Индукционные печи: принципы действия, чертежи, как сделать самостоятельно

Автор: Колесников Юрий Фёдорович, инженер-теплоэнергетик

Индукционная печь изобретена давно, еще в 1887 г, С. Фарранти. Первая промышленная установка заработала в 1890 г. на фирме Benedicks Bultfabrik. Долгое время индукционные печи и в индустрии были экзотикой, но не вследствие дороговизны электричества, тогда оно было не дороже теперешнего. В процессах, происходящих в индукционных печах, было еще много непонятного, а элементная база электроники не позволяла создавать эффективные схемы управления ими.

В индукционно-печной сфере переворот произошел буквально на глазах в наши дни, благодаря появлению, во-первых, микроконтроллеров, вычислительная мощность которых превышает таковую персональных компьютеров десятилетней давности. Во-вторых, благодаря… мобильной связи. Ее развитие потребовало появления в продаже недорогих транзисторов, способных отдавать мощность в несколько кВт на высоких частотах. Они, в свою очередь, были созданы на основе полупроводниковых гетероструктур, за исследования которых российский физик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию.

В конечном итоге, индукционные печки не только совершенно преобразились в промышленности, но и широко вошли в быт. Интерес к предмету породил массу самоделок, которые, в принципе, могли бы быть полезными. Но большинство авторов конструкций и идей (описаний которых в источниках много больше, чем работоспособных изделий) плоховато представляют себе как основы физики индукционного нагрева, так и потенциальную опасность неграмотно выполненных конструкций. Настоящая статья призвана прояснить некоторые наиболее смутные моменты. Материал построен на рассмотрении конкретных конструкций:

1. Промышленной канальной печи для плавки металла, и возможности ее создания самостоятельно.
2. Тигельных печей индукционного типа, самых простых в исполнении и наиболее популярных среди самодельщиков.
3. Индукционных водогрейных котлов, стремительно вытесняющих бойлеры с ТЭНами.
4. Бытовых варочных индукционных приборов, конкурирующих с газовыми плитами и по ряду параметров превосходящих микроволновки.

Примечание: все рассматриваемые устройства основаны на магнитной индукции, создаваемой катушкой индуктивности (индуктором), поэтому и называются индукционными. В них можно плавить/нагревать только электропроводящие материалы, металлы и т.п. Есть еще электроиндукционные емкостные печи, основанные на электрической индукции в диэлектрике между обкладками конденсатора, они применяются для «нежного» плавления и электротермообработки пластиков. Но распространены они гораздо меньше индукторных, рассмотрение их требует отдельного разговора, поэтому пока оставим.

Принцип действия

Принцип работы индукционной печи иллюстрирует рис. справа. В сущности она – электрический трансформатор с короткозамкнутой вторичной обмоткой:

• Генератор переменного напряжения G создает в индукторе L (heating coil) переменный ток I1.
• Конденсатор С совместно с L образуют колебательный контур, настроенный на рабочую частоту, это в большинстве случаев повышает техпараметры установки.
• Если генератор G автоколебательный, то С часто исключают из схемы, используя вместо него собственную емкость индуктора. Она у описанных ниже высокочастотных индукторов составляет несколько десятков пикофарад, что как раз соответствует рабочему диапазону частот.
• Индуктор в соответствии с уравнениями Максвелла создает в окружающем пространстве переменное магнитное поле с напряженностью H. Магнитное поле индуктора может как замыкаться через отдельный ферромагнитный сердечник, так и существовать в свободном пространстве.
• Магнитное поле, пронизывая помещенную в индуктор заготовку (или плавильную шихту) W, создает в ней магнитный поток Ф.
• Ф, если W электропроводящая, индуцирует в ней вторичный ток I2, то тем же уравнениям Максвелла.
• Если Ф достаточно массивна и цельная, то I2 замыкается внутри W, образуя вихревой ток, или ток Фуко.
• Вихревые токи по закону Джоуля-Ленца отдает полученную им через индуктор и магнитное поле от генератора энергию, нагревая заготовку (шихту).

Электромагнитное взаимодействие с точки зрения физики достаточно сильно и обладает довольно высоким дальнодействием. Поэтому, несмотря на многоступенчатое преобразование энергии, индукционная печь способна показать в воздухе или вакууме КПД до 100%.

Примечание: в среде из неидеального диэлектрика с диэлектрической проницаемостью >1 потенциально достижимый КПД индукционных печей падает, а в среде с магнитной проницаемостью >1 добиться высокого КПД проще.

Конструкция

Индукционное устройство своего рода трансформатор, в котором питаемый от источника переменного тока индуктор — первичная обмотка, нагреваемое тело – вторичная обмотка.

Наипростейшим индуктором нагрева низкой частоты можно считать изолированный проводник (прямая сердцевина или спираль), расположенный по поверхности или внутри металлической трубы.

Основными узлами устройства, работающего по принципу индукции, считают:

• корпус;
• генератор;
• индуктор;
• нагревательный элемент для печи обогрева;
• камеру для плавильной печи.

Питание от генератора запускает мощные токи различной частоты в индуктор, который создаёт электромагнитное поле. Это поле является источником вихревых токов, которые поглощаются металлом и расплавляют его.

Канальная печь

Канальная индукционная плавильная печь – первая из примененных в промышленности. Она и конструктивно похожа на трансформатор, см. рис. справа:

Канальная индукционная печь

1. Первичная обмотка, питаемая током промышленной (50/60 Гц) или повышенной (400 Гц) частоты, выполнена из медной, охлаждаемой изнутри жидким теплоносителем, трубки;
2. Вторичная короткозамкнутая обмотка – расплав;
3. Кольцеобразный тигель из жаростойкого диэлектрика, в котором помещается расплав;
4. Наборный из пластин трансформаторной стали магнитопровод.

Канальные печи используются для переплавки дюраля, цветных спецсплавов, получения высококачественного чугуна. Промышленные канальные печи требуют затравки расплавом, иначе «вторичка» не замкнется накоротко и нагрева не будет. Или между крошками шихты возникнут дуговые разряды, и вся плавка просто взорвется. Поэтому перед пуском печи в тигель наливают немного расплава, а переплавленную порцию выливают не до конца. Металлурги говорят, что канальная печь имеет остаточную емкость.

