Индукционный нагреватель принцип работы

Как устроен и работает индукционный нагреватель

Принцип работы индукционного нагревателя заключается в разогреве электропроводящей металлической заготовки индуцированным в ней замкнутым вихревым током. В качестве индуктора в индукционном нагревателе выступает катушка с переменным током, предназначенная для создания переменного электромагнитного поля высокой частоты.

Переменное магнитное поле высокой частоты, в свою очередь, действует на электропроводящий материал, наводя в нем замкнутый ток высокой плотности, и тем самым разогревая заготовку вплоть до ее расплавления. Данное явление известно давно, и объяснимо со времен Майкла Фарадея, описавшего явление электромагнитной индукции еще в 1931 году.

Изменяющееся во времени магнитное поле наводит переменную ЭДС в проводнике, который оно при этом своими силовыми линиями пересекает. Таким проводником может в принципе быть обмотка трансформатора, сердечник трансформатора, или цельный кусок какого-нибудь металла.

Если ЭДС наводится в обмотке, то получается трансформатор или приемник, а если прямо в магнитопроводе или в накоротко замкнутой обмотке — получается индукционный нагрев магнитопровода или обмотки.

В некачественно спроектированном трансформаторе, например, нагрев сердечника токами Фуко был бы однозначно явлением вредным, но в индукционном нагревателе похожее явление служит для достижения полезной цели.

С точки зрения характера нагрузки, индукционный нагреватель с разогреваемой в нем проводящей заготовкой — это как трансформатор с закороченной вторичной обмоткой из одного витка. Поскольку сопротивление внутри заготовки крайне мало, то даже небольшого наведенного вихревого электрического поля достаточно, чтобы создать ток такой высокой плотности, чтобы его тепловое действие (см. Закон Джоуля-Ленца) оказалось бы очень выразительным и практичным.

Первая канальная печь такого рода появилась в Швеции в 1900 году, она питалась током частотой 50-60 Гц, применялась для канальной плавки стали, а металл подавался в тигель, расположенный на манер короткозамкнутого витка вторичной обмотки трансформатора. Проблема экономичности, разумеется, присутствовала, так как КПД был менее 50%.

Сегодня индукционный нагреватель — это трансформатор без сердечника, состоящий из одного или нескольких витков относительно толстой медной трубки, по которой при помощи насоса пропускается охлаждающая жидкость системы активного охлаждения. В электропроводящее тело трубки, как в катушку индуктивности, подается переменный ток частотой от нескольких килогерц до единиц мегагерц, в зависимости от параметров обрабатываемого образца.

Дело в том, то при высоких частотах происходит вытеснение вихревого тока из нагреваемого самим вихревым током образца, так как магнитное поле этого самого вихревого тока вытесняет породивший себя ток на поверхность.

Это проявляется как скин-эффект, когда максимальная плотность тока оказывается в результате приходящейся на тонкий слой поверхности заготовки, и чем выше частота и ниже удельное электрическое сопротивление разогреваемого материала — тем скин-слой тоньше.

Для меди, например, на частоте 2 МГц скин-слой составляет всего четверть миллиметра! Это значит, что внутренние слои медной заготовки разогреваются не вихревыми токами непосредственно, а путем теплопроводности от тонкого наружного ее слоя. Тем не менее, эффективности технологии достаточно, чтобы получить быстрый разогрев или плавление практически любого электропроводящего материала.

Современные индукционные нагреватели строятся на основе колебательного контура (катушка-индуктор и батарея конденсаторов), питаемого резонансным инвертором на IGBT или MOSFET – транзисторах, позволяющих достичь рабочих частот до 300 кГц. Для более высоких частот применяют электронные лампы, которые позволяют достичь частот в 5 МГц и выше, например для плавки в ювелирном деле требуются довольно высокие частоты, так как размер заготовки очень мал. С целью повышения добротности рабочих контуров, прибегают к одному из двух путей: либо повышают частоту, либо увеличивают индуктивность контура, путем добавления в его конструкцию ферромагнитных вставок.

