими руками для бытового применения. Возможная для выполнения схема бытового устройства относительно небольшой мощности представлена выше.

Индукционный нагрев – преимущественные стороны

Если рассматривать индукционную технологию и сравнивать с некоторыми классическими технологиями нагрева:

  • резистивный,
  • пламенный,
  • печной и т. д.

Индукционный нагрев выделяют следующие преимущества:

  1. Малое время процесса, когда благодаря индукционному нагреву, объект прогревается напрямую, что приводит к сокращению как времени прогрева, так и потерь тепла. Этот метод обеспечивает высокую плотность мощности и низкую (практически нулевую) тепловую инерцию.
  2. Высокий КПД (значение выше 90%) достигается благодаря правильной конструкции силового преобразователя и катушки. Кроме того, высокие температуры могут достигаться быстро и легко, учитывая существенное снижение потерь тепла в окружающую среду.
  3. Высокий уровень управления — точное регулирование мощности прогрева, достигается с помощью соответствующей конструкции катушки и управления силовым преобразователем. В результате допустимо реализовать дополнительные функции: локальный прогрев, предварительный прогрев, предварительно определенные температурные профили.
  4. Благодаря опции промышленной автоматизации, индукционный нагрев позволяет улучшить как производительность, так и качество процессов. Качество продукта гарантируется, поскольку прогревание осуществляется бесконтактным способом (без вмешательства технологического инструмента).
  5. Безопасность и чистота обеспечиваются в процессе, учитывая отсутствие теплового загрязнения (загрязнения воздуха), так как объект прогревается напрямую, без использования топливных ресурсов.

Инновации технологии индукционного нагрева и будущее развитие

Даже с учётом того, что системы индукционного нагрева уже достигли зрелости в качестве технологии, развитие современных технологий постоянно сопровождается возможностями для новых направлений исследований.

Ближайшие годы обещают пополниться следующими темами, которые, как ожидается, должны представлять значительный интерес для индустриального сектора.

Повышение эффективности применения

Совершенство технологий производства полупроводников обещает появление систем индукционного нагрева более высокой эффективности. Кроме того, специальные формы и конструкции катушки индуктивности также обеспечат повышение эффективности технологии.

В результате улучшения следует ждать не только в плане производительности, но и в плане надежности систем индукционного нагрева.

Индустриальные машины, относящиеся к описываемой технологии, то есть – поддерживающие индукционный нагрев, уже несколько последних лет отмечаются активным совершенствованием

Технологические нагреватели, наделённые несколькими катушками – это:

  • лучшее распределение тепла,
  • более высокая производительность,
  • гибкость процессов,

при использовании нескольких одновременно работающих катушек.

Такие системы представляют значительный технологический прорыв и всё чаще применяются не только в промышленности, но и в бытовом секторе. Однако не обходится и без проблем.

Читайте также:
Изготовление фундаментной плиты и ее гидроизоляция

Так, следует приложить усилия для оптимизации конструкции преобразователя мощности с несколькими выходами и передовые алгоритмы управления. Другая проблема для внимательного рассмотрения, — это эффект связи между отдельными катушками.

Совершенство процесса управления и расширение применения

Усовершенствованное управление требует внедрения надёжных алгоритмов управления для обеспечения правильной работы преобразователя мощности под различные нагрузки индукционного нагрева и рабочих точек.

Управление системами, где используются несколько катушек, является еще одной проблемой. Ожидается повышение производительности и оптимизация переходных процессов за счёт внедрения блоков управления идентификацией в реальном времени с адаптивными алгоритмами.

Ожидается, что диапазон применения индукционного нагрева будет увеличиваться с ростом технологий. Прогрев материалов с низким удельным сопротивлением, а также прогрев биологических тканей, используемых для медицинских целей, являются вопросами, представляющими особый интерес.

Есть ещё другие применения, которые нуждаются в дальнейших исследованиях для оптимизации параметров процесса.

При помощи информации: UltraFlexPower

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

Обогреватель индукционного типа

Нагревающие устройства, принцип действия которых основан на индукционном нагреве, называются индукционными нагревателями. Применяются они как в промышленности, так и в быту, причём в промышленности значение их использования трудно переоценить.

Рассмотрим эти устройства подробнее.

Устройство и принцип действия индукционного нагревателя

Упрощённо индукционный нагреватель состоит из трёх составных элементов:

  • генератор переменного тока (1);
  • индуктор (2);
  • сердечник (3).

В катушку, состоящую из определённого числа витков проводника заданной площади сечения, помещают токопроводящий (металлический, графитовый) стержень без непосредственного контакта с ней, после чего на контакты катушки с генератора переменного тока подаётся напряжение. Вокруг витков катушки образуется электромагнитное поле, под воздействием которого в стержне возникают вихревые токи Фуко, разогревающие сердечник. Таким образом, теплопередача на сердечник отсутствует, тепло вырабатывается им самостоятельно под воздействием блуждающих в нём токов, и может быть передано при помощи теплоносителя. Температура стержня повышается не одновременно по всей массе, а от поверхностных слоёв к центру, в зависимости от теплопроводности материала сердечника. При этом, повышение частоты переменного тока уменьшает глубину индуктивного нагрева, но увеличивает его интенсивность. Особого внимания заслуживает то обстоятельство, что катушка вокруг сердечника во время работы остаётся практически холодной.