Канальную печь на мощность до 2-3 кВт можно сделать и самому из сварочного трансформатора промышленной частоты. В такой печи можно расплавить до 300-400 г цинка, бронзы, латуни или меди. Можно переплавлять дюраль, только отливке нужно по остывании дать состариться, от нескольких часов до 2-х недель, в зависимости от состава сплава, чтобы набрала прочность, вязкость и упругость.

Примечание: дюраль вообще был изобретен случайно. Разработчики, обозлившись, что легировать алюминий никак не удается, бросили в лаборатории очередной «никакой» образец и ушли в загул с горя. Протрезвились, вернулись – а никакой изменил цвет. Проверили – а он набрал прочность едва ли не стали, оставшись легким, как алюминий.

«Первичку» трансформатора оставляют штатной, она уже рассчитана на работу в режиме КЗ вторички сварочной дугой. «Вторичку» снимают (ее потом можно поставить обратно и использовать трансформатор по прямому назначению), а вместо нее надевают кольцевой тигель. Но пытаться переделать в канальную печь сварочный ВЧ-инвертор опасно! Его ферритовый сердечник перегреется и разлетится в куски из-за того, что диэлектрическая проницаемость феррита >>1, см. выше.

Проблема остаточной емкости в маломощной печке отпадает: в шихту для затравки кладут проволочку из того же металла, согнутую в кольцо и со скрученными концами. Диаметр проволоки – от 1 мм/кВт мощности печи.

Но появляется проблема кольцевого тигля: единственный подходящий для малого тигля материал – электрофарфор. В домашних условиях обработать его самому невозможно, а где взять покупной подходящий? Прочие огнеупоры не годятся вследствие высоких диэлектрических потерь в них или пористости и малой механической прочности. Поэтому, хотя канальная печь дает плавку высочайшего качества, не требует электроники, а ее КПД уже при мощности 1 кВт превышает 90%, у самодельщиков они не в ходу.

Схемы

Мастеру, умеющему читать электрические схемы, вполне по силам сделать печь для обогрева или индукционную плавильную печь своими руками. Целесообразность монтажа самодельного агрегата каждый мастер должен определять для себя сам. Также необходимо хорошо представлять потенциальную опасность от неграмотно выполненных подобных конструкций.

Для создания работоспособной печи без готовой схемы надо иметь представление об основах физики индукционного нагрева. Без определённых знаний конструировать и монтировать подобный электроприбор не представляется возможным. Конструирование устройств состоит из разработки, проектирования, составления схемы.

Для тех разумных хозяев, кому нужна безопасная индукционная печь, схема особенно важна, так как объединяет все наработки домашнего умельца. Такие популярные приборы, как индукционные печи, схемы сборки имеют разнообразные, где мастера имеют возможность выбора:

• ёмкости печи;
• рабочей частоты;
• способа футеровки.

Под обычный тигель

Остаточная емкость раздражала металлургов – сплавы-то плавились дорогие. Поэтому, как только в 20-х годах прошлого века появились достаточно мощные радиолампы, тут же родилась идея: выкинуть на (не будем повторять профессиональные идиомы суровых мужиков) магнитопровод, а обычный тигель засунуть прямо в индуктор, см. рис.

На промышленной частоте так не сделаешь, магнитное поле низкой частоты без концентрирующего его магнитопровода расползется (это т. наз. поле рассеяния) и отдаст свою энергию куда угодно, только не в расплав. Компенсировать поле рассеяния можно повышением частоты до высокой: если диаметр индуктора соизмерим с длиной волны рабочей частоты, а вся система – в электромагнитном резонансе, то до 75% и более энергии ее электромагнитного поля будет сосредоточено внутри «бессердечной» катушки. КПД выйдет соответственный.

Однако уже в лабораториях выяснилось, что авторы идеи проглядели очевидное обстоятельство: расплав в индукторе, хотя бы и диамагнитный, но электропроводящий, за счет собственного магнитного поля от вихревых токов изменяет индуктивность нагревательной катушки. Начальную частоту понадобилось устанавливать под холодную шихту и менять по мере ее плавления. Причем в пределах тем больших, чем больше заготовка: если для 200 г стали можно обойтись диапазоном в 2-30 МГц, то для болванки с железнодорожную цистерну начальная частота будет около 30-40 Гц, а рабочая – до нескольких кГц.

Подходящую автоматику на лампах сделать сложно, «тянуть» частоту за болванкой – нужен высококвалифицированный оператор. Кроме того, на низких частотах сильнейшим образом проявляет себя поле рассеяния. Расплав, который в такой печи еще и сердечник катушки, до некоторой степени собирает магнитное поле возле нее, но все равно, для получения приемлемого КПД понадобилось окружать всю печь мощным ферромагнитным экраном.

Тем не менее, благодаря своим выдающимся достоинствам и уникальным качествам (см. далее) тигельные индукционные печи широко применяются и в промышленности, и самодельщиками. Поэтому остановимся подробнее на том, как правильно сделать такую своими руками.

Немного теории

При конструировании самодельной «индукционки» нужно твердо помнить: минимум потребляемой мощности не соответствует максимуму КПД, и наоборот. Минимальную мощность от сети печка возьмет при работе на основной резонансной частоте, Поз. 1 на рис. Болванка/шихта при этом (и на более низких, дорезонансных частотах) работает как один короткозамкнутый виток, а в расплаве наблюдается всего одна конвективная ячейка.

В режиме основного резонанса в печке на 2-3 кВт можно расплавить до 0,5 кг стали, но разогрев шихты/заготовки займет до часа и более. Соответственно, общее потребление электричества от сети будет большим, а общий КПД – низким. На дорезонансных частотах – еще ниже.

Вследствие этого индукционные печи для плавки металла работают чаще всего на 2-й, 3-й и др. высших гармониках (Поз. 2 на рис.) Требуемая для разогрева/расплавления мощность при этом возрастает; для того же полкило стали на 2-й понадобится 7-8 кВт, на 3-ей 10-12 кВт. Но прогрев происходит очень быстро, за минуты или доли минут. Поэтому и КПД выходит высокий: печка не успевает «съесть» много, как расплав уже можно лить.

