Как работает индукционный нагреватель и как он устроен; Школа электротехники: электротехника и электроника

Для меди, например, на частоте 2 МГц толщина кожного слоя составляет всего четверть миллиметра! Это означает, что внутренние слои медной заготовки нагреваются не непосредственно вихревыми токами, а за счет теплопроводности от ее тонкого внешнего слоя. Тем не менее, производительность этой технологии достаточна для быстрого нагрева или плавления практически любого электропроводящего материала.

Как работает индукционный нагреватель

Принцип работы индукционного нагревателя заключается в нагреве проводящей металлической заготовки путем наведения в ней замкнутого вихревого тока.

Вихревые токи – это токи, возникающие в твердых проводниках в результате явления электромагнитной индукции, когда эти проводники пронизываются переменным магнитным полем. Для создания этих токов расходуется энергия, которая преобразуется в тепло и нагревает проводники.

Чтобы уменьшить эти потери и исключить нагрев, вместо сплошных проводников используются многослойные проводники, в которых отдельные слои разделены изоляцией. Такая изоляция предотвращает образование больших замкнутых вихревых токов и снижает потери энергии на их поддержание. Именно по этой причине сердечники трансформаторов, якорей генераторов и т.д. изготавливаются из тонких листов стали, изолированных друг от друга слоями лака.

Индуктор в индукционном нагревателе – это катушка переменного тока, задачей которой является создание высокочастотного переменного электромагнитного поля.

Высокочастотное переменное магнитное поле, в свою очередь, воздействует на электропроводящий материал, индуцируя в нем замкнутый ток высокой плотности и тем самым нагревая заготовку до расплавления. Это явление известно уже давно и может быть объяснено еще Майклом Фарадеем, который описал явление электромагнитной индукции в 1931 году.

Меняющееся во времени магнитное поле индуцирует переменную ЭДС в проводнике, пересекаемом его силовыми линиями. Этот проводник может быть обмоткой трансформатора, сердечником трансформатора или цельным куском металла.

Если ЭДС индуцируется в обмотке, мы получаем трансформатор или приемник, но если она находится непосредственно в магнитопроводе или в закороченной обмотке, мы получаем индуктивный нагрев магнитопровода или обмотки.

Например, в плохо спроектированном трансформаторе нагрев сердечника токами Фуко, очевидно, будет вредным явлением, но в индукционном нагревателе подобное явление служит полезной цели.

Индукционный нагреватель

С точки зрения характера нагрузки, индукционный нагреватель с нагревающимся внутри него проводящим предметом похож на трансформатор с закороченной вторичной обмоткой одного витка. Поскольку сопротивление внутри заготовки очень мало, даже небольшого наведенного вихревого электрического поля достаточно для создания тока такой высокой плотности, что его тепловой эффект (см. закон Джоуля-Ленца) окажется очень выраженным и практичным.

Первая канальная печь такого типа, построенная в Швеции в 1900 году, питалась током частотой 50-60 Гц, использовалась для канальной плавки стали, а металл подавался в тигель, который был устроен как закороченная вторичная обмотка трансформатора. Очевидно, что экономическая эффективность была проблемой, так как эффективность составляла менее 50%.

Индукционная закалка

Сегодня индукционный нагреватель представляет собой трансформатор без сердечника, состоящий из одной или нескольких катушек относительно толстой медной трубки, через которую прокачивается охлаждающая жидкость из активной системы охлаждения. В электропроводящее тело трубки подается переменный ток с частотой от нескольких килогерц до нескольких мегагерц, как в индукционной катушке, в зависимости от параметров обрабатываемого образца.

Идея заключается в том, что на высоких частотах вихревой ток вытесняется из нагретого образца самим вихревым током, поскольку магнитное поле этого вихревого тока вытесняет самогенерирующийся ток к поверхности.

Это проявляется в скин-эффекте, когда максимальная плотность тока приводит к образованию тонкого слоя на поверхности заготовки, причем чем выше частота и ниже удельное электрическое сопротивление нагреваемого материала – тем тоньше скин-слой.

Для меди, например, на частоте 2 МГц толщина слоя кожи составляет всего четверть миллиметра! Это означает, что внутренние слои медной заготовки нагреваются не непосредственно вихревыми токами, а за счет теплопроводности от ее тонкого внешнего слоя. Тем не менее, производительность этой технологии достаточна для быстрого нагрева или плавления практически любого электропроводящего материала.

Схема установки индукционного нагрева

Современные индукционные нагреватели основаны на колебательном контуре (индуктор и конденсатор), питаемом резонансным инвертором с транзисторами IGBT или MOSFET, которые позволяют работать на частотах до 300 кГц.

Для более высоких частот используются электронные трубки, которые обеспечивают частоту 50 МГц и выше, например, для плавки в ювелирном производстве требуются довольно высокие частоты, поскольку размер заготовки очень мал.

Для увеличения коэффициента качества рабочих цепей используется один из двух методов: либо повышение частоты, либо увеличение индуктивности цепи путем добавления ферромагнитных вставок в конструкцию цепи.

Высокочастотные электрические поля также используются в промышленности для нагрева диэлектриков. Отличие от индукционного нагрева заключается в используемой частоте тока (до 500 кГц для индукционного нагрева и более 1000 кГц для диэлектрического нагрева). В этом случае важно, чтобы нагреваемое вещество не являлось хорошим проводником электричества, т.е. было диэлектриком.