Наглядно этот процесс выглядит так:

Области применения

В промышленности индукционные нагреватели используются для выполнения следующих сложных процессов:

  • сверхчистая плавка металлов (производится в канальных — бесконтактных индукционных печах);
  • гибка стальных труб большого диаметра;
  • выполнение поверхностной закалки стальных изделий (строительная арматура, детали передаточных механизмов станков и т.д.);
  • термообработка мелких деталей сложной конфигурации;

В быту индукционные нагревательные устройства распространены также достаточно широко. Области их применения:

  • бытовые автономные системы отопления (для дачи, квартиры, частного дома);
  • индукционные варочные поверхности и плитки для кухни;
  • тигельные печи малого объёма для бытовой плавки металла;
  • ювелирное ремесло.

Поскольку основная тема статьи – индукционный обогреватель, то подробно остановимся на отопительном котле, в основу работы которого заложена идея индуктивного нагрева теплоносителя.

Индукционный обогреватель – котёл отопления

С тех пор, как владельцы жилья стали устанавливать в своих домах автономные системы отопления, вопрос экономичности нагревательных котлов для них остаётся одним из самых важных. По этому показателю, по крайней мере, среди устройств, вырабатывающих тепло из электричества, индукционные котлы отопления лидируют. При этом мощность их, не сравнимая с идентичным параметром такого прибора, как плинтусный обогреватель, позволяет применять агрегаты в качестве основного способа отопления в помещениях большой площади.

Индукционные котлы отопления состоят из двух контуров – первичного (электромагнитного) и вторичного (теплообменная обвязка). Первый контур, состоящий из преобразователя напряжения и теплогенератора с нагревателем индукционного типа, создаёт электромагнитное поле, вихревые токи и вырабатывает тепло. Второй контур, включающий в себя теплообменник с системой обвязки, передаёт это тепло посредством циркуляции теплоносителя на радиаторы системы отопления. В качестве теплоносителя используется вода в чистом виде или с присадками.

Кроме указанных двух контуров, система отопления включает автоматику, отвечающую за работу отдельных узлов агрегата.

Современные индукционные котлы отопления устанавливаются только в теплообменный контур закрытого типа, имеющий в конструкции расширительный бачок мембранного типа и насос принудительной циркуляции. Использование циркуляционного насоса является вынужденной мерой и обусловлено малым объёмом теплоносителя при высокой интенсивности нагрева теплообменника. Возможность естественной циркуляции в такой системе исключена – без насоса закипание воды произойдёт раньше начала её движения по трубам.

Важно! Индукционный котёл должен быть обязательно заземлён. Кроме того, при монтаже системы отопления контур разводки теплоносителя в целях безопасности необходимо монтировать из пластиковых труб, или же изолировать нагревательный агрегат от стального контура вставкой фитингов из полипропилена.

Классифицируются индукционные котлы отопления идентично другим отопительным электрическим агрегатам – по мощности, исполнению, параметрам потребляемого электричества. Но у этих устройств имеется ещё классификация по конструктивному решению электрической части.

Разновидности индукционных котлов

Существуют следующие разновидности нагревательных котлов индукционного типа, обозначаемые как по принципу действия, так и по марке производителя:

  • SAV – разновидность и одновременно торговая марка котлов нового поколения мощностью от 2,5 до 100 кВт, с 2007 г. выпускаемых российской компанией ЗАО НПК «ИНЭРА»;
  • ВИН — аббревиатура является не только сокращением названия вида индукционных устройств (вихревые индукционные нагреватели), но и запатентованным названием котлов, производимых ижевской компанией «Альтернативная энергия».
Читайте также:
Дизайн салатовой спальни с фото

Индукционные обогреватели SAV

Эксплуатация агрегатов SAV не требуют использования инвертора, на индуктор подаётся ток частотой 50 Гц. Индуцированное первичной обмоткой электромагнитное поле вызывает образование вихревых потоков во вторичной обмотке, роль которой в котлах данного типа выполняет участок замкнутого контура труб с теплоносителем. Данный участок трубы – вторичная обмотка интенсивно нагревается под воздействием токов Фуко и передаёт тепло теплоносителю, принудительно циркулирующему в системе отопления с помощью циркуляционного насоса.

Устройство отопительной системы выполняется с использованием радиаторов или лабиринтовым способом, напоминающим плинтусовый обогрев, чтобы увеличить общую площадь наружной поверхности (теплоотдачи) труб — контур отопления, как минимум, не должен быть минимальным по протяжённости.


Котлы SAV производятся под напряжение в 220V и 380V. В качестве теплоносителя в них используется вода (в чистом виде или с противозамерзающими присадками), а также антифриз. Выход агрегата на полную мощность работы занимает порядка 5-20 минут (в зависимости от объёма теплоносителя), КПД нагревателей таких устройств составляет минимум 98%. Для эффективного обогрева помещения площадью до 30 м кв. достаточно индукционного устройства мощностью в 2,5 кВт, покупка которого в комплекте с системами автоматики и управления обойдётся приблизительно в 30 тыс. руб.

ВИН-агрегаты отопления

Котлы данного типа более совершенны по принципу действия и конструкции, что, естественно, отражается на их стоимости. Для работы ВИН-устройств необходим инвертор – устройство повышения частоты входящего тока. Ток высокой частоты вызывает образование электромагнитного поля высокой напряжённости, которое, в свою очередь, обуславливает возникновение более мощных вихревых токов во вторичной обмотке. Кроме того, теплообменник и корпус котла изготавливаются из ферромагнитных сплавов, имеющих собственное магнитное поле. Результатом всех этих процессов является большая интенсивность нагрева теплообменника и, естественно, теплоносителя.

ВИН-агрегата мощностью в 3 КВт достаточно для отопления помещения площадью 35-40 м кв. (в зависимости от климатических условий и качества теплоизоляции наружных строительных конструкций).