У печей на гармониках есть важнейшее, даже уникальное достоинство: в расплаве возникает несколько конвективных ячеек, мгновенно и тщательно его перемешивающих. Поэтому можно вести плавку в режиме т. наз. быстрой шихты, получая сплавы, которые в любых других плавильных печах выплавить принципиально невозможно.

Если же «задрать» частоту в 5-6 и более раз выше основной, то КПД несколько (ненамного) падает, но проявляется еще одно замечательное свойство индукционки на гармониках: поверхностный нагрев вследствие скин-эффекта, вытесняющего ЭМП к поверхности заготовки, Поз. 3 на рис. Для плавки этот режим используется редко, но для разогрева заготовок под поверхностную цементацию и закалку – милое дело. Современная техника без такого способа термообработки была бы просто невозможна.

О левитации в индукторе

А теперь проделаем фокус: накрутим первые 1-3 витка индуктора, затем перегнем трубку/шину на 180 градусов, и остальную обмотку навьем в обратном направлении (Поз 4 на рис.) Подключим к генератору, введем в индуктор тигель в шихтой, дадим ток. Дождемся расплавления, уберем тигель. Расплав в индукторе соберется в сферу, которая там останется висеть, пока не выключим генератор. Тогда – упадет вниз.

Эффект электромагнитной левитации расплава используют для очистки металлов путем зонной плавки, для получение высокоточных металлических шариков и микросфер, и т.п. Но для надлежащего результата плавку нужно вести в высоком вакууме, поэтому здесь о левитации в индукторе упомянуто только для сведения.

Безопасность

При работе с печью следует остерегаться термических ожогов и учитывать высокую пожарную опасность прибора. При работе приборов их запрещается перемещать. Особенно предусмотрительными надо быть при установке печей обогрева в жилых помещениях.

ЭМП воздействует и разогревает всё окружающее пространство и эта особенность тесно связана с мощностью и частотой излучения прибора. Мощные промышленные устройства могут воздействовать на металлические детали рядом с собой, на ткани людей, на предметы в карманах одежды.

Необходимо учитывать возможное воздействие таких приборов во время работы на людей с имплантированными кардиостимуляторами. При покупке приборов с индукционным принципом работы необходимо внимательно прочитать инструкцию по эксплуатации.

Зачем индуктор дома?

Как видим, даже маломощная индукционная печка для квартирной проводки и лимитов потребления мощновата. Для чего же стоит ее делать?

Индукционный нагрев для закалки

Во-первых, для очистки и разделения драгоценных, цветных и редких металлов. Берем, к примеру, старый советский радиоразъем с позолоченными контактами; золота/серебра на плакировку тогда не жалели. Кладем контакты в узкий высокий тигелек, суем в индуктор, плавим на основном резонансе (выражаясь профессионально, на нулевой моде). По расплавлении постепенно снижаем частоту и мощность, давая застыть болванке в течение 15 мин – получаса.

По остывании разбиваем тигелек, и что видим? Латунный столбик с ясно различимым золотым кончиком, который остается только отрезать. Без ртути, цианидов и прочих убийственных реагентов. Нагревом расплава извне любым способом этого не добиться, конвекция в нем не даст.

Индуктор для отпусковой индукционной печи

Ну, золото-золотом, а сейчас и черный металлолом на дороге не валяется. Но вот необходимость равномерного, или точно дозированного по поверхности/объему/температуре нагрева металлических деталей для качественной закалки у самодельщика или ИП-индивидуала всегда найдется. И тут опять выручит печка-индуктор, причем расход электричества будет посильным для семейного бюджета: ведь основная доля энергии нагрева приходится на скрытую теплоту плавления металла. А меняя мощность, частоту и расположение детали в индукторе, можно нагреть именно нужное место именно как надо, см. рис. выше.

Наконец, сделав индуктор специальной формы (см. рис. слева), можно отпустить закаленную деталь в нужном месте, на нарушая цементации с закалкой на конце/концах. Затем, где надо – гнем, плющим, а остальное остается твердым, вязким, упругим. В конце можно снова разогреть, где отпускали, и опять закалить.

Что такое индукционный нагрев и его преимущества

Метод бесконтактного разогрева металла с помощью тока, проходящего через электропроводящие материалы, называют индукционным нагревом.

В процессе используются высокие частоты и большие величины, но чтобы разобраться со всеми мелкими подробностями, необходимо рассматривать функциональность оборудования последовательно. Из преимуществ нужно выделить следующее:

1. Качество конечного продукта.
2. Возможность контроля за счет автоматизации.
3. Процесс энергетически эффективен.
4. КПД индукционного аппарата остается на высоком уровне.

Такой способ плавления стал известен человечеству еще 200 лет назад, дойдя до нашего времени, он усовершенствовался и был тщательно продуман экспертами. Поэтому закупая оборудование, или самостоятельно собирая печь, можно смело рассчитывать на хорошие показатели производительности.

Приступаем к печке: что нужно знать обязательно

Электромагнитное поле (ЭМП) воздействует на человеческий организм, хотя бы прогревая его во всем объеме, как мясо в микроволновке. Поэтому, работая с индукционной печью в качестве конструктора, мастера или эксплуатанта, нужно четко уяснить себе суть следующих понятий:

ППЭ – плотность потока энергии электромагнитного поля. Определяет общее физиологическое воздействие ЭМП на организм независимо от частоты излучения, т.к. ППЭ ЭМП одной и той же напряженности растет с ростом частоты излучения. По санитарным нормам разных стран допустимое значение ППЭ от 1 до 30 мВт на 1 кв. м. поверхности тела при постоянном (свыше 1 часа в сутки) воздействии и втрое-впятеро больше при однократном кратковременном, до 20 мин.

Примечание: особняком стоят США, у них допустимая ППЭ – 1000 мВт (!) на кв. м. тела. Фактически, американцы считают началом физиологического воздействия внешние его проявления, когда человеку уже становится плохо, а долговременные последствия облучения ЭМП полностью игнорируют.