Преимущество этого метода заключается в том, что тепло генерируется непосредственно внутри вещества. В этом случае плохо проводящие вещества могут быстро нагреваться изнутри. Подробнее об этой теме вы можете прочитать здесь: Основы физики методов высокочастотного диэлектрического нагрева

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

При использовании сварочного аппарата помните, что индуктор нельзя подключать непосредственно к его клеммам. Несоблюдение этого требования приведет к снижению производительности всех компонентов системы. Чтобы подключить индукционный нагреватель к сварочному аппарату, последнему придется выполнить ряд сложных манипуляций, требующих от опытных мастеров и детального понимания конструкции устройства. Первичная обмотка должна быть подключена за индуктивным дросселем механизма преобразователя вместо встроенного индуктивного дросселя. Кроме того, необходимо припаять конденсаторную сборку и удалить диодный мост.

Преимущества и недостатки

Индукционный нагрев может обеспечить ряд преимуществ, которых нет у электродного монтажа. Поскольку жидкость нагревается металлическим элементом, который не участвует в электрохимических реакциях, срок службы устройства зависит исключительно от катушки. Срок службы катушки определяет, как долго прослужит устройство. Некоторые индукторы могут использоваться более 10 лет. Это также влияет на совместимость устройства с различными типами теплоносителя. Помимо обычной воды, подходят машинные масла и антифризы.

Отложения известкового налета не влияют на внутренние компоненты устройства. Постоянный контакт с жидкостью снижает вероятность перегрева компонентов, что также способствует увеличению срока службы. Конвекция в устройстве обычно достаточно высокая, чтобы циркуляционный насос не требовался. Также нет необходимости принимать меры по звукоизоляции – устройство работает довольно тихо.

Однако у индукционного нагревателя есть и недостатки:

  1. Для работы прибора требуется электрическая энергия. В помещении, где отсутствует электроснабжение или нет доступа к нему, котел не будет работать. В районах с регулярным отключением электроэнергии он не будет работать эффективно.
  2. При чрезмерном повышении температуры теплоноситель переходит в газообразное состояние. Это вызывает значительное повышение давления в конструкции, и трубы могут лопнуть. Для предотвращения этого система должна быть оснащена устройствами контроля давления и температуры. Это может быть манометр, датчик температуры или устройство аварийного отключения, если параметры выходят за пределы заданного диапазона.

Необходимость в дополнительных аксессуарах может увеличить стоимость самодельного индукционного нагревателя.

Считается, что устройство практически полностью бесшумно, но на практике это не всегда так. Это относится как к промышленным моделям, так и к устройствам, предназначенным для бытового использования.

Сами нагреватели имеют индикаторы, сигнализирующие о подключении катушки с недопустимой индуктивностью. Они указывают на то, что рабочая частота находится вне допустимых пределов. Поэтому, когда загорается индикатор “превышение частоты”, увеличьте индуктивность индуктора, увеличив число витков или диаметр катушки индуктора. И, соответственно, действуйте в обратном порядке, когда загорится индикатор “слишком низкая частота”.

24.jpg

Преимущества транзисторных индукционных установок

Современная высокочастотная транзисторная система индукционного нагрева мощностью 100 кВт состоит из двух блоков, каждый из которых размером чуть больше прикроватной тумбочки и весит около 150 кг. Габариты и вес индуктивных устройств, созданных по новейшей технологии с использованием транзисторных модулей JGBT и транзисторов MOSFIT, во много раз меньше, чем ламповых устройств той же мощности. Это позволяет размещать его в небольших помещениях и в непосредственной близости от производственного оборудования.

Транзисторные индукционные генераторы не требуют предварительного нагрева и имеют незначительную мощность холостого хода. Как правило, КПД ламповых индукционных электростанций не превышал 60%, в то время как КПД высокочастотных транзисторных генераторов составлял более 90%.

Тиристорные генераторы, появившиеся после ламповых высокочастотных генераторов, стремились занять нишу достаточно мощных индукционных генераторов. Они были разработаны в основном для нагрева горячих кузнечных заготовок в кузнице и индукционной плавки металлов.

Как ламповые, так и тиристорные индукционные установки очень требовательны к параметрам выходного колебательного контура, который, как известно, определяется емкостью конденсатора, индуктивностью индуктора и частотой генерации. Частота генерации в предыдущих поколениях индукционных установок, если она вообще была, колебалась в очень узких пределах. ГОСТ устанавливает это значение плюс-минус 10%. Поэтому операторы должны были очень точно регулировать резонанс индукционной системы, изменяя количество витков и диаметр индукционной катушки, или, когда это было невозможно, например, в индукционной плавильной печи, путем переключения секций конденсаторной батареи.

Однако, если учесть, что при индукционном нагреве стали после превышения точки Кюри (прибл. 760ºC) ферромагнитные свойства теряются, становится ясно, что дополнительная индуктивность, вносимая нагретым металлом в индуктор, постоянно меняется. Для поддержания максимальной эффективности всего контура в процессе нагрева необходимо постоянно изменять емкость конденсатора или, что неизбежно, изменять резонансную частоту в широком диапазоне.

В этом заключается главное отличие транзисторных индукционных устройств от устаревших ламповых и тиристорных устройств. Современные транзисторные ВЧ генераторы могут контролировать и изменять выходную частоту в огромном диапазоне частот. Например, среднечастотные транзисторные устройства, предлагаемые ТД “Мосиндуктор”, способны изменить резонансную частоту в 20 раз (2000%)! От 1 до 20 кГц!

Это позволяет подключить индукционную плавильную печь к транзисторному генератору и выполнить полную операцию плавки при фиксированной емкости конденсаторной батареи. В начале плавки генератор вырабатывает пониженную частоту, а после того, как металл постепенно теряет свои ферромагнитные свойства, частота генерации плавно увеличивается до необходимых значений, тем самым поддерживая максимальную эффективность всей системы.