ВИН-агрегаты вследствие большей производительности могут использоваться не только в системах отопления жилья, но и для горячего водоснабжения. Для этого в контур теплоносителя врезают дополнительные накопительные резервуары, оборудованные защитной автоматикой, ёмкость которых рассчитывается в зависимости от количества точек горячего водозабора. Горячей водой эти ёмкости обеспечиваются путём её циркуляции в системе с прямоточным нагревом индукционным обогревателем.

Оценка маркетинговых характеристик-утверждений

Индукционным котлам отопления приписывают множество достоинств, часто – без аргументов. Перечислим эти характеристики и дадим оценку степени соответствия утверждений факту:

Экономичность

Утверждение

Потребление электроэнергии индукционными котлами на 20-30% меньше, чем другими обогревателями на электричестве.

Все нагревательные электроприборы, не выполняющие механической работы, 100% энергии электрического тока превращают в тепло, их КПД всегда ниже 100%, но отличается по величине у разных устройств в разных условиях. Для выработки 1 КВт тепловой энергии необходимо затратить более 1 КВт электричества, а вот насколько более — зависит от параметров среды рассеивания. Внутри котла потери, конечно, тоже присутствуют – например, на нагрев катушки, так как любой материал проводника имеет сопротивление, но все эти потери остаются внутри помещения

Важно! Счётчики старого образца (бакелитовые) зафиксируют меньший (в 1,6 – 1,8 раза) расход электроэнергии, чем современные электронные, так как они не рассчитаны на учёт реактивной мощности индукционных котлов.

Возможно, этим фактом и обусловлено утверждение об экономичности индукционных котлов.

Долговечность

Утверждение

Высокая надёжность и большой ресурс оборудования — более 25 лет.

Действительно, отсутствие подвижных деталей исключает механический износ индукционных котлов. Но в систему отопления с ВИН-агрегатом входит циркуляционный насос, ресурс которого гораздо скромнее. Кроме того, в систему управления и автоматики входят механизмы, также состоящие из многих комплектующих, подверженных износу.

Сердечник индукционного нагревателя функционирует в условиях постоянного циклического нагрева и охлаждения, температурных деформаций, которые тоже являются отрицательным фактором. Поэтому называть ресурс индукционных котлов чуть ли не безграничным – преувеличение. Однако он и в самом деле в разы выше ТЭНовых нагревателей.

Неизменность характеристик за весь срок эксплуатации

Утверждение

Отсутствие процесса образования накипи на внутренней поверхности труб обуславливает постоянную эффективность нагревателя и теплообменника.

Накипь – это отложение солей, содержащихся в воде (теплоносителе). Количество этих примесей в ограниченном объёме теплоносителя также ограничено и невелико, поэтому влияние накипи на эффективность обогревателя незначительно. А в индукционном котле вторичная обмотка находится под почти постоянным воздействием вибрации, и образования накипи не происходит вообще. Так что утверждение верное, преувеличена лишь его значимость.

Бесшумность

Утверждение

Работа индукционных обогревательных котлов бесшумна, что отличает их от других электрических отопителей.

Утверждение справедливо, но — все бойлеры на электроэнергии не шумят при работе, так как в диапазон их колебаний акустические волны не входят. Шуметь может только циркуляционный насос, но при желании можно подобрать модель бесшумного действия.

Компактность

Утверждение

Индукционные котлы компактны, что удобно при выборе места их установки.

Это действительно так, если не применять каскада индукционных котлов и не устанавливать промежуточных резервуаров при наличии нескольких точек горячего водозабора в системе горячего водоснабжения, так как индукционный нагреватель – это по большому счёту небольшой кусок трубы с обмоткой.

Читайте также:
Зонирование однокомнатной квартиры шторами

Безопасность

Утверждение

Безопасность устройства абсолютна.

Абсолютно безопасных электронагревателей не существует. При эксплуатации индукционных устройств не исключена вероятность утечки теплоносителя из системы, а генератор электромагнитного поля продолжит свою работу, и система пустых труб будет нагреваться. Для предотвращения возникновения такой ситуации в конструкции котла предусмотрено устройство автоматического отключения, но ведь и оно может выйти из строя.

Поэтому индукционные обогреватели, выигрывая у соперников по некоторым критериям безопасности, полностью безопасными не являются.

Недостатки индукционных нагревателей

  • Высокая стоимость устройств.
  • Значительный вес при компактности.
  • Наличие фактора влияния электромагнитного поля на организм и приборы.

Последний пункт рассмотрим подробнее.

Электромагнитное поле влияет на живые организмы приблизительно так, как на продукты в микроволновой печи – прогревает их на определённую глубину, и это может иметь последствия. Интенсивность воздействия поля, в том числе на человека, определяется таким его показателем, как плотность потока энергии (ППЭ), растущая с увеличением частоты подаваемого на первичную обмотку тока. При эксплуатации индукционных обогревателей необходимо соблюдать санитарную норму предельного значения ППЭ, которая установлена в СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96, зависит от продолжительности воздействия поля и составляет, к примеру, для 8-часового воздействия – 25 мкВт/кв.см, одночасового – 200 мкВт/кв.см.

Кроме того, излучение индуктора отрицательно влияет на электронику и радиоаппаратуру, расположенную поблизости, создавая помехи при работе.

Важно! Чтобы защититься от воздействия электромагнитного поля, можно обнести котёл мелкоячеистой (1х1, 2х2 мм) металлической сеткой (клеткой Фарадея), не контактирующей с корпусом котла и заземлённой.