ППЭ при удалении от точечного источника излучения падает по квадрату расстояния. Однослойная экранировка оцинковкой или мелкоячеистой оцинкованной сеткой снижает ППЭ в 30-50 раз. Вблизи катушки по ее оси ППЭ будет в 2-3 раза выше, чем сбоку.

Поясним на примере. Есть индуктор на 2 кВт и 30 МГц с КПД в 75%. Следовательно, наружу из него уйдет 0,5 кВт или 500 Вт. На расстоянии в 1 м от него (площадь сферы радиусом 1 м – 12,57 кв. м.) на 1 кв. м. придется 500/12,57=39,77 Вт, а на человека – около 15 Вт, это очень много. Индуктор нужно располагать вертикально, перед включением печи надевать на него заземленный экранирующий колпак, следить за процессом издали, а по его окончании немедленно выключать печь. На частоте в 1 МГц ППЭ упадет в 900 раз, и с экранированным индуктором можно работать без особых предосторожностей.

СВЧ – сверхвысокие частоты. В радиэлектронике СВЧ считают с т.наз. Q-диапазона, но по физиологии СВЧ начинается примерно со 120 МГц. Причина – электроиндукционный нагрев плазмы клеток и резонансные явления в органических молекулах. СВЧ обладает специфически направленным биологическим действием с долговременными последствиями. Достаточно получить 10-30 мВт в течение получаса, чтобы подорвать здоровье и/или репродуктивную способность. Индивидуальная восприимчивость к СВЧ крайне изменчива; работая с ним, нужно регулярно проходить специальную медкомиссию.

Пресечь СВЧ-излучение очень трудно, оно, как говорят профи, «сифонит» сквозь малейшую щелочку в экране или при малейшем нарушении качества заземления. Эффективная борьба с СВЧ-излучением аппаратуры возможна только на уровне его конструирования высококлассными специалистами.

К счастью, диапазон частот, в котором работают индукционные печи, до СВЧ не простирается. Но при неумелом конструировании или пользовании печь может войти в режим, при котором появляется паразитное СВЧ. Разумеется, этого следует всячески избегать.

Система отопления

При монтаже самодельных индукционных нагревателей в системе отопления мастера нередко используют недорогие модели сварочных инверторов (преобразователи постоянного напряжения в переменное). Потребление энергии инвертором большое, поэтому для постоянной работы таких систем нужен кабель сечением 4–6 мм2 вместо обычных 2,5 мм2.

Такие системы отопления должны быть закрытыми и управляться автоматически. Также для безопасности работы необходим насос для принудительной циркуляции теплоносителя, приспособления для отвода попавшего в систему воздуха, манометр. От потолка и пола нагреватель должен находиться на расстоянии не менее 1 м, а от стен и мебели не менее 30 см.

Компоненты печи

Индуктор

Важнейшая часть индукционной печи – ее нагревательная катушка, индуктор. Для самодельных печей на мощность до 3 кВт пойдет индуктор из голой медной трубки диаметром 10 мм или медной же голой шины сечением не менее 10 кв. мм. Внутренний диаметр индуктора – 80-150 мм, количество витков – 8-10. Витки не должны соприкасаться, расстояние между ними – 5-7 мм. Также никакая часть индуктора не должна касаться его экрана; минимальный зазор – 50 мм. Поэтому для прохождения выводов катушки к генератору нужно предусмотреть окно в экране, не мешающее его снимать/ставить.

Индукторы промышленных печей охлаждают водой или антифризом, но на мощности до 3 кВт описанный выше индуктор при работе его в продолжении до 20-30 мин принудительного охлаждения не требует. Однако он сам при этом сильно нагревается, а окалина на меди резко снижает КПД печи вплоть до потери ею работоспособности. Сделать самому индуктор с жидкостным охлаждением невозможно, поэтому его придется время от времени менять. Применять принудительное воздушное охлаждение нельзя: пластиковый или металлический корпус вентилятора вблизи катушки «притянут» к себе ЭМП, перегреются, а КПД печи упадет.

Примечание: для сравнения – индуктор для плавильной печи на 150 кг стали согнут из медной трубы 40 мм наружным диаметром и 30 внутренним. Число витков – 7, диаметр катушки по внутри 400 мм, высота тоже 400 мм. Для его раскачки на нулевой моде нужно 15-20 кВт при наличии замкнутого контура охлаждения дистиллированной водой.

Генератор

Вторая главная часть печи – генератор переменного тока. Сделать индукционную печь, не владея основами радиоэлектроники хотя бы на уровне радиолюбителя средней квалификации, не стоит и пытаться. Эксплуатировать – тоже, ведь, если печка не под компьютерным управлением, настроить ее в режим можно, только чувствуя схему.

При выборе схемы генератора следует всячески избегать решений, дающих жесткий спектр тока. В качестве антипримера приводим довольно распространенную схему на тиристорном ключе, см. рис. выше. Доступный специалисту расчет по прилагаемой к ней автором осциллограмме показывает, что ППЭ на частотах свыше 120 МГц от индуктора, запитанного таким образом, превышает 1 Вт/кв. м. на расстоянии 2,5 м от установки. Убийственная простота, ничего не скажешь.

В качестве ностальгического курьеза приводим еще схему древнего лампового генератора, см. рис. справа. Такие делали советские радиолюбители еще в 50-х годах, рис. справа. Настройка в режим – воздушным конденсатором переменной емкости С, с зазором между пластинами не менее 3 мм. Работает только на нулевой моде. Индикатор настройки – неоновая лампочка Л. Особенность схемы – очень мягкий, «ламповый» спектр излучения, так что пользоваться этим генератором можно без особых мер предосторожности. Но – увы! – ламп для него сейчас не найдешь, а при мощности в индукторе около 500 Вт энергопотребление от сети – более 2 кВт.

Примечание: указанная на схеме частота 27,12 МГц не оптимальна, она выбрана из соображений электромагнитной совместимости. В СССР она была свободной («мусорной») частотой, для работы на которой разрешения не требовалось, лишь бы устройство помех никому не давало. А вообще-то С можно перестраивать генератор в довольно широком диапазоне.