Индукционный нагрев – что это, его принцип

Здесь вы узнаете:

Электрическое отопление обладает одним важным преимуществом – повышенной безопасностью. Несмотря на возможность ударов электрическим током и наличие в системе воды, электрические котлы остаются востребованным отопительным оборудованием (при правильном монтаже и подключении они не принесут вреда). В некоторых электрических котлах используется индукционный нагрев, считающийся еще более безопасным. На чем построен такой принцип нагрева и как он используется в отопительном оборудовании?

Что такое индукционный нагрев

В классических электрических котлах, вроде котлов Протерм, стоят самые обычные ТЭНы, погруженные в теплоноситель. На них подается электроэнергия, ТЭНы нагреваются и начинают греть воду в отопительной системе. Такая схема нагрева обладает рядом недостатков:

• образование накипи – в процессе эксплуатации ТЭНовых котлов на нагревательных элементах образуется накипь, снижающая эффективность работы оборудования;
• наличие непосредственного контакта с водой – ТЭНы находятся прямо в воде, поэтому электрический пробой может привести к удару током (при отсутствии нормального заземления);
• низкая надежность нагревательных элементов – несмотря на наличие особо стойких ТЭНов, в подавляющем большинстве котлов стоят старые ТЭНы, не отличающиеся надежностью.

Индукционный нагрев воды позволяет избавиться от вышеуказанных недостатков. Отопительное оборудование получается более сложным, но и более эффективным и надежным.

Нагревательным элементом в таких котлах является катушка.

Схема индукционного нагрева в электрических отопительных котлах предусматривает наличие следующих элементов – это управляющая и генерирующая электроника, индукторы и труба с теплоносителем. Именно из этих элементов состоит простой индукционный котел (схематически). Теплоноситель поступает в трубу, проходящую через индукторы, нагревается до определенной температуры и отправляется обратно в отопительную систему.

В чем заключаются преимущества индукционного нагрева?

• Отсутствует образование накипи – здесь нет прямого контакта нагревательного элемента с теплоносителем, поэтому накипь здесь действительно отсутствует.
• Долговечность оборудования – сам процесс происходит за счет токов высокой частоты, генерируемых электроникой. Несмотря на повышенную сложность оборудования, оно является весьма надежным.
• Минимум протечек – теплоноситель протекает по цельной трубе, проходящей через индукторы. Поэтому протечки возможны разве что за пределами индукционных котлов, но никак не в них.
• Возможность длительной работы в самом интенсивном режиме – подобный принцип работы делает электрические котлы необычайно выносливыми.

Индукционный нагрев зарекомендовал себя с наилучшей стороны, но полностью заменить ТЭНовые котлы пока не получается – сказывается высокая стоимость оборудования и его громоздкость. Зато вы сможете сделать индукционный котел самостоятельно.

Принцип индукционного нагрева

Данная технология широко применяется в металлургической промышленности.

Индукционному нагреву более 100 лет, поэтому его нельзя назвать новинкой. Он применяется во многих сферах, особенно в промышленных. Установки индукционного нагрева активно используются в металлообрабатывающих цехах. Ранее для плавки металлов использовался уголь или природный газ, теперь же этим занимаются токи высокой частоты. Такая технология в отношении металлов позволяет минимизировать габариты печей и добиться их высокой производительности.

Как вообще работает индукционный нагрев? Принцип действия нагревателей очень прост – нагрев ведется за счет генерации токов высокой частоты, питающих индукторы. Сами индукторы представляют собой мощные катушки, внутри которых создается переменное магнитное поле. Катушки не имеют сердечников – вместо них здесь работают разогреваемые материалы. Например, индукционная печь для плавки металлов представляет собой большую катушку, внутрь которой помещаются металлические заготовки для дальнейшей обработки.