Правила эксплуатации

Безопасная эксплуатация индукционных котлов отопления, как и любых других технических устройств, обеспечивается выполнением ряда правил, касающихся как их монтажа, так и использования после установки:

  • Заземление котла обязательно.
  • Расстояние от устройства до стен по бокам должно быть не менее 30 см, от нижней точки котла до пола – 80 см, от верхней его точки до потолка – 80 см.
  • Индукционные котлы устанавливаются только в закрытый контур с расширительным баком мембранного типа.
  • Система должна включать в себя блок устройств обеспечения безопасности (манометр, воздушный клапан, клапан сброса избыточного давления, система автоматического отключения при перегреве).

Обзор известных производителей

  • Эдисон – нагреватели индукционного типа мощностью от 4,7 до 500 КВт, выпускаемые новосибирским заводом «СибТехноМаш», для бытовых и промышленных нужд;
  • Miratron – продукция российского производителя индукционного отопительного оборудования НПК Миратрон для бытового использования, отличающаяся передовым дизайном, позволяющим использовать оборудование без ущерба интерьеру помещения;
  • Teco-House – индукционные котлы отопления с уникальной системой управления, производимые одноимённой украинской компанией по стандартам ЕС и Российской Федерации.

Заключение

Современный рынок котлов для монтажа систем автономного отопления представлен сотнями моделей агрегатов различных видов. Объективность критерия цена/качество каждой разновидности различно. Выбор в пользу индукционных нагревательных устройств в плане риска последующего разочарования в покупке наиболее разумен.

Индукционный нагрев

ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ — это промышленный нагрев металлических материалов (проводников), помещенных внутрь катушки индуктивности (индуктора) промышленной частотой от 50 Гц. Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) деталь размещается в индукторе, который сделан из круглой или квадратной трубки (обычно медной). ZAVOD RR — индукционные системы нагрева (ТВЧ) и индукционный нагрев металла от профессионалов!

Содержание

  • Индукционный нагрев металла
  • Индукторы для индукционного нагрева
  • Частота индукционного нагрева
  • Индукционные системы нагрева
  • Индукционный нагрев ТВЧ труб, валов
  • Принцип индукционного нагрева
  • Применение индукционного нагрева

Индукционный нагрев металла

Индукционный нагрев металла сочетает в себе частоту, температуру, скорость и контроль производственного процесса. В принципе индукционного нагрева лежит закон Фарадея. деталь из металла помещается в индуктор, внутри ее возникает вихревой ток, который стремится к наружным стенкам.

То есть тепло возникает прямо в предмете (металлической заготовке), оставляя все вокруг холодным, что является несомненным преимуществом данного способа нагрева. Глубина нагрева зависит от частоты индукционного нагревателя, при этом металлическая деталь может располагаться в изоляции от источника питания.

Тепло в металлической заготовке образуется не равномерно по всему сечению, но экспоненциально спадает по мере удаления от поверхности из-за ослабления воздействия магнитного поля. Этот процесс характеризует особая физическая величина — глубина проникновения магнитного поля (по сути, толщина поверхностного слоя предмета, в котором внешнее магнитное поле спадает до нуля). Эта величина зависит от частоты тока индуктора и от удельного сопротивления и относительной проницаемости материала заготовки при рабочей температуре.

Индукторы для индукционного нагрева

Поскольку эффективность нагрева материала меняется в зависимости от соотношения внутреннего диаметра катушки индуктора и диаметра заготовки, не выгодно использовать один индуктор для большого диапазона диаметров.

Если вы хотите заказать индукторы для индукционного нагрева, нужно иметь в виду, что низкое значение соотношения диаметров используется, как правило, для поверхностной закалки, а когда требуется, чтобы материал был прогрет равномерно.

ZAVOD RR изготовит индукторы для индукционного нагрева с оптимальными размерами заготовки (которая также влияет на величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте). Направляйте чертежи деталей, индуктор стоит от 15 000 рублей, срок изготовления 14 рабочих дней.

Читайте также:
Выбираем точечные светильники — что важно знать?

Частота индукционного нагрева

Нагрев заготовок производится токами высокой частоты и начинается с частоты 50 Гц. Для подбора индукционного нагревателя, необходимо знать частоты индукционного нагрева. От выбора средней, сверхвысокочастотной или промышленной частоты будет зависеть, на какую глубину будет проникать индукционный ток. Энергетическую эффективность индукционного нагрева можно улучшить с использованием тока трех частот.

Частота индукционного нагрева индукционного нагревателя бывает:

  • установки 50 Гц ( промышленной частоты ), которые питаются непосредственно от сети или через понижающие трансформаторы;
  • сверхвысокочастотные частоты (500-10000 Гц), которые получают питание от преобразователей частоты;
  • высокочастотные частоты (66 000 – 440 000 Гц и выше), питающиеся от ламповых электронных генераторов.

Индукционные системы нагрева

Таким образом, система индукционного нагрева состоит, как минимум, из генератора, преобразующего сетевое питание в ток, необходимый для работы установки, и индуктора, передающего энергию для нагрева. Как правило, при этом еще необходим резонансный контур для согласования характеристик индуктора и генератора. Для выполнения более сложных задач необходима более сложная система, включающая закалочную машину, систему охлаждения и т.п.

Индукционный нагрев ТВЧ труб и валов

Индукционный нагрев ТВЧ труб на первый взгляд кажется дорогостоящим из-за цены на оборудование, но на самом деле позволяет при минимальных затратах на электроэнергию и высокой скорости нагрева (что уже есть экономия) получить отличные результаты при проведении множества работ: снятие и нанесение покрытия, термообработка сварных швов, сгибание при изготовлении трубопровода и многое другое.