На следующем рис. слева – простейший генератор с самовозбуждением. L2 – индуктор; L1 – катушка обратной связи, 2 витка эмалированного провода диаметром 1,2-1,5 мм; L3 – болванка или шихта. В качестве контурной емкости используется собственная емкость индуктора, поэтому эта схема не требует настройки, она автоматически входит в режим нулевой моды. Спектр мягкий, но при неправильной фазировке L1 мгновенно сгорает транзистор, т.к. он оказывается в активном режиме с КЗ по постоянному току в цепи коллектора.

Также транзистор может сгореть просто от изменения наружной температуры или саморазогрева кристалла – каких-либо мер по стабилизации его режима не предусмотрено. В общем, если у вас завалялись где-то старые КТ825 или им подобные, то начинать эксперименты по индукционному нагреву можно с этой схемки. Транзистор должен быть установлен на радиатор площадью не менее 400 кв. см. с обдувом от компьютерного или ему подобного вентилятора. Регулировка можности в индукторе, до 0,3 кВт – изменением напряжения питания в пределах 6-24 В. Его источник должен обеспечивать ток не менее 25 А. Мощность рассеивания резисторов базового делителя напряжения не менее 5 Вт.

Схема на след. рис. справа – мультивибратор с индуктивной нагрузкой на мощных полевых тразисторах (450 B Uk, не менее 25 A Ik). Благодаря применению емкости в цепи колебательного контура дает довольно мягкий спектр, но внемодовый, поэтому пригоден для разогрева деталей до 1 кг для закалки/отпуска. Главный недостаток схемы – дороговизна компонент, мощных полевиков и быстродействующих (граничная частота не менее 200 кГц) высоковольтных диодов в их базовых цепях. Биполярные мощные транзисторы в этой схеме не работают, перегреваются и сгорают. Радиатор здесь такой же, как и в предыдущем случае, но обдува уже не нужно.

Следующая схема уже претендует на звание универсальной, мощностью до 1 кВт. Это – двухтактный генератор с независимым возбуждением и мостовым включением индуктора. Позволяет работать на 2-3 моде или в режиме поверхностного нагрева; частота регулируется переменным резистором R2, а диапазоны частот переключаются конденсаторами С1 и С2, от 10 кГц до 10 МГц. Для первого диапазона (10-30 кГц) емкость конденсаторов С4-С7 должна быть увеличена до 6,8 мкФ.

Трансформатор между каскадами – на ферритовом кольце с площадью сечения магнитопровода от 2 кв. см. Обмотки – из эмалированного провода 0,8-1,2 мм. Радиатор транзисторов – 400 кв. см. на четверых с обдувом. Ток в индукторе практически синусоидальный, поэтому спектр излучения мягкий и на всех рабочих частотах дополнительных мер защиты не требуется, при условии работы до 30 мин в день через 2 дня на 3-й.

Видео: самодельный индукционный нагреватель в работе

Сборка индукционных плавильных печей своими руками

Выплавка металла индукционным способом активно применяется в различных отраслях, например машиностроении, металлургическом и ювелирном производстве.

Материал нагревается под воздействием электрического тока, что позволяет использовать тепло с максимальной эффективностью.

На крупных фабриках для этого имеются специальные промышленные агрегаты, тогда как в домашних условиях можно собрать простенькую и небольшую индукционную печь своими руками.Подобные печи популярны на производстве

Самостоятельная сборка печи

В интернете и журналах представлено множество технологий и схематичных описаний этого процесса, но при выборе стоит остановиться на какой-то одной модели, наиболее эффективной в работе, а также доступной и лёгкой в выполнении.

Самодельные плавильные печки имеют довольно простую конструкцию и обычно состоят лишь из трёх основных частей, помещённых в крепкий корпус.

К ним относятся:

• элемент, генерирующий переменный ток высокой частоты;
• спиралевидная деталь, созданная из медной трубки или толстой проволоки, называемая индуктором;
• тигель – ёмкость, в которой будет осуществляться прокаливание или плавка, изготовленная из огнеупорного материала.

Конечно, такое оборудование нечасто используют в быту, ведь не все мастера нуждаются в подобных агрегатах.

Но технологии, встречающиеся в этих приспособлениях, присутствуют в бытовой технике, с которой многие люди имеют дело практически каждый день.

Сюда можно отнести микроволновки, электрические духовки и индукционные плиты. Своими руками по схемам можно изготовить разное оборудование, если имеются необходимые знания и умения.

В этом видео вы узнаете из чего состоит данная печь

Нагрев в подобной технике осуществляется благодаря индукционным вихревым токам. Повышение температуры происходит мгновенно в отличие от других приспособлений аналогичного предназначения.

Например, индукционные плиты обладают КПД в 90%, а газовые и электрические не могут похвастаться этим значением, оно составляет лишь 30-40% и 55-65%, соответственно. Однако у ТВЧ плит есть недостаток: для их эксплуатации придётся подготовить специальную посуду.

Конструкция из транзисторов

Существует множество различных схем по сборке индукционных плавилен в домашних условиях. Простая и проверенная печь из полевых транзисторов собирается довольно легко, многие мастера, знакомые с основами радиотехники, справятся с её изготовлением по схеме, представленной на рисунке. Для создания установки нужно подготовить следующие материалы и детали:

• два транзистора IRFZ44V;
• медные провода (для обмотки) в изоляции из эмали, толщиной 1,2 и 2 мм (по одной штуке);
• два колечка от дросселей, их можно снять с блока питания старого компьютера;
• один резистор 470 Ом на 1 Вт (можно последовательно соединить два по 0,5 Вт);
• два диода UF4007 (спокойно заменяются на модель UF4001);
• плёночные конденсаторы по 250 Вт — одна штука ёмкостью 330 нФ, четыре — 220 нФ, три — 1 мкФ, 1 штука — 470 нФ.