Включение генератора приводит к созданию мощных вихревых потоков магнитной индукции, в результате чего размещенные внутри индукторов металлы начинают разогреваться. Что касается отопительных котлов, то здесь сердечником индуктора является металлическая труба, через которую протекает теплоноситель – под воздействием вихревых токов труба и теплоноситель разогреваются, отправляя тепло в отопительную систему.

Проходя через катушку, теплоноситель нагревается и передает тепло в радиаторы отопления.

Технология индукционного нагрева чрезвычайно проста и эффективна. На ее основе создаются современные отопительные котлы, не требующие частого обслуживания и обладающие продолжительным сроком службы. Правда, их достоинства принято завышать, из-за чего у людей создается масса ложных впечатлений. Вот несколько примеров.

• Продавцы нередко говорят об экономичности котлов с индукционным нагревом – отчасти это так, но экономия вряд ли превысит несколько процентов. В то же время бренды говорят об экономичности до 20-30%.
• Быстрота нагрева – индукционные котлы нагревают теплоноситель чуть быстрее ТЭНовых аналогов. Но эту скорость нельзя назвать революционной.
• Новизна технологии – как мы уже говорили, данная технология известен уже более сотни лет.

Отопление основанное на этой технологии радует продолжительным сроком службы, отсутствием необходимости в дополнительном обслуживании и отсутствием накипи – в этом отношении они готовы соревноваться с любыми другими электрическими котлами.

Изготовление мощного индукционного нагревателя своими руками

Большой популярностью пользуются электрические нагреватели, которые одновременно полностью безопасны в эксплуатации, функциональны и эффективны. Изготовленный своими руками индукционный нагреватель может использоваться для подогрева воды или стать основой всей системы отопления в частном доме. Нужно лишь подобрать качественную схему изготовления, что и позволит сделать надежное и универсальное в использовании оборудование.

Описание и преимущества техники

Принцип работы индукционных нагревателей основывается на выделении тепла металлами при пропускании через них тока. При подаче напряжения на токопроводящий контур образуется магнитное поле и индукционный ток, который выделяет большое количество тепла. Сегодня на основе этой технологии изготавливаются различные электрические нагреватели, которые одновременно сочетают компактные размеры и отличаются великолепной мощностью. Благодаря простоте конструкции таких установок изготовить их самостоятельно не составит труда.

Одним из плюсов данного нагревателя является почти 100% КПД

К преимуществам индукционного нагрева можно отнести следующее:

1. Высокая мощность.
2. Возможность работы в различных средах.
3. Полная экологичность.
4. Возможность избирательного нагрева.
5. Полная автоматизация процесса.
6. КПД на уровне 99%.
7. Длительный срок службы.

В быту технологии индукционного нагрева реализованы в кухонных плитах и полностью автоматизированных котлах отопления. Такие установки пользуются популярностью на отечественном рынке, что объясняется их простотой обслуживания, надежностью конструкции, эффективностью и универсальностью использования.

Схема устройства индукционного нагревателя настолько проста, что собрать ее своими руками не составит труда. Потребуется лишь минимальный опыт чтения схем и возможность работы с паяльником или аналогичным оборудованием. Можно изготовить как простейшим варианты отопителей для нагрева воздуха в помещении, так и сделать полноценный котел для загородного дома.

В этом видео вы узнаете, как сделать простой индукционный нагреватель

Принцип действия оборудования

Технология индукционного нагрева отличается эффективностью и простотой схемы своего исполнения. На сегодняшний день распространение получили два типа индукции:

• Вихревые нагреватели.
• Аппараты с электронным управлением и токами в катушке.

При изготовлении самодельных обогревателей используются вихревые разновидности индукции, что объясняется простотой их реализации и великолепной эффективностью. Принцип работы такого оборудования основывается на передаче энергии теплоносителю от магнитного поля. Мощное излучение формируется в металлическом токопроводящем индукторе. Когда электроток проходит через металлическую катушку, он создает мощные вихревые потоки, с их последующим трансформацией в тепловую энергию.