Индукционный нагрев ТВЧ валов позволяет производить операции по ТВЧ закалки. ТВЧ нагрев валов может производиться на глубину до 1-2 мм (поверхностный ТВЧ нагрев) либо на глубину до 5 мм (глубокая закалка ТВЧ). Глубина зависит от выбора индукционного нагревателя и правильного подбора его мощности.

Что подверглось обработке током высокой частоты, можно эксплуатировать гораздо дольше и при более неблагоприятных внешних воздействиях, индукционный нагрев ТВЧ труб и валов отличается :

  • возможность бесперебойной круглосуточной эксплуатации;
  • быстрая настройка и подключение;
  • качественный равномерный нагрев;
  • малые габаритные размеры.

Принцип индукционного нагрева

В чем же принцип индукционного нагрева? И так, суть индукционного нагрева заключается в том, что в переменное магнитное поле индуктора, питающегося от генератора высокой частоты, помещается нагреваемый объект (проводник). Раз проводник в переменном поле, то в нем обязательно возникнет электродвижущая сила, пропорциональная скорости изменения магнитного потока, которая вызовет вихревые токи Фуко, которые, в свою очередь (по закону Джоуля-Ленца), вызовут нагрев заготовки, потому что у нее есть электрическое сопротивление. Элементарный контур будет работать продуктивно и долго, если правильно настроить частоту.

Применение индукционного нагрева

Разнообразное применение индукционного нагрева, обусловлено его свойствами и функциями, облегчающими технологический процесс, позволяющий его максимально автоматизировать и повысить качество результатов работы. Практическое применение нагрева:

  • формовка, плавление железных и не железных металлов;
  • закалка;
  • пайка;
  • горячее прессование;
  • сварка;
  • вакуумная плавка;
  • поддержание температуры расплавленного стекла;
  • обработка очень мелких деталей, в том числе ювелирных;
  • сгибание труб и других деталей;
  • стерилизация лабораторных инструментов.

Индукционный нагрев в промышленности

Статья 1 Опубликована в журнале «Индустрия» №3 (85) /2014 г.

Использование индукционного нагрева
зависит только от вашего воображения.

Часто сталкиваясь с тем, что современными предприятиями руководят экономисты и управленцы по образованию, я ставлю перед собой цель рассказать простыми словами о применении индукционного нагрева в промышленности. За семь лет работы с индукционным промышленным оборудованием, у меня скопился большой объем информации по индукционному нагреву. Надеюсь, она будет полезна и руководителям и техническим специалистам.

Физика индукционного нагрева

Для понимания, что такое индукционный нагрев, придется немного рассказать о физике этого процесса. Любая индукционная установка представляет собой преобразователь промышленного электрического тока в ток более высокой частоты, главной особенностью этого преобразования является то, что индукционный нагрев металлов осуществляется только на резонансной частоте. Параметры резонанса в основном задаются индуктивностью и емкостью самой установки. Однако, к индукционным установкам подключают индукционные катушки, так называемые индукторы разной конструкции, которые имеют различную индуктивность. Да к тому же металлы в процессе нагрева меняют свои свойства. Вот и приходится индукционной установке постоянно подстраивать собственную резонансную частоту, что бы работать с максимальным КПД.

Ранее промышленность использовала ламповые и машинные преобразователи частоты, которые автоматически не могли подстраивать резонансную частоту генерации. Ее изменяли с помощью коммутации конденсаторных батарей, что было крайне неудобно. Современные индукционные генераторы оснащают ключевыми элементами на базе тиристоров и транзисторов. Транзисторные генераторы могут менять частоту резонанса в достаточно широких пределах, иногда в несколько раз. Что позволяет подключать к ним индукторы с различным количеством витков. Тиристорные генераторы так же могут подстраивать резонансную частоту в пределах нескольких десятков процентов.

Главной задачей индукционного нагревателя является создание в индукторе электрических токов высокой частоты и большой силы. В зависимости от поставленных задач и количества витков индуктора напряжение на индукторе может достигать 1500 вольт и токов в несколько сотен ампер при последовательном резонансе. Или 20-100 вольт при токах до 12.000 ампер при использовании понижающего трансформатора.

Понятно, что такие токи вызывают сильный нагрев электрических проводников, индукторов, полупроводниковых транзисторов и диодов, трансформаторов и конденсаторов самой установки. Именно поэтому большинство современных индукционных установок имеют водяное охлаждение. По сути это две взаимодействующие друг с другом системы, с одной стороны электрическая, а с другой сантехническая – водопроводная. И сбой в работе любой из этих систем приводит к выходу из строя индукционного оборудования в целом. Ремонт индукционных установок стоит недешево. Сборки транзисторов, так называемые IGBT модули, стоят до 10 тысяч рублей, а их иногда выгорает несколько. Выгорание обмоток высокочастотных трансформаторов требует ремонта стоимостью в десятки тысяч рублей. Могу дать совет, купите для своей индукционной установки мощный насос и хорошую систему охлаждения и будете избавлены от множества неприятностей в будущем.