Перед сборкой подобной печи не забываем про инструмент

Сборка происходит по схематическому рисунку, также рекомендуется сверяться с пошаговой инструкцией, это убережёт от ошибок и порчи элементов. Создание индукционной плавильной печи своими руками производится по следующему алгоритму:

1. Транзисторы помещают на довольно большие радиаторы. Дело в том, что схемы могут сильно греться во время работы, поэтому так важно подобрать детали подходящего размера. Все транзисторы можно разместить и на одном радиаторе, но в таком случае придётся изолировать их, избавив от соприкосновения с металлом. В этом помогут шайбы и прокладки из пластика и резины. Правильная распиновка транзисторов показана на картинке.
2. Затем приступают к изготовлению дросселей, их понадобится две штуки. Для этого берут медную проволоку 1,2 миллиметра в диаметре и обматывают ею кольца, взятые с блока питания. В состав этих элементов входит ферромагнитное железо в виде порошка, поэтому необходимо сделать не меньше 7-15 витков, оставляя между ними небольшое расстояние.
3. Полученные модули собирают в одну батарею с ёмкостью 4,6 мкФ, конденсаторы соединяют параллельно.
4. Медную проволоку толщиной 2 мм используют для обмотки индуктора. Её оборачивают 7-8 раз вокруг любого предмета цилиндрической формы, его диаметр должен соответствовать размеру тигля. Лишнюю проволоку обрезают, но оставляют довольно длинные концы: они понадобятся для подключения к другим деталям.
5. Все элементы соединяют на плате, как показано на рисунке.

В качестве источника питания рекомендуется использовать аккумулятор на 12 В, 7,2 A/h. Количество потребляемого тока во время работы будет равняться 10 А, подобного источника хватит примерно на 30-50 минут.

При необходимости можно соорудить корпус для агрегата, в этих целях используют только термостойкие материалы, например текстолит. Мощность аппарата можно регулировать, для чего достаточно поменять количество витков проволоки на индукторе и их диаметр.

Есть несколько вариации индукционной печи, которую можно собрать

С графитовыми щётками

Главный элемент этой конструкции собирают из графитовых щёток, пространство между которыми заполняют гранитом, измельчённым до порошкового состояния. Затем готовый модуль соединяют с понижающим трансформатором. При работе с подобным оборудованием можно не опасаться удара током, так как оно не испытывает необходимости в использовании 220 вольт.

Технология изготовления индуктивной печи из графитовых щёток:

1. Сначала собирают корпус, для этого огнеупорный (шамотный) кирпич размером 10×10×18 см укладывают на плитку, способную переносить высокую температуру. Готовый бокс оборачивают асбестокартоном. Чтобы придать этому материалу необходимую форму, его достаточно смочить небольшим количеством воды. Размер основы напрямую зависит от мощности трансформатора, используемого в конструкции. При желании бокс можно покрыть проволокой из стали.
2. Отличным вариантом для графитных печей станет трансформатор мощностью 0,063 кВт, взятый от сварочного аппарата. Если он рассчитан на 380 В, то в целях обеспечения безопасности можно подвергнуть его обмотке, хотя многие опытные радиотехники считают, что от этой процедуры можно отказаться без какого-либо риска. Однако рекомендуется обвить трансформатор тонким алюминием, чтобы готовый аппарат не нагревался во время работы.
3. На дно короба устанавливают глиняную подложку, чтобы жидкий металл не растекался, после чего в бокс помещают графитовые щётки и гранитный песок.

Главным преимуществом подобных приборов считается высокая температура плавления, которая способна изменить агрегатное состояние даже палладия и платины.

К недостаткам можно отнести слишком быстрый нагрев трансформатора, а также небольшую площадь печи, которая не позволит выплавить больше 10 г металла за один раз.

Поэтому каждый мастер должен понимать, что если прибор собирается для обработки больших объёмов, то лучше изготовить печь иной конструкции.

В подобных печах не рекомендуется плавить латунь. Этот материал отличается высоким содержанием цинка, который начинает выгорать при высокой температуре и образует едкий, очень вредный для организма дым.

Прибор на лампах

Мощную печку для плавки можно собрать из электронных лампочек. Как видно на схеме, для получения высокочастотного тока нужно параллельно соединить лучевые лампы.

Вместо индуктора в этом приборе используют трубку из меди диаметром 10 мм. Также конструкцию оснащают подстроечным конденсатором, чтобы иметь возможность регулировать мощность печи.

Для сборки нужно подготовить:

• четыре лампы (тетроды) L6, 6П3 или Г807;
• подстроечный конденсатор;
• 4 дросселя на 100-1000 мкГн;
• неоновую лампочку-индикатор;
• четыре конденсатора на 0,01 мкФ.

Для начала медной трубке придают форму спирали — это будет индуктор прибора. При этом между витками оставляют расстояние не менее 5 мм, а их диаметр должен составлять 8-15 см. Концы спирали обрабатывают для прикрепления к схеме. Толщина получившегося индуктора должна быть больше, чем у тигля (его помещают внутрь), на 10 мм.

Готовую деталь размещают в корпусе. На его изготовление следует использовать материал, который обеспечит электро- и термоизоляцию начинки прибора. Затем из ламп, дросселей и конденсаторов собирают каскад, как показано на рисунке, последние соединяют в прямую линию.

Пришло время подключать неоновый индикатор: он нужен, чтобы мастер мог узнавать о готовности прибора к работе. Эту лампочку выводят на корпус печи вместе с ручкой конденсатора переменной ёмкости.

Оборудование охлаждающей системы

Промышленные агрегаты для плавления металла оснащены специальными системами охлаждения на антифризе или воде. Для оборудования этих важных установок в самодельных ТВЧ печках потребуются дополнительные затраты, из-за чего сборка может существенно ударить по кошельку. Поэтому лучше обеспечить бытовой агрегат более дешёвой системой, состоящей из вентиляторов.

Воздушное охлаждение этими устройствами возможно при их удалённом расположении от печи. В противном случае металлическая обмотка и детали вентилятора могут послужить контуром для замыкания вихревых токов, что существенно снизит эффективность оборудования.

Ламповые и электронные схемы также склонны активно нагреваться во время работы агрегата. Для их охлаждения обычно используют теплоотводящие радиаторы.

