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

современных электротехнологий

имущества обусловлены специфическими физическими характеристиками индукционных печей.

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

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

Давление Потоки расплава

Рис. 7.21. Действие электромагнитных сил

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

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

современных электротехнологий

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

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

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

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

современных электротехнологий

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

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

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

принципе, индукционная единица может быть представлена как трансфор-

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

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

современных электротехнологий

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

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

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

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

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

современных электротехнологий

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

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

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

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

Глава 7. Энергосберегающие возможности современных электротехнологий

□ потери металла; Щ плавление

современных электротехнологий

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

Индукционная печь, выполненная своими руками, является отличным решением для обогрева различных помещений.

Кроме обогрева индукционная печь может выполнять следующие функции:

• плавление металла;
• очистку драгоценных металлов;
• нагревание изделий из металла, после чего они проходят через процедуру закалки или через иные процессы.

Однако вышеописанные функции обеспечивают промышленные установки , а если нужно выполнять обогрев дома, то обычно устанавливается печь для кухни, причем можно ее приобрести в готовом виде или сделать самостоятельно. Самодельная индукционная печь создается достаточно просто, и на этот процесс не нужно тратить много времени. Однако важно знать не только правила формирования данной конструкции, но и ее другие особенности, чтобы можно было при необходимости своими силами осуществить ремонт или замену каких-либо основных частей.

Принцип работы оборудования

Важно знать особенности действия данного вида печи, чтобы хорошо разбираться в ее работе и параметрах. Работает оборудование за счет того, что с помощью специальных вихревых токов обеспечивается разогрев материала. Получаются такие токи за счет специального индуктора , являющегося катушкой индуктивности. В ней имеется насколько витков провода, обладающего довольно существенной толщиной.

Индуктор может нагреваться за счет сварочного инвертора или другого оборудования. Принцип работы индукционной печи предполагает, что питание индуктора поступает от сети переменного тока, а также для этого может применяться генератор высокой частоты. Ток, протекая по индуктору, формирует переменное поле , пронизывающее пространство. Если в нем имеются какие-либо материалы, то именно на них наводятся токи, обеспечивая их эффективное нагревание.

Если используется печь для создания , то обычно в качестве материала выступает вода, которая нагревается. Если же оборудование предназначено для промышленных целей, то в качестве материала может использоваться металл, который под действием тока начинает плавиться. Таким образом, принцип работы индукционной плиты считается простым и понятным, поэтому создать ее своими силами достаточно просто.

Устройство индукционных печей может быть разным, поскольку можно выделить два совершенно разных вида:

• оборудование, оснащенное магнитопроводом;
• печи без магнитопровода.

В первом случае индуктор находится внутри специального металла , который под действием токов начинает плавиться. Во втором индуктор располагается снаружи. Схема каждого варианта имеет свои специфические отличия.

Читайте также: Печи для теплиц

Считается, что особенности действия конструкции с магнитопроводом является более эффективным, поскольку этот элемент повышает плотность создаваемого магнитного поля , поэтому нагрев более оперативный и качественный.

Самым популярным примером печи, оснащенной магнитопроводом, является канальная конструкция . Схема данного оборудования состоит из замкнутого магнитопровода, созданного из трансформаторной стали. На этом элементе имеется индуктор, являющийся первичной обмоткой, и тигель, обладающий кольцеобразной формой . Именно в нем находится материал, предназначенный для плавления. Тигель создается из специального диэлектрика, обладающего хорошей устойчивостью к возгоранию. Используются данные конструкции для создания чугуна высокого качества или для плавления цветных металлов.

Разновидности и характеристики различных индукционных печей

Можно выделить несколько видов индукционных печей, принцип действия которых имеет определенные отличия. Некоторые предназначаются только для промышленных работ, а другие могут использоваться в домашних условиях, поэтому часто предназначаются для кухни, где обеспечивают качественный нагрев. Наиболее часто последние варианты формируются из сварочного инвертора, имеют простую конструкцию, за счет чего их обслуживание и ремонт являются простыми работами.

К основным разновидностям индукционных печей относятся:

• Вакуумная индукционная печь . В ней плавка осуществляется в вакууме, что позволяет удалить из различных смесей вредные и опасные примеси. В результате получаются изделия, которые совершенно безопасны для применения, отличаются высоким качеством. Следует отметить, что их ремонт считается сложной работой, а сам процесс создания, обычно, не может осуществиться своими силами без специализированного оборудования и необычных условий.
• Канальная конструкция . Она изготавливается с применением обычного сварочного трансформатора , который работает на частоте, равной 50 Гц. Здесь вторичная обмотка данного устройства заменяется тигелем кольцеобразной формы. Видео создания такой печи можно найти в интернете, причем ее схема не считается сложной. Применяться грамотно сформированное оборудование может для плавки большого количества цветных металлов, причем потребление энергии считается небольшим. Ремонт считается специфическим и сложным.
• Тигельная печь . Схема данной конструкции предполагает установку индуктора и генератора, которые являются самыми основными частями оборудования. Для формирования индуктора может применяться стандартная трубка из меди. Однако должно быть соблюдено необходимое количество витков, которое не должно быть больше 8, но и меньше 10. Схема самого индуктора может быть разной, он может иметь форму восьмерки или другую конфигурацию. Следует отметить, что ремонт данного оборудования считается достаточно простой работой.
• Индукционная печь для обогрева помещения. Как правило, она предназначается для кухни, создается на основе сварочного инвертора. Обычно данная установка применяется в комбинации с водогрейным котлом , который позволяет обеспечить отопление каждого помещения в строении, кроме того, можно будет подвести горячее водоснабжение к сооружению. Принцип работы заключается в том, что индуктор получает питание от сварочного инвертора. Считается, что эффективность данного оборудования является невысокой, однако нередко только оно является единственно возможным для создания отопления в доме.

Читайте также: Доменная печь

Процесс формирования печи

Сделать для кухни или другого помещения в доме индукционную печь на основе инвертора можно своими усилиями. Для этого рекомендуется не только изучить теоретическую часть данного процесса, но и просмотреть обучающее видео.

Чтобы сформировать электромагнитное поле , которое будет иметься снаружи индуктора, необходимо применять специальную катушку, в которой будет достаточно большое количество витков. Дополнительно потребуется сгибать трубу, а данная работа обладает определенными сложностями, поэтому более рациональным решением в этом случае будет расположение прямой трубы непосредственно внутри катушки , в результате чего она будет работать в качестве сердечника.

Как правило, используется металлическая труба , однако она считается слабым теплоносителем, поэтому вместо нее может применяться полимерная труба, внутри которой будут находиться небольшие отрезки проволоки из металла. Для генератора тока оптимальным считается применение стандартного инвертора. Его обслуживание и ремонт считаются простыми и понятными работами, поэтому можно будет обеспечить долгий срок службы оборудования.

Таким образом, для создания конструкции потребуется:

• полимерная труба;
• стальная проволока;
• медный провод;
• сетка из проволоки;
• наличие самого инвертора.

Катанка из стали разрезается на мелкие части. Один торец трубы из полимеров закрывается сеткой, а в другой загружаются металлические отрезки проволоки. Второй торец также закрывается сеткой. Сверху трубы создается индукционная обмотка, для чего используется медный провод . Концы данной обмотки хорошо изолируются и подводятся к выходу инвертора. Как только аппарат включается, создается от катушки электромагнитное поле, что обеспечивает появление вихревых токов в сердечнике. Это приведет к его нагреванию, поэтому и вода, протекающая по трубе, начнет греться . Таким образом, получается идеальная конструкция для кухни или другого помещения, причем ее обслуживание и ремонт считаются простыми.

Лучше всего перед работами просмотреть обучающее видео , чтобы не совершить ошибок. После создания оборудования, можно установить его в нужном помещении. Оно может предназначаться не только для топочной, но даже и для кухни. Важно выбрать такое помещение, в котором можно будет легко ухаживать за печкой и осуществлять ее ремонт.

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.

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.

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 нагреватели работают по принципу “получение тока из магнетизма”. В специальной катушке генерируется переменное магнитное поле высокой мощности, которое порождает вихревые электрические токи в замкнутом проводнике.

Замкнутым проводником в индукционных плитах является металлическая посуда, которая разогревается вихревыми электрическими токами. В общем, принцип работы таких приборов не сложен, и при наличии небольших познаний в физике и электрике, собрать индукционный нагреватель своими руками не составит большого труда.

Самостоятельно могут быть изготовлены следующие приборы:

1. Приборы для нагрева в котле отопления.
2. Мини-печи для плавки металлов.
3. Плиты для приготовления пищи.

Индукционная плита своими руками, должна быть изготовлена с соблюдением всех норм и правил для эксплуатации данных приборов. Если за пределы корпуса в боковых направлениях будет выделяться опасное для человека электромагнитное излучение, то использовать такой прибор категорически запрещается.

Кроме этого большая сложность при конструировании плиты заключается в подборе материала для основания варочной поверхности, которое должно удовлетворять следующим требованиям:

1. Идеально проводить электромагнитное излучение.
2. Не являться токопроводящим материалом.
3. Выдерживать высокую температурную нагрузку.

В бытовых варочных индукционных поверхностях используется дорогая керамика, при изготовлении в домашних условиях индукционной плиты, найти достойную альтернативу такому материалу – довольно сложно. Поэтому, для начала следует сконструировать что-нибудь попроще, например, индукционную печь для закалки металлов.

Инструкция по изготовлению

Чертежи

Рисунок 1. Электрическая схема индукционного нагревателя
Рисунок 2. Устройство. Рисунок 3. Схема простого индукционного нагревателя

Для изготовления печи понадобятся следующие материалы и инструменты:

• припой;
• текстолитовая плата.
• мини-дрель.
• радиоэлементы.
• термопаста.
• химические реагенты для травления платы.

Дополнительные материалы и их особенности:

1. Для изготовления катушки , которая будет излучать необходимое для нагрева переменное магнитное поле, необходимо приготовить отрезок медной трубки диаметром 8 мм, и длиной 800 мм.
2. Мощные силовые транзисторы являются самой дорогой частью самодельной индукционной установки. Для монтажа схемы частотного генератора необходимо приготовить 2 таких элемента. Для этих целей подойдут транзисторы марок: IRFP-150; IRFP-260; IRFP-460. При изготовлении схемы используются 2 одинаковых из перечисленных полевых транзисторов.
3. Для изготовления колебательно контура понадобятся керамические конденсаторы ёмкостью 0,1 mF и рабочим напряжением 1600 В. Для того, чтобы в катушке образовался переменный ток высокой мощности, потребуется 7 таких конденсаторов.
4. При работе такого индукционного прибора , полевые транзисторы будут сильно разогреваться и если к ним не будут присоединены радиаторы из алюминиевого сплава, то уже через несколько секунд работы на максимальной мощности, данные элементы выйдут из строя. Ставить транзисторы на теплоотводы следует через тонкий слой термопасты, иначе эффективность такого охлаждения будет минимальна.
5. Диоды , которые используются в индукционном нагревателе, обязательно должны быть ультрабыстрого действия. Наиболее подходящими для данной схемы, диоды: MUR-460; UF-4007; HER – 307.
6. Резисторы, которые используются в схеме 3: 10 кОм мощностью 0,25 Вт – 2 шт. и 440 Ом мощностью – 2 Вт. Стабилитроны: 2 шт. с рабочим напряжением 15 В. Мощность стабилитронов должна составлять не менее 2 Вт. Дроссель для подсоединения к силовым выводам катушки используется с индукцией.
7. Для питания всего устройства понадобится блок питания мощностью до 500. Вт. и напряжением 12 – 40 В. Запитать данное устройство можно от автомобильного аккумулятора, но получить наивысшие показания мощности при таком напряжении не получится.

Сам процесс изготовления электронного генератора и катушки занимает немного времени и осуществляется в такой последовательности:

1. Из медной трубы делается спираль диаметром 4 см. Для изготовления спирали следует медную трубку накрутить на стержень с ровной поверхностью диаметром 4 см. Спираль должна иметь 7 витков, которые не должны соприкасаться. На 2 конца трубки припаиваются крепёжные кольца для подключения к радиаторам транзистора.
2. Печатная плата изготавливается по схеме. Если есть возможность поставить полипропиленовые конденсаторы, то благодаря тому, что такие элементы обладают минимальными потерями и устойчивой работой при больших амплитудах колебания напряжений, устройство будет работать намного стабильнее. Конденсаторы в схеме устанавливаются параллельно образуя с медной катушкой колебательный контур.
3. Нагрев металла происходит внутри катушки, после того как схема будет подключена к блоку питания или аккумулятору. При нагреве металла необходимо следить за тем, чтобы не было короткого замыкания обмоток пружины. Если коснуться нагреваемым металлом 2 витка катушки одновременно, то транзисторы выходят из строя моментально.

Нюансы

1. При проведении опытов по нагреву и закалке металлов , внутри индукционной спирали температура может быть значительна и составляет 100 градусов Цельсия. Этот теплонагревательный эффект можно использовать для нагрева воды для бытовых нужд или для отопления дома.
2. Схема нагревателя рассмотренного выше (рисунок 3) , при максимальной нагрузке способна обеспечить излучение магнитной энергии внутри катушки равное 500 Вт. Такой мощности недостаточно для нагрева большого объёма воды, а сооружение индукционной катушки высокой мощности потребует изготовление схемы, в которой необходимо будет использовать очень дорогие радиоэлементы.
3. Бюджетным решением организации индукционного нагрева жидкости , является использование нескольких устройств описанных выше, расположенных последовательно. При этом, спирали должны находиться на одной линии и не иметь общего металлического проводника.
4. В качестве используется труба из нержавеющей стали диаметром 20 мм. На трубу «нанизываются» несколько индукционных спиралей, таким образом, чтобы теплообменник оказался в середине спирали и не соприкасался с её витками. При одновременном включении 4 таких устройств, мощность нагрева будет составлять порядка 2 Квт, что уже достаточно для проточного нагрева жидкости при небольшой циркуляции воды, до значений позволяющих использовать данную конструкцию в снабжении тёплой водой небольшого дома.
5. Если соединить такой нагревательный элемент с хорошо изолированным баком , который будет расположен выше нагревателя, то в результате получится бойлерная система, в которой нагрев жидкости будет осуществляться внутри нержавеющей трубы, нагретая вода будет подниматься вверх, а её место будет занимать более холодная жидкость.
6. Если площадь дома значительна , то количество индукционных спиралей может быть увеличено до 10 штук.
7. Мощность такого котла можно легко регулировать путём отключения или включения спиралей. Чем больше одновременно включённых секций, тем больше будет мощность работающего таким образом отопительного устройства.
8. Для питания такого модуля понадобится мощный блок питания. Если есть в наличии инверторный сварочный аппарат постоянного тока, то из него можно изготовить преобразователь напряжения необходимой мощности.
9. Благодаря тому, что система работает на постоянном электрическом токе , который не превышает 40 В, эксплуатация такого устройства относительно безопасна, главное обеспечить в схеме питания генератора блок предохранителей, которые в случае короткого замыкания обесточат систему, там самым исключив возможность возникновения пожара.
10. Можно таким образом организовать “бесплатное” отопление дома , при условии установки для питания индукционных устройств аккумуляторных батарей, зарядка которых будет осуществляться за счёт энергии солнца и ветра.
11. Аккумуляторы следует объединить в секции по 2 шт., подключённые последовательно. В результате, напряжение питания при таком подключении будет не менее 24 В., что обеспечит работу котла на высокой мощности. Кроме этого, последовательное подключение позволит снизить силу тока в цепи и увеличить срок эксплуатации аккумуляторов.

1. Эксплуатация самодельных устройств индукционного нагрева , не всегда позволяет исключить распространение вредного для человека электромагнитного излучения, поэтому индукционный котёл следует устанавливать в нежилом помещении и экранировать оцинкованной сталью.
2. Обязательно при работе с электричеством следует соблюдать правила техники безопасност и, особенно это касается сетей переменного тока напряжением 220 В.
3. В качестве эксперимента можно изготовить варочную поверхность для приготовления пищи по схеме указанной в статье, но эксплуатировать данный прибор постоянно не рекомендуется по причине несовершенства самостоятельного изготовления экранирования данного устройства, из-за этого возможно воздействие на организм человека вредного электромагнитного излучения, способного негативно сказаться на здоровье.

© При использовании материалов сайта (цитат, изображений) указание источника обязательно.

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.

Канальная печь

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

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.

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.

Зачем индуктор дома?

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

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.

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.

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.

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

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 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

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

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

В заключение

Итак, индукционные электроприборы для подогрева воды и приготовления пищи лучше покупать готовые, дешевле и проще выйдет. А вот завести самодельную индукционную тигельную печку в домашней мастерской не помешает: станут доступными тонкие способы плавки и термообработки металлов. Нужно только помнить о ППЭ с СВЧ и строго соблюдать правила конструирования, изготовления и эксплуатации.