Читайте также:
Входные двери в квартиру с зеркалом внутри: металлические и из дерева, плюсы и минусы, фото

После того, как генератор возбудил в индукторе электрический ток, который в свою очередь создал в нем магнитное поле высокой интенсивности, встает задача максимально передать эту энергию в нагреваемую металлическую деталь. Понятно, что чем ближе деталь располагается к виткам индуктора, тем большее количество энергии в нее попадет. Причем лучшими условиями для нагрева является расположение детали внутри индуктора. Магнитное поле индуктора возбуждает в любом металле вторичные вихревые токи, их еще называют токи Фуко, которые в свою очередь интенсивно нагревают поверхность токопроводящей детали. Глубина этого нагрева зависит от частоты генерации и, как правило, составляет от 0,1 мм до 10 мм. Металлы, обладающие ферромагнитными свойствами, в том числе железо и никель, нагреваются не только за счет токов Фуко, но и за счет перемагничивания ферромагнитных доменов. Однако по достижении температуры точки Кюри, примерно 760 градусов Цельсия, ферромагнитная составляющая индукционного нагрева исчезает и остается только нагрев за счет токов Фуко. Причем, интенсивность этого нагрева растет с ростом температуры, т.к. увеличивается омическое сопротивление металла.

Когда же необходим индукционный нагрев на глубины более 10 мм, например, объемный нагрев для горячей штамповки, дальнейший нагрев вглубь металла происходит только за счет теплопередачи. А это процесс достаточно медленный, например, для нагрева стальной заготовки диаметром 40 мм на частоте 6 кГц с разницей температуры по всему объему металла в 100 градусов Цельсия потребуется 58 секунд. Если же есть потребность нагревать большее количество заготовок, соответственно большее их количество должно нагреваться одновременно. Такое индукционное оборудование называется Индукционный кузнечный нагреватель, сокращенно ИКН.

Индукционный нагрев всегда значительно эффективнее и быстрее остальных видов нагрева за счет того, что максимальная температура создается не на поверхности детали, а на глубине проникновения электрического поля, в месте перехода индукционного нагрева в нагрев с помощью теплопередачи. А глубина проникновения электрического поля зависит от частоты генерации индукционной установки. И чем она ниже, тем глубже расположена эта граница, и тем интенсивнее идет прогрев вглубь металла. На современных среднечастотных транзисторных индукционных установках с частотой генерации 3-5 кГц (после прохождения точки Кюри) глубина горячего проникновения индукционного поля в металл достигает 10 мм.

Инструкция по эксплуатации индукционного оборудования обычно содержит десяток – другой страниц, а вот для того, что бы научиться делать хорошие индукторы, нужно изучить не одну книгу и приобрести практические навыки. Обычно через несколько лет после покупки предприятием индукционной установки, силами своих специалистов изготавливается несколько десятков различных по конструкции индукторов для решения различных задач индукционного нагрева. Компания «Мосиндуктор», которую я возглавляю, не только щедро делится со своими покупателями литературой по индукционной тематике, но и проводит единственные в РФ «Курсы повышения квалификации высокочастотников – термистов». На этих курсах одной из главных является тема изготовления индукторов для решения конкретных технологических задач и согласование их параметров с различными индукционными установками.

Как уже упоминалось, индуктор хорошо нагревает деталь тогда, когда она расположена внутри индуктора. Это происходит потому, что распределение электрического тока по сечению индуктора неоднородно. Высокочастотные токи в индукторе вытесняются магнитным полем на поверхность проводника, именно поэтому индукторы делают из медной трубки, с толщиной стенки 1-3 мм. При этом индуктор обязательно охлаждают водой, ведь токи в тысячи ампер, протекающие через него, вызывает интенсивный нагрев.

На распределение тока в индукторе влияет также эффект близости и производный от него кольцевой эффект. Именно они приводят к концентрации электрического тока на поверхностях индуктора обращенных друг к другу и внутри кольцевого индуктора. Поэтому бывает достаточно сложно эффективно нагреть внутренние отверстия и плоскости. Однако современные магнитодиэлектрики, так называемые «магнитные зеркала», отлично справляются с задачей по вытеснению электрического тока в индукторе на нужную сторону. И позволяют решать сложнейшие задачи индукционного нагрева высокоэффективно и на малых мощностях индукционных генераторов. Компания «Мосиндуктор» предлагает к поставке керамические магнитодиэлектрики под собственной маркой «Ферроксон».

Современные индукционные установки

В 2007 году мы предложили собственную классификацию современных индукционных транзисторных нагревателей, взамен устаревшей советской. Наша классификация прижилась и сейчас, ей пользуются десятки фирм поставщиков индукционного оборудования. Она достаточно простая первые 2-3 буквы обозначают частотный диапазон индукционной установки, а последующие цифры ее мощность.

Среднечастотные – СЧ с частотным диапазоном 5-20 кГц, Высокочастотные – ВЧ, с частотами 30-100 кГц, Сверхвысокочастотные – СВЧ с диапазоном частот 100-450 кГц. Однако если с частотным диапазоном все обычно бывает в порядке, то потребляемую мощность установки при покупке нужно проверять. Однажды мы давали экспертное заключение для арбитража на индукционную установку, мощность и соответственно стоимость которой, поставщик при продаже завысил в 2,5 раза.

Читайте также:
Заглушка для труб – сфера использования

Проверить реально потребляемую мощность индукционного оборудования достаточно просто. Измерьте токовыми клещами входной ток одной из трех фаз индукционной установки и разделите эту величину на полтора. Вы получите примерную потребляемую мощность индукционной установки. КПД транзисторных установок свыше 95%, а тиристорных около 92%, соответственно вы можете подсчитать выходную мощность преобразователя. Однако не стоит забывать, что в месте перехода индуктор – деталь теряется не менее 30% выходной мощности. Большая ее часть утилизируется в виде тепла водой из индуктора, а меньшая часть рассеется в пространстве в виде электромагнитного излучения.