Правила использования

Опытным радиотехникам сборка индукционной печи по схемам своими руками может показаться лёгким занятием, поэтому прибор будет готов довольно быстро, а мастер захочет испробовать своё творение в деле. Стоит помнить, что при работе с самодельной установкой важно соблюдать технику безопасности и не забывать об основных угрозах, которые могут возникнуть во время эксплуатации инерционной печи:

1. Жидкий металл и нагревательные элементы приспособления могут стать причиной сильных ожогов.
2. Ламповые схемы состоят из деталей с высоким напряжением, поэтому во время сборки агрегата их необходимо поместить в закрытый бокс, исключив таким образом вероятность случайного прикосновения к этим элементам.
3. Электромагнитное поле способно оказывать влияние даже на те вещи, что находятся вне короба установки. Поэтому перед включением прибора нужно убрать подальше все сложнотехнические устройства, такие как мобильные телефоны, цифровые фотоаппараты, MP3 плееры, а также снять все металлические украшения. Опасности подвергаются также люди с кардиостимуляторами: им ни в коем случаем нельзя пользоваться таким оборудованием.

Эти печи можно использовать не только для плавки, но и для быстрого нагрева металлических предметов при формовке и лужении. Меняя выходной сигнал установки и параметры индуктора, можно настроить прибор для конкретной задачи.

Для плавки небольших объёмов железа пойдут самодельные печки, эти эффективные устройства способны работать от обычных розеток.

Прибор не занимает много места, его можно расположить на рабочем столе в мастерской или гараже.

Если человек умеет читать простенькие электрические схемы, то ему не нужно приобретать подобное оборудование в магазине, ведь он сможет собрать небольшую печку своими руками всего за несколько часов.

Радиолюбители давно выяснили, что можно изготовить индукционные печи для плавки металла своими руками. Эти простые схемы помогут сделать твч установку для домашнего использования. Однако все описанные конструкции правильней будет назвать лабораторными инверторами Кухтецкого, так как самостоятельно собрать полноценную печку этого типа просто невозможно.

Индукционные котлы

Индукционные водогрейные котлы, без сомнения, вытеснят бойлеры с ТЭНами везде, где электричество обходится дешевле других видов топлива. Но их неоспоримые достоинства породили и массу самоделок, от которых у специалиста иной раз буквально волосы дыбом встают.

Скажем, такая конструкция: пропиленовую трубу с проточной водой окружает индуктор, а он запитан от сварочного ВЧ-инвертора на 15-25 А. Вариант – из термостойкого пластика делают пустотелый бублик (тор), по патрубкам пропускают через него воду, а для нагрева обматывают шиной, образующий свернутый в кольцо индуктор.

ЭМП передаст свою энергию воде хорошо; та обладает неплохой электропроводностью и аномально высокой (80) диэлектрической проницаемостью. Вспомните, как стреляют в микроволновке оставшиеся на посуде капельки влаги.

Но, во-первых, для полноценного обогрева квартиры или частного дома зимой нужно не менее 20 кВт тепла, при тщательном утеплении снаружи. 25 А при 220 В дают всего 5,5 кВт (а сколько это электричество стоит по нашим тарифам?) при 100% КПД. Ладно, пусть мы в Финляндии, где электричество дешевле газа. Но лимит потребления на жилье – все равно 10 кВт, а за перебор нужно платить по увеличенному тарифу. И квартирная проводка 20 кВт не выдержит, нужно тянуть отдельный фидер от подстанции. Во что такая работа обойдется? Если еще электрикам далеко до перебора мощности по району и они ее разрешат.

Затем, сам теплообменник. Он должен быть или металлическим массивным, тогда будет действовать только индукционный нагрев металла, или из пластика с низкими диэлектрическими потерями (пропилен, между прочим, к таким не относится, годится только дорогой фторопласт), тогда вода непосредственно поглотит энергию ЭМП. Но в любом случае выходит, что индуктор греет весь объем теплообменника, а воде тепло отдает только внутренняя его поверхность.

В итоге, ценой больших трудов с риском для здоровья, получаем бойлер с КПД пещерного костра.

Индукционный котел отопления промышленного изготовления устроен совсем по-иному: просто, но в домашних условиях невыполнимо, см. рис. справа:

• Массивный медный индуктор подключается непосредственно к сети.
• Его ЭМП греет также массивный металлический лабиринт-теплообменник из ферромагнитного металла.
• Лабиринт одновременно изолирует индуктор от воды.

Стоит такой бойлер в несколько раз дороже обычного с ТЭНом, и пригоден для установки только на пластиковые трубы, но взамен дает массу выгод:

1. Никогда не сгорает – в нем нет раскаленной электроспирали.
2. Массивный лабиринт надежно экранирует индуктор: ППЭ в непосредственной близости от 30 кВт индукционного бойлера – ноль.
3. КПД – более чем 99,5%
4. Абсолютно безопасен: собственная постоянная времени обладающей большой индуктивностью катушки – более 0,5 с, что в 10-30 раз больше времени срабатывания УЗО или автомата. Его еще ускоряет «отдача» от переходного процесса при пробое индуктивности на корпус.
5. Сам же пробой вследствие «дубовости» конструкции исключительно маловероятен.
6. Не требует отдельного заземления.
7. Безразличен к удару молнии; сжечь массивную катушку ей не под силу.
8. Большая поверхность лабиринта обеспечивает эффективный теплообмен при минимальном температурном градиенте, что почти исключает образование накипи.
9. Огромная долговечность и простота пользования: индукционный бойлер совместно с гидромагнитной системой (ГМС) и фильтром-отстойником работает без обслуживания не менее 30 лет.

О самодельных котлах для ГВС

Схема индукционного водонагревателя для ГВС

Здесь на рис. приведена схема маломощного индукционного нагревателя для систем ГВС с накопительным баком. В ее основе – любой силовой трансформатор на 0,5-1,5 кВт с первичной обмоткой на 220 В. Очень хорошо подходят сдвоенные трансформаторы от старых ламповых цветных телевизоров – «гробов» на двухстержневом магнитопроводе типа ПЛ.

Вторичную обмотку с таких снимают, первичку перематывают на один стержень, увеличив количество ее витков для работы в режиме, близком к КЗ (короткому замыканию) по вторичке. Сама же вторичная обмотка – вода в U-образном колене из трубы, охватывающем другой стержень. Пластиковая труба или металлическая – на промчастоте все равно, но металлическая должна быть изолирована от остальной системы диэлектрическими вставками, как показано на рис, чтобы вторичный ток замыкался только через воду.