Теплообменник такого котла может выполняться в виде обычной колонны, в которую снизу под давлением поступает вода, а по всей высоте осуществляется ее индукционный нагрев. Нагретый теплоноситель выходит из котла через верхний патрубок и направляется в замкнутый контур системы отопления. Постоянная циркуляция воды в котле предупреждает перегрев элементов, что обеспечивает максимально возможную безопасность использования такого оборудования.

Образование накипи предупреждается за счёт легкой вибрации теплоносителя при его прохождении через теплообменник, что исключает появление кальциевых отложений, а домовладельца избавляет от необходимости какой-либо очистки и другого сервиса индукционного оборудования.

Изготовление индукционных нагревателей

Индукционное отопление еще не столь популярно, как газовые и твердотопливные котлы. Подобное можно объяснить высокой стоимостью таких систем обогрева частных домов. Для бытового использования котёл, построенный на технологии индукции, обойдется в 30 000 рублей и выше. Поэтому неудивительно, что многие домовладельцы отказываются от покупки заводской техники и изготавливают ее самостоятельно. При наличии соответствующей схемы, недорогих комплектующих и умения читать техническую документацию можно буквально за несколько часов выполнить эффективный и полностью безопасный нагреватель на индукции для отопительного котла.

На основе трансформатора

Выполнить качественные нагревательные индукционные элементы можно на базе трансформатора с первичной и вторичной обмоткой. Необходимые для работы такого оборудования вихревые токи формируются в первичной обмотке и создают индукционное поле. Мощное электромагнитное поле воздействует на вторичную обмотку, которая является, по сути, индукционным нагревателем и испускает большое количество тепла, используемого для обогрева теплоносителя.

Конструкция самодельного индукционного нагревателя на базе трансформатора будет включать следующие элементы:

1. Сердечник трансформатора.
2. Обмотка.
3. Тепло и электроизоляция.

Сердечник выполняется в виде двух ферромагнитных трубок с различным диаметром. Они ввариваются друг в друга, после чего выполняется тороидальная обмотка из прочного медного провода. Делается не менее 85 витков с обязательным выдерживаем равного расстояния между ними. При пропускании электричества через сердечник и обмотку в замкнутом контуре создаются вихревые потоки, которые нагревают сердечник и вторичную обмотку. В последующем полученное тепло используется для нагрева теплоносителя.

Из высокочастотного сварочного аппарата

В схеме индуктора своими руками с использованием высокочастотного инвертора основными элементами является генератор переменного тока, нагревательные элементы и индукторы. Генератор будет необходим для преобразования стандартного напряжения с частотой в 50 Герц в высокочастотный электроток. После модулирования ток подается в катушку индуктора, имеющую цилиндрическую форму. Обмотка катушки выполняется из медной проволоки, что позволяет генерировать магнитное переменное поле, создающее нужные вихревые токи, за счёт появления которых происходит нагрев металлического корпуса водяной рубахи. Полученное тепло передаётся теплоносителю.

Выполнить качественный нагреватель на базе высокочастотного сварочного инвертора не составит труда. Необходимо лишь позаботиться о качественной и надежной теплоизоляции, что позволит обеспечить максимально высокие показатели КПД. В противном случае при отсутствии надежной теплоизоляции эффективность системы отопления существенно снижается, что приводит к значительному расходу электроэнергии на работу оборудования.

Есть как минимум 3 основных элемента, которые должны быть в рабочем состоянии в нагревателе

Этапы сборки нагревателя

Изготовить простейший индукционный нагреватель металла своими руками не составит особого труда. Для такой работы потребуются следующие инструменты:

1. Радиоэлементы.
2. Мини-дрель.
3. Текстолитовые платы.
4. Паяльник и припой.
5. Химические реагенты для пайки.
6. Термопаста.

Для изготовления катушки, которая используется для излучения переменного магнитного поля, потребуется подготовить отрезок медной трубки с длиной 800 миллиметров и диаметром 8 миллиметров.

Из используемых компонентов самыми дорогими являются мощные силовые транзисторы, которых необходимо установить по меньшей мере два. Для такой работы подойдут IRFP 150, IRFP260 или IRFP460.

Изготовить колебательный контур водонагревателя можно при помощи керамических конденсаторов напряжением в 1600 Вольт и ёмкостью 0,1 mF. Для образования в катушке переменного тока с высокой мощностью потребуется использовать не менее 7 таких конденсаторов на 12 В.

В процессе работы полевые транзисторы могут сильно нагреваться. Без использования качественных алюминиевых радиаторов они расплавятся буквально через несколько секунд после подачи напряжения на трансформатор. Теплоотводы и радиаторы ставят на транзисторы через термопасту, в противном случае эффективность охлаждения будет не слишком высока.

Диоды для индукционных вин нагревателей используют ультрабыстрого действия. Лучше всего для такой схемы подходят модели HER 307, UF 4700, MUR 460.

Также потребуется приобрести два резистора емкостью 10 кОм и мощностью приблизительно 0,25 Вт, один резистор мощностью 2 Ватт ёмкостью 440 Ом. Понадобится использовать два стабилитрона с напряжением в 15 Вольт. Оптимальная их мощность — не меньше 2 Ватт. К силовым проводам, которые подводят напряжение к катушке, устанавливают стандартный дроссель.

Электроснабжение нагревателя выполняется за счет блока питания с напряжением 12-40 Вольт и мощностью не более 500 Вт. Можно использовать автомобильные аккумуляторы или блок питания от старого компьютера.

Из медной трубы по имеющемуся шаблону выполняется спираль с диаметром около 4 сантиметров. Она должна иметь не менее 7 витков, которые не соприкасаются друг с другом. На конце второй трубки приваривают ферромагнитные крепежные кольца, которые потребуются для подключения транзисторов к радиатору.

Печатную плату изготавливают по схеме, которая позволяет реализовать преобразование стандартного тока в мощный и высокочастотный. При больших амплитудах напряжения изготовленный самостоятельно нагреватель будет стабильно работать, потребляя минимум электроэнергии и обеспечивая качественный нагрев. Конденсаторы устанавливаются на печатной плате параллельно, образуя с катушкой колебательный контур.

Выполняется пробный запуск, во время которого следят за отсутствием коротких замыканий у обмоток пружины. При наличии замыканий и соприкосновения витков катушки друг с другом транзисторы моментально выйдут из строя, а изготовленный своими руками индукторный нагреватель потребует дорогостоящего ремонта.

Внутри индукционной катушки можно установить через изоляцию корпус теплообменника, внутри которого будет циркулировать нагреваемая жидкость. Благодаря высокой эффективности технология индукционного нагрева даже при минимальном расходе электричества обеспечивает выделение большого количества тепловой энергии, что позволяет качественно обогревать помещение.

Теплообменник изготавливают из трубы с диаметром в 20 миллиметров, которая сделана из нержавеющей стали. На такую трубу нанизывают одну или несколько индукционных спиралей, при этом металлические элементы не должны соприкасаться с витками улитки, которая находится под напряжением. При показателях мощности в 2 кВт эффективности такого прибора будет достаточно для обеспечения проточного нагрева жидкости с ее последующим использованием в технических целях или для обогрева помещения.

Индукционные нагреватели — это перспективная технология, которая сегодня активно используется при изготовлении котлов автономного обогрева. Простота схемы реализации таких электроприборов позволяет выполнять их самостоятельно. Сделав такой индуктивный нагреватель своими руками, можно сэкономить на покупке дорогостоящей техники, при этом по своему функционалу самодельные приборы не будут уступать дорогостоящим заводским моделям отопителей.