Современные транзисторные ТВЧ установки имеют множество преимуществ. Малые габариты и вес, позволяют располагать их рядом с оборудованием последующего технологического цикла. Они экономят электроэнергию, являясь современным энергосберегающим оборудованием. Имеют пренебрежимо малую мощность холостого хода и не нуждаются в прогреве, могут работать непрерывно и даже круглосуточно. Быстро нагревают заготовки изнутри. Позволяют автоматизировать и роботизировать операции закалки и отпуска сложных деталей для автомобилестроения и станкостроения.

При пайке создают самое прочное из всех видов паяных соединений, за счет вибрации с частотой генерации флюса и припоя. Идут на замену электрическим и газовым печам, обеспечивают высокую эргономику рабочего места и комфортные условия труда. При соблюдении минимальных требований охраны труда безопасны для персонала. Низкая цена позволяет окупить индукционное оборудование всего за полгода. Имеют срок эксплуатации более 10 лет, при условии своевременного обслуживания. На них легко научиться работать, навыки можно получить всего за 10 минут.

Общие меры безопасности

Ремонт индукционных установок могут выполнять только специализированные сервисные центры и их специалисты на местах установки оборудования. Поэтому покупая оборудование, поинтересуйтесь есть ли такой сервисный центр у поставщика.

Подключение индукционных установок к сети промышленного тока выполняется электриками с соответствующей группой допуска. К работе на индукционных установках не допускаются люди с имплантированными кардиостимуляторами. К индукционным катушкам мощных кузнечных нагревателей нельзя приближаться с металлическими предметами в карманах, они могут нагреться и вызвать ожоги. Электромагнитные поля, излучаемые мощными индукторами, могут являться источником электрических наводок в соседних металлоконструкциях. Во избежание поражения электрическим током все рамы, транспортеры и подставки должны быть надежно заземлены.

Мощное электромагнитное поле является одним из факторов, вызывающим предрасположенность человека к онкологическим заболеваниям. По возможности сократите время пребывания в непосредственной близости с источником электромагнитного поля. Таким источником в первую очередь являются индукционные катушки мощных плавильных печей и индукционных кузнечных нагревателей. Сила воздействия электромагнитного поля напрямую связана с частотой излучения и его мощностью. Чем выше мощность и частота, тем опаснее излучение. Советую термистам и плавильщикам, работающим на ТВЧ установках, иногда менять свою профессию.

Своевременная очистка от цеховой пыли

Современные индукционные установки охлаждаются не только водой. Часть электронных компонентов охлаждается с помощь потока воздуха, создаваемым вентилятором – кулером. Цеховой воздух, как правило, содержит много пыли. Именно она затягивается вентилятором внутрь прибора и оседает на стенках, на сильноточной и слаботочной электронике. Техническая пыль электропроводна, особенно на высоких частотах. Если периодически раз в 3-4 месяца не очищать индукционную установку и высокочастотный трансформатор от пыли, можно гарантировать электрический пробой по пыли через 2-3 года работы.

Электрический пробой начинается по пыли на высоковольтной части прибора, мгновенно происходит ионизация воздуха и он становится электропроводным. В приборе образуется шар высокотемпературной плазмы, сжигающий не только электронику, но и медные шины в палец толщиной. Прожигается корпус, взрываются конденсаторы. После подобного пробоя требуется ремонт по стоимости соизмеримый с половиной стоимости самого прибора. Периодическая очистка от пыли – единственный способ поддержания многолетней работоспособности индукционного оборудования. Удаление пыли, совсем не сложная операция. Пыль следует удалять с помощью мягкой щетки пылесоса, а в труднодоступных местах, например с обмоток ВЧ трансформатора, с помощью продувки сухим сжатым воздухом.

Лучше всего полностью избавиться от пыли, скапливающейся внутри индукционной установки с помощью особой конструкции системы охлаждения. Мощные установки, выпускаемые по евростандарту, имеют пылезащищенные шкафы и встроенные системы водяного охлаждения внутреннего воздуха. Они состоят из радиатора, по которому циркулирует вода из системы водяного охлаждения установки и вентилятора, который обеспечивает циркуляцию охлажденного воздуха через радиатор и пространство шкафа с электронными компонентами. Напротив сильно греющихся конденсаторов устанавливают дополнительные вентиляторы – кулеры.

Конечно, выводы каждый сделает сам. Кто-то предпочтет недорогое индукционное оборудование и будет за ним периодически ухаживать. А кто-то купит надежное и дорогое оборудование. Дополнительные затраты сторицей окупятся многолетней эксплуатацией без разорительных ремонтов и дополнительных затрат на обслуживание.

Обращайтесь в компанию «Мосиндуктор», у нас есть оборудование на любой вкус и кошелек.

В следующей статье я расскажу вам об особенностях использования индукционных установок различного частотного диапазона и системах охлаждения для индукционного оборудования.

Автор статьи директор компании «Мосиндуктор»
(С) 2014 Кучеров Вячеслав Васильевич
Авторские права защищены.
Гарантируется судебное преследование
за размещение статьи на любом сайте
кроме www.mosinductor.ru

Анонс цикла статей «Индукционный нагрев в промышленности»

Будут рассмотрены следующие темы: физические основы индукционного нагрева металлов, техника безопасности и обслуживание индукционного оборудования, виды индукционных установок и особенности их применения, индукционные катушки – индукторы, магнитодиэлектрики – концентраторы магнитного поля, системы охлаждения индукционных установок. Закалочные станки и автоматические закалочные линии для массовой термообработки деталей в автомобилестроении.

Читайте также:
Измельчитель для кухни в раковину: отзывы о кухонном насосе для отходов

Будет рассказано о способах использования индукционного нагрева для решения множества технологических задач современного производства.