В любом случае такая водогрейка опасна: возможная протечка соседствует с обмоткой под сетевым напряжением. Если уж идти на такой риск, то в магнитопроводе нужно насверлить отверстие под болт-заземлитель, и прежде всего наглухо, в грунт, заземлить трансформатор и бак стальной шиной не менее 1,5 кв. см. (не кв. мм!).

Далее трансформатор (он должен располагаться непосредственно под баком), с подключенным к нему сетевым проводом в двойной изоляции, заземлителем и водогрейным витком заливают в одну «куклу» силиконовым герметиком, как моторчик помпы аквариумного фильтра. Наконец, крайне желательно весь агрегат подключить к сети через быстродействующее электронное УЗО.

Видео: “индукционный” котел на основе бытовой плитки

Индуктор на кухне

Варочная индукционная плита

Индукционные варочные поверхности для кухни стали уже привычными, см. рис. По принципу действия это та же индукционная печка, только в роли короткозамкнутой вторичной обмотки выступает днище любой металлической варочной посудины, см. рис. справа, а не только из ферромагнитного материала, как часто не знаючи пишут. Просто алюминиевая посуда выходит из употребления; медики доказали, что свободный алюминий – канцероген, а медная и оловянная давно уже не в ходу по причине токсичности.

Бытовая индукционная плитка – порождение века высоких технологий, хотя идея ее зародилась одновременно с индукционными плавильными печами. Во-первых, для изоляции индуктора от стряпни понадобился прочный, стойкий, гигиеничный и свободно пропускающий ЭМП диэлектрик. Подходящие стеклокерамические композиты появились в производстве сравнительно недавно, и на долю верхней пластины плиты приходится немалая доля ее стоимости.

Затем, все варочные посудины разные, а их содержимое изменяет их электрические параметры, и режимы приготовления блюд тоже разные. Осторожным подкручиванием ручек до нужной моды тут и специалист не обойдется, нужен высокопроизводительный микроконтроллер. Наконец, ток в индукторе должен быть по санитарным требованиям чистой синусоидой, а его величина и частота должны сложным образом меняться сообразно степени готовности блюда. То есть, генератор должен быть с цифровым формированием выходного тока, управляемым тем самым микроконтроллером.

Делать кухонную индукционную плиту самому нет смысла: на одни только электронные компоненты по розничным ценам денег уйдет больше, чем на готовую хорошую плитку. И управлять этими приборами пока еще сложновато: у кого есть, тот знает, сколько там кнопочек или сенсоров с надписями: «Рагу», «Жаркое» и т.п. Автор этой статьи видал плитку, где значилось отдельно «Борщ флотский» и «Суп претаньер».

Тем не менее, индукционные плиты имеют массу преимуществ перед прочими:

• Почти нулевая, в отличие от микроволновок, ППЭ, хоть сам на эту плитку садись.
• Возможность программирования для приготовления самых сложных блюд.
• Растопка шоколада, вытапливание рыбьего и птичьего жира, приготовление карамели без малейших признаков пригорания.
• Высокая экономичность как следствие быстрого нагрева и почти полного сосредоточения тепла в варочной посуде.

К последнему пункту: взгляните на рис. справа, там графики разогрева стряпни на индукционной плите и газовой конфорке. Кто знаком с интегрированием, тот сразу поймет, что индуктор на 15-20% экономичнее, а с чугунным «блином» его можно и не сравнивать. Затраты денег на энергоноситель при приготовлении большинства блюд для индукционной плиты сравнимы с газовой, а на тушение и варку густых супов даже меньше. Индуктор пока уступает газу только при выпечке, когда необходим равномерный прогрев со всех сторон.

Видео: неудавшийся индукционный нагреватель из кухонной плиты

Индукционная плавильная печь своими руками: схема изготовления — Токарь

Добрый день. Ну и хватит о добром. Начитавшись и насмотревшись на всем известный индукционный генератор по схеме ZVC драйвера, решил сделать нечто похожее для закалки небольших металлических предметов, в гаражную автомастерскую и для плавки свинца на грузила. Схема стандартная, обычный высокочастотный мультивибратор, который повторили уже сотни человек.

Схема ZVC драйвера

Стандартный вариант генератора

Усиленный вариант схемы

Но видно мне войти в их число не судьба…

Были куплены все необходимые детали — новые полевые транзисторы, новые фаст диоды и стабилитроны. Всё перед пайкой было испытано на транзистор-тестере, в том числе для определения правильной цоколёвки.

Была собрана шикарная катушка из чистой меди диаметром 5 мм. Но работать сей девайс упорно отказывался.

Подозрение пало на дросселя, которые большинство радиолюбителей рекомендует мотать на желтых порошковых кольцах от БП АТХ.

Добыча искомых и установка также оказалась безрезультативной — индукционный нагреватель металлов как не работал раньше, так и не собирался работать дальше. Подключение различных вариантов катушек совместно с конденсаторами разной емкости картину не изменили — «открывает рыба рот, но не слышно что поёт», то есть транзисторы открываются, ток тянут, а генерации не происходит…

• В конце концов всё это изрядно надоело, многодневные танцы с бубном закончились, и пришлось с поклоном идти к китайцам на ихний Алиэкспресс, заказывать за 7 долларов готовый модуль генератора.
• Спустя 2 недели эта штука была доставлена курьером прямо на дом и после подключения к компьютерному блоку питания на 12 В успешно заработала.

Причём она работала и от 5-ти вольт, и с маленькой штатной катушкой, и с большой самодельной, в общем генерировала мощное электромагнитное поле во всех позах (с теми же деталями и схемой). Раскаляет 3 мм штырь до красна за 20 секунд. С железкой 6 мм возится несколько минут, при этом жутко греется само (в основном транзисторы и катушка).

На что тут грешить — даже не знаю. Может конденсаторы не те, может транзисторы… В любом случае факт остается фактом: промышленная плата заработала, а самодельная нет. Так что кто хочет — может смело кинуть в меня куском канифоли, другие — посочувствовать, третьи сами попробовать собрать этот индукционник и написать в х о результатах…