То же самое справедливо и для индукционного нагрева стальных (металлических) деталей для пайки, сварки и закалки. Индуктивность системы постоянно меняется, и генератор постоянно подстраивает под нее рабочую частоту.

Однако, говоря о КПД всей системы, не следует забывать, что даже в современных транзисторных ВЧ-системах общий КПД индукционной катушки – заготовка или горшок в тигле редко превышает 60-70%. Исследования показывают, например, что при плавке цветных металлов общий выход редко превышает 30-40%.

Куда уходит энергия? Дело в том, что большая часть генерируемой электромагнитной энергии выделяется в виде тепла на стенках медной трубки, из которой сделаны индукционные катушки, и смывается водой. Часть энергии рассеивается в окружающее пространство.

Именно это делает обслуживающий персонал уязвимым к раку, а в мощных индукционных установках может быть источником сильных электрических помех в окружающем технологическом оборудовании. Проще говоря, металлический стол, поставленный рядом с кузнечным индукционным нагревателем мощностью 1 МВт, может привести к серьезному поражению электрическим током. Конечно, это только в том случае, если не обеспечено необходимое экранирование индуктора и заземление стола.

Но даже с этой точки зрения транзисторные индукционные приборы гораздо безопаснее ламповых. Из-за более низкой частоты генерации, которая, как известно, менее пространственно рассредоточена, и более низкого и, следовательно, более безопасного рабочего напряжения. Например, выходное напряжение на индукционной катушке высокочастотных индукционных нагревателей составляет около 100 В и практически безопасно для обслуживающего персонала. Конечно, это возможно только в том случае, если установка правильно заземлена.

Классификация индукционных нагревателей

Современные индукционные нагреватели классифицируются, прежде всего, по рабочей частоте, а точнее, по диапазону рабочих частот, который также определяет область применения индукционного нагревателя.

23.jpg

Индукционные нагреватели средней частоты (MF)

Обычно они имеют диапазон выходных частот 0,5-20 кГц. Низкая частота определяет область их применения. В основном это плавка черных и цветных металлов, глубокий нагрев для горячей ковки и закалка металлов на максимально возможную глубину. Например, закалка крановых колес. Эти индукционные установки имеют максимально возможную глубину проникновения горячего индукционного поля – до 10 мм от поверхности металла.

Как правило, высокочастотные устройства среднего напряжения (MVHF) имеют выходное напряжение 100-550В и относительно небольшие токи 100-200А. Это позволяет нагружать выход ВЧ-генератора катушками с высокой индуктивностью и большим числом витков. Это полезно для производства широких индукционных катушек для индукционных плавильных печей и длинных катушек для индукционных кузнечных нагревателей.

Если для глубокой закалки деталей необходимо использовать среднечастотное индуктивное устройство, а нагрузкой является катушка с малым числом витков, то между высокочастотным устройством и индукционной катушкой необходимо подключить закалочный трансформатор. Это снизит выходное напряжение и увеличит ток в индукционной катушке. Если вы попытаетесь подключить катушку малой мощности и малой индуктивности непосредственно к индукционному блоку, он не запустится. Большинство гасящих трансформаторов имеют возможность подключения с помощью перемычек с различным числом витков, что позволяет достичь максимальной гармонизации с нагрузкой, которой является гасящий индуктор. Обратите внимание, что большинство старых гасящих трансформаторов работают на частотах ниже 10 кГц.

Современные среднечастотные транзисторные индукционные установки на основе JGBT-модулей имеют мощность от 5кВт до 5000кВт (5МВт). Как правило, на выходе такого индукционного устройства находится водоохлаждаемый конденсатор или конденсаторная батарея.

Однако в этой группе индукционных нагревателей есть среднечастотные низковольтные (MVLF) устройства, работающие на частотах 5-20 кГц. Они отличаются тем, что собраны по классической схеме с высокочастотным трансформатором на выходе, конструктивно включенным в само устройство. Они имеют выходное напряжение около 100В и большой выходной ток 3000-10000А. В результате их можно использовать для закалки компонентов, использующих низкочастотные индукторы, напрямую, без закалочного трансформатора. Эта группа индукционных нагревателей может быть изготовлена с мощностью от 40 до 500 кВт. Эти индукционные нагреватели подходят для кузнечных нагревателей с ручной подачей заготовок, для нагрева и пайки крупных деталей, для сканирующей (непрерывной) термообработки (закалки и отпуска) валов и шестерен большого диаметра.

0.jpg

2. высокочастотные (ВЧ) индукционные нагреватели

Обычно имеют диапазон выходных частот 20-40 или 30-100 кГц. На выходе такого индукционного устройства всегда стоит ВЧ понижающий трансформатор, который должен быть нагружен на индукционную катушку от 1 до 4 витков. Диаметр индукционной катушки увеличивается по мере увеличения мощности ВЧ-генератора.

Например, система индукционного нагрева мощностью 15 кВт может быть нагружена 4-х обмоточной катушкой индукционного нагрева диаметром 40 мм или однообмоточной катушкой диаметром 120 мм, с выходным током 800 А.

Индукционный нагреватель мощностью 80 кВт может быть нагружен четырехобмоточным индуктором диаметром 60 мм или двухобмоточным индуктором диаметром 500 мм с выходным током 3300 А.

Современные высокочастотные транзисторные индукционные установки, смонтированные на модулях JGBT, обычно имеют мощность от 5 кВт до 1000 кВт (1 МВт).

Глубина проникновения горячего индукционного поля в этом диапазоне частот составляет 2-3 мм. Если требуется дальнейший нагрев на глубину заготовки, время нагрева увеличивается. В этом случае нагрев происходит за счет теплообмена.