В области термообработки, нормализации сварных швов, пайки, объемного нагрева для горячей штамповки, плавки, кристаллизационной вытяжки из расплава, термопосадки, горячего вальцевания, гибки, сварки металлов и пластмасс, производства прямошовных труб и отводов, выращивания кристаллов, нагрева газовых смесей, плавки образцов для рентгенографического анализа, подогрева труб и кабелей перед нанесением изоляции, сжигание геттера в вакуумных лампах, сжигания металлических плавней, поджигание самоспекающихся смесей, отделение металла от резины и много другого…

Индукционный нагреватель металла. Принцип работы

Технология индукционного нагрева заготовок востребована не только в цехах горячей объёмной штамповки. Компактные индукторы необходимы, в частности, для автосервиса, занимающегося изготовлением и ремонтом стальных деталей из профилированного проката. Приобретать промышленный индуктор дорого. Есть ли альтернатива?

Как работает индукционный нагреватель?

Для реализации процесса индукционного нагрева используется известный физический принцип, когда для деформирования в горячем состоянии заготовку размещают в магнитном поле кольцеобразного индуктора. Питание такой катушки производится электрическим переменным током частоты, резко выше, чем обычная (50 или 60 Гц).

Принцип работы индукционного нагревателя следующий. Создаваемые в электромагнитном поле вихревые токи (у них есть и другое название – токи Фуко) производят нагрев металла. Непосредственное соприкосновение заготовки и нагревательного элемента не обязательно, важно только, чтобы индуктор равномерно охватывал нагреваемую поверхность металла. Используя трансформатор, установка подключается к генератору, который обеспечивает требующиеся значения мощности и частоты.

Индукционным нагревом можно обеспечить сравнительно быстрое повышение температуры поверхностных слоёв. В частности, для нагревания прутковой заготовки сечением 35…40 мм и длиной 140….150 мм потребуется около 20…25 с.

Примерные диапазоны соответствия наилучшей частоты тока и поперечного сечения круглого прутка приведены в таблице.

Диаметр, мм 20…40 40…60 60…80 80…100 100…120
Частота, кГц 100…40 40…10 10…4 4…1 1…0,5

Для полосового металла применять индукционный нагрев менее выгодно, чем для круглого прутка, поскольку расстояние между внутренним диаметром катушки и металлом непостоянно.

Обычно применяется частота от 10 кГц, тогда КПД индукционного нагревателя достигает максимума. Частота регулируется в зависимости от:

  • требуемой производительности нагрева;
  • температуры нагреваемого металла;
  • размеров поперечного сечения.

Конструкции промышленных индукторов снабжаются устройствами для автоматической загрузки-выгрузки нагретых заготовок. Это необходимо потому, чтобы интервал между нагревом и пластическим деформированием металла был минимальным.

Время нагрева стальных заготовок невелико: для сечения 20 мм оно составляет всего 10 с, поэтому потери металла в окалину незначительны.

Индукционный нагреватель своими руками

Известен ряд конструкций индукторов, изготовленных из сварочного инвертора, принцип действия которых может быть использован для наведения в металле вихревых токов Фуко.

Изготовление самодельного индуктора заключается в следующем. Вначале потребуется изготовить прочный корпус, в котором будет находиться узел крепления нагреваемой заготовки. Корпус необходимо подвергнуть закалке, чтобы он не деформировался под воздействием возможных ударов. Ещё лучше, если материал подвергнуть азотированию: в этом случае реализуются два преимущества — дополнительное увеличение твердости за счет более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит, и улучшение скин-эффекта, когда по внешней стороне заготовки будет протекать более мощный ток. Прочность оценивается по пробе на искру.

Следующей стадией является изготовление нагревающей катушки. Её делают из индивидуально изолированных проводов: в этом случае потери мощности будут минимальными. Подойдёт и медная трубка – она имеет большую площадь поверхности, по которой будут наводиться вихревые токи, при этом собственный нагрев индуктора из-за высокой электропроводности меди практически отсутствует.

После подключения катушки к системе водяного охлаждения и проверки системы прокачки индуктор готов к работе.

Рабочая схема

В состав нагревателя входят следующие составляющие:

  1. Инверторный блок, рассчитанный на напряжение 220…240 В, при токе не менее 10 А.
  2. Трёхпроводная кабельная линия (один провод – заземляющий) с нормально разомкнутым переключателем.
  3. Система водяного охлаждения (крайне желательно использовать очистные фильтры для воды).
  4. Набор катушек, отличающихся внутренними диаметрами и длиной (при ограниченных объёмах работ можно обойтись и одной катушкой).
  5. Нагревающий блок (можно применить модуль на силовых транзисторах, которые выпускаются китайскими фирмами Infineon или IGBT).
  6. Демпферная цепь с несколькими конденсаторами Semikron.

Генератор высокочастотных колебаний принимается тот же, что и у базового инвертора. Важно, чтобы его эксплуатационные характеристики полностью соответствовали тем, которые указаны в предыдущих разделах.

После сборки блок заземляется, и с помощью соединительных кабелей нагревательная индукционная катушка присоединяется к блоку питания инвертора.

Примерные эксплуатационные возможности самодельного индукционного нагревателя металла:

  • Наибольшая температура нагрева, ° С – 800.
  • Минимальная мощность инвертора – 2 кВА.
  • Продолжительность включения ПВ, не менее – 80.
  • Рабочая частота, кГц (регулируемая) — 1,0…5,0.
  • Внутренний диаметр катушки, мм – 50.

Следует отметить, что такой индуктор потребует специально подготовленного рабочего места – бака для отработанной воды, насоса, надёжного заземления.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: