Индукционный нагреватель представляет собой электронное устройство, используемое для нагрева и плавления металлов. Оно использует быстро меняющееся электромагнитное поле, которое нагревает металл внутри него с помощью вихревых токов. Такие нагреватели используются в промышленности для закалки и плавки металлов, на сталелитейных заводах и небольших металлообрабатывающих предприятиях, в ювелирных мастерских. В промышленности различают два типа индукционных нагревателей: сердечниковые (косвенные) и без сердечника (прямые), и именно этот тип нагревателей будет представлен в статье.

Основные параметры

• Генератор с самовозбуждением LC.
• Частота задается катушкой и набором конденсаторов.
• Автонастройка на резонанс.
• Напряжение питания 9…40 В.
• Потребляемый ток до 40 А.

Основным преимуществом индукционного нагрева является его высокая энергоэффективность, достигающая 90%. При традиционном нагреве сжигаемым топливом происходит большая потеря тепловой энергии, которая выделяется в окружающую среду, и только часть этой энергии идет на нагрев металла. При индукционном методе нагрева почти вся энергия, кроме потерь в генераторе, катушке и схеме преобразования, нагревает металл, так как металл нагревается изнутри вихревыми токами. Если в поле нагревателя нет металла, потребляется только ток, необходимый для питания генератора.

Важно отметить, что в отличие от нагрева топливом, с помощью индукционного нагревателя можно нагревать только электропроводящие предметы – эта конструкция предназначена для нагрева именно металлов.

Также метод индукционного нагрева нашел применение в домашнем хозяйстве – в виде индукционных плит. Такая плита обеспечивает удобство использования, высокий КПД и безопасность, и не требует задействования горючих газов. Мощность, которую необходимо обеспечить для кипячения газом, намного больше за счет теплопотерь, чем мощность подводимая к индукционной электроплите.

Принцип действия и схема

Конструкция индукционного нагревателя состоит из генератора и катушки. Катушка не имеет сердечника, а нагретый металл помещается внутрь, например, в тигель. Принцип работы печи можно сравнить с работой трансформатора с короткозамкнутой вторичной обмоткой. Быстро меняющийся ток большой силы и частоты в несколько десятков кГц, протекающий через катушку, создает быстро меняющееся электромагнитное поле. Когда проводник (металл) помещается в это поле, он становится «вторичной обмоткой», в которой индуцируются вихревые токи для нагревания.

Представленный нагреватель сконструирован таким образом, что после сборки и включения питания он сразу готов к работе, без необходимости его настройки или запуска.

На рисунке представлена принципиальная схема. Он сделан из нескольких элементов, самые главные из которых два транзистора, два дросселя, набор конденсаторов и катушка.

При проектировании нагревателя рассматривались различные конструкции, в том числе решения с частотно-регулируемым генератором. Но нагреватели с отдельным генератором работают не очень хорошо из-за изменения параметров индуктивности и емкости, которые в процессе работы нагреваются, вызывая изменение генерируемой частоты и расстройку резонанса.

Представленное решение отличается стабильной работой и хорошими параметрами, широко используется в самодельных устройствах. После включения питания генератор автоматически настраивается на резонанс и самостоятельно поддерживает соответствующую рабочую частоту, автоматически реагируя на изменение температуры используемых компонентов. По сравнению с типовым решением для упрощения и повышения надежности в нагреватель добавлено несколько элементов.

Стабилитроны D1 и D2 включены в цепи затворов МОП-транзисторов Т1 и Т2, ограничивая напряжение на них, предотвращая повреждение транзисторов, а диоды D3 и D4 служат для облегчения поочередного открывания транзисторов Т1 и Т2. Генерируемая схемой частота составляет около 90 кГц и зависит от суммарной емкости С1…С6 и индуктивности катушки.

Катушка нагревателя изготовлена из медной трубки диаметром около 6 мм. Использование стержня не имеет смысла из-за скин-эффекта. С другой стороны, медная трубка позволяет легко охлаждать её во время продолжительной работы, например, водой или другой охлаждающей жидкостью, которая может проходить через внутреннюю часть трубки.

Монтаж и наладка генератора

Схема нагревателя выполнена на двухсторонней плате с металлизацией отверстий и представлена на рисунке. Все радиоэлементы монтируются в один слой, их сборку лучше начинать с самых мелких элементов, таких как резисторы R1, R2, R5, затем диоды D1, D2, D3 и D4. Транзисторы Т1 и Т2 следует припаять таким образом, чтобы их можно было прикрутить к радиатору. Дроссели L1 и L2 лучше всего припаять в самом конце. Их предварительная пайка может затруднить прикручивание транзисторов к радиатору.

Катушка изготовлена из медной трубки диаметром около 6 мм, намотанной на сердечник диаметром около 50 мм. Намотайте 6 или 7 витков, оставив прямые выводы для монтажа в клеммах генератора и возможного соединения труб с охлаждающей жидкостью. Пример катушки нагревателя показан на рисунке.

Для изготовления катушки с семью витками, намотанными на сердечник диаметром 50 мм, используют трубку длиной около 150 см. На фото показан способ подключения катушки к плате генератора.

Нагреватель питается напряжением в диапазоне 12…48 В. Испытания проводились также и при питании 55 В, но схема уже перегревалась. В связи с большим током, до 30…40 А, для запуска индукционного нагревателя металлов следует использовать трансформатор мощностью около 1 кВт и вторичным напряжением 9…40 В переменного тока, в зависимости от выбранного рабочего напряжения устройства. Переменное вторичное напряжение трансформатора следует выпрямить мостом с током около 50 А и сгладить конденсатором емкостью около 10 мФ. Схема несложного выпрямителя показана на рисунке, а его прототип на фото.

Вот пример работы нагревателя. В зависимости от типа нагреваемого металла можно достичь температуры даже выше 1000°С.

Схема не нагревает немагнитные металлы, например, алюминий. Для плавки алюминия следует использовать тигель с металлическим сердечником.