Все это делает высокочастотные индукционные установки эффективными для поверхностной закалки шестерен, валов и крановых колес. Для нагрева деталей перед гибкой, для паяльных фрез, фрез и сверл. Для коллективного нагрева заготовок при горячей ковке винтов. Эти машины ТВЧ успешно используются для сварки и пайки высокопрочных слоев металла при восстановлении деталей. Они используются для сварки при производстве продольно-сварных стальных труб.

Цветные металлы можно плавить без использования графитовых тиглей и, конечно, также в графитовых тиглях, но параллельные индукционные катушки должны быть разделены на секции, чтобы охватить теплом большую площадь, сохраняя низкую индуктивность катушки в целом.

В России высокочастотные индукционные установки мощностью 10-30 кВт широко используются для припайки твердосплавных и алмазных наконечников в дисковых пилах. Однако, если толщина пил небольшая, лучше использовать высокочастотные устройства с диапазоном частот 100-250кГц и выше с мощностью 5-10кВт.

Высокочастотные ВЧ-нагреватели, вероятно, являются наиболее универсальными из всех индукционных нагревателей.

22.jpg c11.jpg

3. Индукционные нагреватели сверхвысокой частоты (СВЧ)

Они имеют диапазон выходных частот от 100 кГц до 1,5 МГц. Глубина проникновения горячего индукционного поля составляет приблизительно 1 мм. Поэтому их основная область применения – поверхностная закалка стальных деталей и нагрев тонких проволок и пластин.

Эти высокочастотные устройства подходят для закалки заготовок на глубину около 1 мм. Такая малая глубина закалки обеспечивает минимальное скручивание (деформацию) заготовки, вызванное закалочными напряжениями. Это особенно важно, когда размеры (диаметр) закаливаемых заготовок малы, а их длина или площадь велика.

Микроволновые индукционные установки используются для закалки длинных осей и направляющих станков. Только они могут быстро нагревать движущиеся тонкие провода или группы проводов. Тонкостенные трубы и полосы из цветных металлов. Выполнять филигранную точечную пайку мелких деталей, таких как температурные датчики для газовых плит. Микроволновые системы мощностью 3,5-6 кВт и частотой 500-1500 кГц оптимально подходят для пайки твердосплавных наконечников в дисковых пилах по дереву.

Индукционные нагреватели сверхвысокой частоты изготавливаются с использованием модулей JGBT и транзисторов MOSFET. Их мощность варьируется от 3,5 кВт до 500 кВт. Такие высокие мощности используются в профессиональных прокатных станах для производства продольно-сварных стальных труб и цветных металлов.

Индукционные устройства СВЧ нагружаются индукционными катушками с числом витков от 0,5 до 2. Интересный факт. Индукционные нагреватели СВЧ средней мощности имеют переключаемое число витков входного выходного трансформатора СВЧ, соответствующее числу витков индукционной катушки.

При больших токах в индукционной катушке выходное напряжение низкое.

Для повышения эффективности индукционной катушки путем возврата рассеянного в пространстве микроволнового излучения обратно в металл иногда используется концентратор Fluxtrol ……

19.JPG

Управление

Современные индукционные нагреватели имеют довольно хорошие “мозги”, когда речь идет о системе и алгоритмах управления мощностью и выбора частоты. Для самого пользователя все выглядит очень просто. Вращая ручку потенциометра, мы изменяем выходную мощность генерации в диапазоне от 15 до 100% от максимального значения. Вы не можете получить менее 15% мощности, произойдет отказ генератора, но само устройство этого не допустит.

Частота генератора ТВЧ автоматически адаптируется к новым параметрам колебательного контура, вызванным изменением индукционной катушки или изменением ферромагнитных свойств нагреваемой детали. При активации кнопки “Пуск” энергия ВЧ вырабатывается даже при пустом индукторе, если, конечно, он подходит для вашего индукционного нагревателя. Однако в этом случае мощность ограничена. ВЧ-нагреватель способен самостоятельно определить, присутствует ли деталь в индукторе и должна ли теперь генерироваться заданная мощность. Если деталь отсутствует, мощность будет снижена, а на индукторе загорится индикатор “низкая нагрузка”. Поэтому, вставив деталь в индуктор, вы вызовете автоматическую подачу заданной мощности. Это означает, что в принципе в некоторых режимах быстрого нагрева индукционный блок может вообще не включаться.

Одиночные индукционные нагреватели мощностью до 30 кВт включительно имеют рабочий цикл 70-80%, что означает, что после нескольких минут нагрева требуется небольшой перерыв для охлаждения устройства. При нормальной работе это не вызывает никаких неудобств, так как при смене нагреваемой части всегда есть пауза. Кроме того, часто два высокочастотных трансформатора загружаются в один высокочастотный генератор для создания двух заданий по пайке или закалке, поскольку время смены детали может быть намного больше, чем время самого нагрева.

Более мощные модели всегда имеют ВЧ-трансформатор с водяным охлаждением в отдельном блоке. В этом трансформаторе многовитковая первичная и многорядная вторичная обмотки охлаждаются водой, а ферритовый сердечник охлаждается как снаружи, так и изнутри. Трансформатор, как и генератор ТВЧ, обязательно оснащен отдельным сильфонным датчиком давления воды, срабатывание которого отключает всю систему.

Современные индукционные плиты обычно оснащены “умным таймером”. Это 3-секционный таймер для “отопления” – “поддерживать” – “охлаждение”. Время устанавливается вручную и составляет от 0,1 до 9,9 секунд для микроволновых нагревателей. На ВЧ-нагревателях от 1 до 99 секунд. А на высокочастотных обогревателях 10-999 секунд. Цифровой таймер отсчитывает время в каждом режиме.

Мощность или ток, подаваемый на индукционную катушку в режимах “Нагрев” и “Выносливость”, устанавливается 2 потенциометрами и контролируется цифровым дисплеем. Режим Охлаждение не имеет настройки мощности и необходим для подсчета времени выдержки в некоторых процессах термообработки.

Использование интеллектуального таймера позволяет легко изменять режим термообработки для широкого спектра нагревающихся деталей. Она также обеспечивает высокую повторяемость термообработки одинаковых деталей.

В стандартном режиме цифровой дисплей на панели управления показывает выходной ток. Доступ к дисплею можно получить, нажимая соответствующие кнопки для отображения выходной мощности или частоты.

Имеется три режима работы. Первый запускается и останавливается с помощью кнопки запуска и кнопки остановки или педали. Второй – полуавтоматический, нажатие кнопки пуска или ножной педали активирует интеллектуальный таймер. Таймер проходит весь цикл и выключается. Третий режим является полностью автоматическим, после включения таймера он выполняет всю программу и запускается снова.

Существует два типа стабилизации режима отопления: “Стабилизация тока” и “Стабилизация мощности”. По нашим наблюдениям, “Стабилизация тока” хороша для сканирующей закалки, а “Стабилизация мощности” позволяет поддерживать максимальную мощность, что особенно хорошо для глубокого нагрева при горячей ковке.

Индукционные установки имеют стандартный интерфейс для подключения инфракрасных датчиков температуры для автоматической регулировки температуры детали или отключения генерации при достижении желаемой температуры.

Современные индукционные нагреватели оснащены многоступенчатой системой безопасности и защиты от перегрузок.

Индукционные устройства выключаются автоматически, если:

– Потеря одной фазы.

– Входное напряжение выше 440 В.

– Повышенное и пониженное напряжение внутреннего выпрямителя.

– Превышение внутреннего тока выпрямителя.

– Чрезмерный входной и выходной ток.

– Срабатывание многоточечных датчиков температуры.

– Понижение давления воды на входе.

Индикаторы загораются, когда:

– Питание подключено к устройству.

– Включена высокочастотная генерация.

– Высокая или низкая выходная частота из-за плохого согласования с индукционной катушкой. Автоматическое снижение выходного тока.

– Низкая нагрузка индуктора, переключение в экономичный режим.

В целом, органы управления интуитивно понятны, и менее квалифицированные работники могут быстро научиться управлять индукционной машиной.

8.jpg

Надежность и простота обслуживания

Вообще говоря, все, что вы можете себе представить в плане индукционного нагрева, уже давно массово производится в Китае для всего мира и ждет вас на складе производителя.

Современные китайские индукционные нагреватели характеризуются отличным качеством монтажа и высокой надежностью. В агрегатах, поставляемых на экспорт, используется элементная база от японских, тайваньских и китайских производителей. Собранные платы всегда тестируются. Полностью готовые индукционные установки подвергаются серьезному выходному контролю для обеспечения долговременной работоспособности.

Согласно отчетам компаний, которые эксплуатируют китайские индукционные установки в течение длительного времени, среднее время наработки на отказ составляет около 7-8 лет непрерывной работы.

Обычно китайские производители, защищая свои секреты, стирают маркировку с микрочипов. Поэтому единственный возможный ремонт – это ремонт блока с заменой всей платы. Сервисный центр Mosinductor имеет полный набор ремонтных пластин для каждого поставляемого нами индукционного нагревателя. Если необходимой для ремонта детали нет на складе, наши китайские партнеры доставляют ее к нам в Апрелевку по DHL в течение недели.

Индукционные нагреватели не нуждаются в сертификации в соответствии с действующим законодательством. Нет необходимости получать разрешение на выбросы, как в случае с радиопередатчиками. По запросу Мосиндуктор выдает копии отказных писем от “Всероссийского научно-исследовательского института сертификации” (ОАО “ВНИИС”). (ОАО “ВНИИС”) Москва. Москва, что данная продукция не сертифицирована.

Системы охлаждения

Охлаждающая жидкость (вода)

Думаю, не нужно объяснять, насколько важно для нормальной работы систем ТВЧ иметь хорошее водоснабжение. Важен не только химический состав охлаждающей воды, но и давление, а также хорошая фильтрация. Современные индукционные печи имеют настолько высокую концентрацию тепла, что без эффективного водяного охлаждения они не могут работать более нескольких секунд!

Наш опыт гарантийного обслуживания более 40 индукционных установок показывает, что единственной причиной плохой работы и выхода из строя поставленных нами нагревателей было неправильное использование нашими клиентами системы водяного охлаждения. Произошло два таких сбоя.

Один из индукционных нагревателей был залит водой на длительный период времени, что привело к выходу из строя конденсаторной батареи емкостью 180 пк. Гарантийный ремонт был выполнен в течение одного дня. Клиенту было рекомендовано сильнее затянуть хомуты на трубе подачи воды.

Во втором нагревателе в результате попадания в систему охлаждения куска трубчатого солевого отложения размером 5-7 мм была перекрыта подача воды в радиатор охлаждения 2-х мощных JGBT ключей в блоке ТНВД генератора, что привело к периодическому перегреву и отключению нагревателей по сигналу многоточечных датчиков системы контроля температуры. Дефект появлялся при длительных режимах нагрева, но исчезал при коротких режимах нагрева. После диагностики неисправности специалисты “Мосиндуктора” удалили фрагмент шлама. После просушки оборудования его работоспособность была восстановлена. Клиенту посоветовали установить магнитный сетчатый фильтр на входе воды.

Наши китайские поставщики индукционных нагревателей уделяют особое внимание качеству охлаждающей воды. Они ссылаются на ухудшение качества воды. Вот они, начиная с самых лучших.

Дистиллированная – вода, очищенная от солей на 90% с помощью технологии обратного осмоса – фильтрованная водопроводная вода. Не используйте нефильтрованную речную воду, колодезную воду, артезианскую воду, соленую или морскую воду.

В принципе, любая вода в этом диапазоне способна охладить индукционный прибор, но чем хуже качество воды, тем быстрее ваш дорогой индукционный нагреватель засорится накипью. Конечно, вы можете рассмотреть возможность удаления накипи с помощью различных средств, например, лимонной кислоты. Однако использование любых едких веществ, безусловно, вредно для вашего оборудования. Поэтому простой совет – использовать дистиллированную воду для охлаждения радиаторов. И не обращайте внимания на рекламные слоганы наших конкурентов, которые утверждают, что для их растений можно использовать любую воду. Конкуренты лгут, вы не можете.

В зависимости от производительности вашей индукционной системы и ваших финансовых возможностей, вы можете установить различные системы водяного охлаждения.

Бытовые системы охлаждения

Если мощность водонагревателя невелика, а нагрузка невелика, можно использовать стандартный пластиковый бак емкостью от 200 до 1000 литров и электрический насос, создающий давление 2-3 атмосферы. Например, бака объемом 1000 литров и насоса мощностью 1 кВт может быть достаточно для индукционного нагревателя мощностью 60 кВт при средних уровнях нагрузки. Если производительность установки увеличивается и температура в баке поднимается выше 35-40°C, то для охлаждения воды к водопроводу следует подключить медный радиатор с электрическим вентилятором. Некоторые из наших клиентов используют для этой цели водонагреватели мастерской, в которых есть и радиатор, и вентилятор.

Если на предприятии есть водопровод, то для охлаждения дистиллированной воды можно использовать пластинчатые теплообменники “вода-вода”.

Данный индукционный нагреватель использует одинаковое количество воды во всех режимах, поэтому давление на входе можно просто регулировать с помощью байпаса, который представляет собой водяной змеевик с регулирующим клапаном.

Во избежание нарушения давления и производительности, шланги отвода воды от агрегатов не должны быть соединены вместе, а каждый из них должен быть отдельно подведен к сливному баку.

5.jpg 6.jpg

Градирни обычно используются для охлаждения индукционных установок большой мощности. Это устройства, в которых охлаждение происходит не только за счет теплообмена, но и за счет испарения воды. Для ускорения испарения воды градирни должны быть оснащены электрическим вентилятором.

Градирни бывают одноконтурными, где охлаждающая вода испаряется одновременно, или двухконтурными, где дистиллированная охлаждающая вода течет в замкнутом контуре медных труб, а трубы орошаются испаряющейся водопроводной водой. Двухконтурные градирни дороже одноконтурных, но они чрезвычайно экономичны в использовании дорогой дистиллированной воды.

Если градирня установлена в отапливаемом здании, ее можно заполнить дистиллированной водой. Если градирня находится на открытом воздухе, следует использовать незамерзающую, антикоррозийную и размагничивающую жидкость на основе диэтанола.

Насколько нам известно, двухконтурные градирни в России не производятся. По желанию заказчика “Мосиндуктор” может оснастить мощные индукционные установки и индукционные плавильные печи двухконтурными градирнями китайского производства. Градирни имеют различную холодопроизводительность, которая выбирается в зависимости от мощности индукционного нагревателя.

При выборе градирни с требуемой холодопроизводительностью всегда возникает несоответствие между производительностью водяного насоса градирни и потребностью в индукционном нагревателе. Объем воды в градирне намного больше. Кроме того, если поток воды через градирню уменьшится, ее охлаждающая способность снизится. В этом случае может быть полезно перекрыть поток воды от насоса градирни на себя. Для подачи охлаждающей воды в индукционный блок необходимо использовать дополнительный насос с требуемой производительностью. Такой способ подачи воды, в целях экономии электроэнергии, позволяет установить датчик температуры и включать насос градирни при превышении заданной температуры в баке, в то время как насос охлаждающей воды, питающий индукционный блок, включен постоянно.

4.jpg

Охладитель представляет собой автоматический фреоновый водяной охладитель. Охладитель типа “вода-воздух” отдает тепло в воздух цеха или на улицу. Охладитель “вода-вода” отдает тепло проточной воде. Фреоновый насос обеспечивает очень эффективное рассеивание тепла благодаря большой разнице температур между факторами. Кроме того, он поддерживает температуру охлаждающей жидкости в определенных пределах при любой температуре проточной воды и воздуха на улице или в цехе.

При выборе холодопроизводительности чиллера следует учитывать, что фреоновый чиллер не должен работать более трети своего рабочего времени, в то время как насос охлажденной воды должен работать непрерывно. Только в этом случае можно рассчитывать на длительный срок службы.

При установке водо-воздушного чиллера непосредственно в помещении установки, вырабатываемое тепло можно использовать для отопления помещения установки. Использование охладителя “вода-вода” может значительно сэкономить проточную воду.

Из всех известных систем охлаждения чиллеры являются наиболее автоматизированными, но и самыми дорогими.

При выборе чиллера с нужной холодопроизводительностью для индукционной системы охлаждения мы сталкиваемся с несоответствием между производительностью водяного насоса чиллера и потребностями индукционного нагревателя. Как правило, водоемкость чиллера намного выше. Есть два способа решения этой проблемы. Первый – замена насоса чиллера на насос меньшей производительности, который, в отличие от градирни, не влияет на холодопроизводительность чиллера. Второе решение – установить байпас на выходе насоса, т.е. водяной змеевик с регулирующим клапаном.

3.JPG 12.JPG

Индукционные катушки

Индукционная катушка (индуктор) – это хороший проводник электричества, расположенный в непосредственной близости от нагреваемой поверхности. Проводник обычно представляет собой круглую или прямоугольную медную трубку диаметром от 1 до 50 мм, охлаждаемую водой или антифризом. Медная трубка позволяет подавать на нагретую поверхность до 1,5 кВт/см2. Некоторые авторы утверждают, что более высокая мощность приводит к кипению охлаждающей воды и горению трубки, в которой образуются пузырьки.

Обеспечение достаточного потока охлаждающей жидкости необходимо для хорошей работы индуктора. Для обеспечения охлаждения прецизионных индукционных катушек в высокопроизводительных индукционных плавильных печах и индукционных нагревателях для ковки часто делают несколько входов и выходов воды. Увеличение диаметра медной трубки положительно влияет на увеличение индуктивной входной мощности. Увеличение толщины медной трубки часто бесполезно, поскольку ток в индукционной катушке все равно прижимается к внешней поверхности трубки и не рассеивается по ней из-за скин-эффекта.

При относительно низкой плотности мощности индуктор может быть изготовлен из листовой меди. Например, для нагрева больших компонентов, установленных в замках, за счет теплового расширения. К ним относятся роторы электрических машин и т.д. Иногда к центру пластины или зигзагообразно приваривается медная трубка для охлаждения медных пластин.

Иногда индукционная катушка изготавливается из медного провода в гибкой изоляции из термостойкого силикона. Такой многооборотный индуктор наматывается на термостойкое изоляционное одеяло, которое накладывается на стальные трубы при нормализации сварных швов и предварительно подогревается перед сваркой. Следовательно, на многопроволочный индуктор устанавливаются только высоковольтные индукционные нагреватели средней частоты.

21.JPG 25.jpg

Короткое замыкание индуктора обычно не является причиной выхода из строя современных индукционных нагревателей, но оно может вызвать срабатывание защиты по выходному току. С другой стороны, сама индукционная катушка может быть серьезно повреждена, при этом медная трубка может прогореть в месте повреждения. Прогоревшее отверстие следует запаять высокотемпературным медным припоем с температурой плавления около 900ºC или заменить весь индуктор на новый.

При использовании проводов (зажимных устройств для нагретых деталей) и сканирующей закалки индуктор должен оставаться неизолированным. С другой стороны, если деталь вводится в зону нагрева вручную и существует возможность прикосновения к индуктору, индуктор должен быть облицован термостойким материалом, предпочтительно с низкой проводимостью. Для этого используется плетеный материал из электрокорундовых, кварцевых или глиноземных волокон. Такие футеровки выгодно покрывать огнестойким цементом или термостойкой мастикой.

Катушки индуктивности могут быть облицованы керамическими гильзами, соответствующими диаметру медных трубок, что позволяет быстро менять конструкцию индуктора.

Индукторы для коллективного нагрева заготовок при горячей штамповке футеруются специальной смесью из огнеупорного (жаропрочного) цемента и различных наполнителей из электрокорундового песка и волокон. Нельзя допускать попадания воды на футеровку, так как это приводит к многоточечным отказам индукционной катушки и появлению характерного шума. Для устранения этого явления индукционную катушку следует высушить в муфельной печи при температуре около 300ºC.

Громкий шум в индукционной катушке означает, что охлаждающая вода в катушке закипает. В этом случае следует увеличить отвод тепла от индукционной катушки за счет повышения давления, а лучше за счет улучшения конструкции самого индуктора. Увеличить диаметр медной трубки или изменить количество витков индукционной катушки, сделать дополнительный кран – подачу воды и т.д.

Для изготовления индукционных катушек используются как круглые, так и прямоугольные медные трубы. Эффективность прямоугольных труб на 2-3% выше, чем круглых. Поэтому на простых индукторах разница между профилями трубок едва заметна.

Изготовить простой индуктор совсем не сложно. Набейте отожженную круглую медную трубку просеянным песком или мелкой солью, разровняйте края и смело наматывайте индукционную катушку той формы и с тем количеством витков, которое вы пожелаете. После намотки обрежьте края трубки, тщательно вытряхните содержимое и промойте трубку водой. Иногда индукционная катушка наматывается через проставку на саму нагреваемую деталь, чаще – на оправку. Основное правило при изготовлении индукционной катушки заключается в том, что для обеспечения одинакового нагрева витки должны иметь одинаковый шаг и расстояние от нагреваемой поверхности. Часто бывает необходимо обеспечить различные температуры нагрева или деталь имеет переменное поперечное сечение. В этом случае изменяются шаг и расстояние до поверхности детали.

2.jpg 13.jpg

Для производства индукторов для индукционных плавильных печей средней и высокой мощности используются только прямоугольные трубы. Прямоугольные трубы также используются в производстве индукторов для закалки сканирования. Такие индукторы часто оснащаются концентратором электромагнитного поля Fluxrol или Ferrotron. По некоторым данным, существует российский материал под названием гаманит, но автор с ним пока не сталкивался.

Все эти материалы обладают огромной магнитной проницаемостью и насыщенностью. Их использование может увеличить коэффициент передачи электромагнитной энергии от индукционной катушки к нагретому металлу на несколько десятков процентов. Однако во время работы сам концентратор сильно нагревается. Поэтому, как правило, U-образный концентратор крепится к прямоугольной медной трубке с теплопроводящей шпаклевкой для эффективного отвода тепла.

В течение срока службы индукционных установок для них постоянно придумываются новые производственные задачи. Эта проблема может быть решена только путем изготовления индукционных катушек различной конструкции. И эту важную работу нужно научиться выполнять на самом производственном предприятии. Это, конечно, относительно простые индукторы, например, для высокочастотных индукционных нагревателей.

Сами нагреватели имеют индикаторы, сигнализирующие о недопустимой индуктивности подключенного индуктора. Это указывает на то, что рабочая частота выходит за допустимые пределы. Поэтому, когда загорается индикатор “частота превышена”, следует увеличить индуктивность индуктора путем увеличения числа витков или диаметра катушки индуктора. Если загорается индикатор “Слишком низкая частота”, увеличьте индуктивность, увеличив число витков или диаметр индуктора.

Когда задача состоит в нагреве большой площади или длины заготовки, используйте метод секционирования индукционной катушки. Это предполагает параллельное соединение 2-3 катушек с небольшим количеством витков. Таким образом, низковольтный высокочастотный индукционный нагреватель может решать проблемы, с которыми справляются высоковольтные среднечастотные индукционные нагреватели.

20.JPG

Однако для каждого типа индукционных нагревателей существуют определенные ограничения на конструкцию индукционной катушки. Автор не ставит перед собой цель охватить в данной статье все конструкции индукционных нагревателей и методы расчета. Это просто невозможно. А в инструкции по эксплуатации, которая прилагается к индукционным нагревателям, информации очень мало.

Полезная литература

Следует отметить, что СССР был “праотцом мира” в индукционном нагреве, фактически наши ученые изобрели его. Однако после 1988 года автор не получал новых книг по индукционному нагреву металлов. Однако с 1940 по 1988 год в СССР были опубликованы десятки книг по интересующей нас теме. Нам удалось накопить библиотеку по всем направлениям технологии термообработки металлов с использованием индукционного нагрева токами высокой частоты.

– Физические основы индукционного нагрева.

– Плавление металлов в индукционных тиглях и канальных печах.

– Плавление и литье сплавов в вакууме.

– Индукционный нагрев металлов для горячей ковки навалом.

– Автоматические индукционные нагреватели для ковки.

– Поверхностная сканирующая закалка сталей токами высокой частоты.

– Индукционная закалка токами высокой частоты валов и зубчатых колес.

Свяжитесь с нами, и мы будем рады помочь. наши клиенты с серьезной методической литературой в любой области применения индукционного нагрева токами высокой частоты.

Индукционная катушка способна нагреть любой металл, эти нагреватели смонтированы на транзисторах и имеют высокий КПД более 95%, они давно заменили трубчатые индукционные нагреватели, КПД которых был менее 60%.

Электрический индукционный нагреватель

Высокочастотный электрический индукционный нагреватель каждый день разрабатывает новые приложения. Нагреватель работает на переменном токе. Наиболее распространенные области применения электрических индукционных нагревателей – доведение металлов до необходимой температуры при следующих операциях: ковка, пайка, сварка, гибка, закалка и т.д. Электрические индукционные нагреватели работают на высоких частотах 30-100 кГц и используются для нагрева различных типов сред и теплоносителей.

Электрический нагреватель используются во многих приложениях:

  • Металлургия (нагреватели ТВЧ, индукционные печи);
  • Приборостроение (пайка элементов);
  • Медицина (производство и обеззараживание инструментов);
  • Ювелирные изделия (производство ювелирных изделий);
  • ЖКХ (индукционные котлы отопления);
  • энергии (индукционные паровые котлы).

Чтобы система работала правильно, остается подключить медный провод к плюсу величины сварки и оценить работоспособность конструкции.

Преимущества самодельного устройства

Радиаторы имеют несколько важных преимуществ. К ним относятся следующие пункты:

  1. На поверхности устройства не образуется накипь, поскольку образование вихревых токов вызывает вибрацию. Это устраняет необходимость в дорогостоящей чистке котла.
  2. Теплогенератор характеризуется максимальной герметичностью, даже если он изготовлен вручную. В котлах отсутствует риск утечек, поскольку теплоноситель нагревается внутри трубы, а тепловая энергия передается с помощью электромагнитного поля. В конструкции системы нет разъемных соединений.
  3. Нагревательный элемент не требует ремонта или обслуживания, так как представляет собой медную трубу. Для сравнения, спираль нагревательного элемента часто перегорает и требует замены.
  4. Во время работы инверторного блока отсутствует чрезмерный шум. Устройство действительно генерирует вибрацию, но она настолько низкая по частоте, что едва заметна.
  5. Система дешева в установке и обслуживании. Таким образом, можно без особых трудностей и затрат сконструировать отопительное устройство в домашних условиях.

Использование индукционного нагрева для металлических полос менее благоприятно, чем для круглых прутков, поскольку расстояние между внутренним диаметром катушки и металлом не является постоянным.

Рабочая диаграмма

Нагреватель состоит из следующих компонентов:

  1. Инвертор, рассчитанный на 220…240 В, с током не менее 10 А.
  2. Трехпроводная кабельная линия (один провод – заземление) с нормально разомкнутым выключателем.
  3. Система водяного охлаждения (фильтры очистки воды крайне желательны).
  4. Набор катушек с различными внутренними диаметрами и длиной (если объем работ ограничен, может быть достаточно одной катушки).
  5. Нагревательный элемент (можно использовать модуль на силовых транзисторах, которые производятся китайскими компаниями Infineon или IGBT).
  6. Схема демпфирования с несколькими конденсаторами Semikron.

ВЧ генератор принят так же, как и базовый инвертор. Важно, чтобы его рабочие характеристики полностью соответствовали приведенным в предыдущих главах.

индукционная плита

После сборки устройство заземляется, а индукционная катушка подключается к силовому блоку преобразователя с помощью соединительных проводов.

Примерные рабочие характеристики самодельного металлического индукционного нагревателя:

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

Следует отметить, что для такого индуктора потребуется специально подготовленное место работы – бак для сточных вод, насос, надежное заземление.

Читайте далее:
Сохранить статью?