При подключении пирометра к индукционному нагревателю можно не только контролировать температуру, но и автоматически поддерживать температуру нагрева в течение заданного времени.
Индукционный нагреватель
Новая серия индукционных нагревателей (6-го поколения) теперь доступна. Весь ассортимент SWP был обновлен:
- – среднечастотные (MF) индукционные нагреватели с рабочей частотой 6-10 кГц;
- – высокочастотные (ВЧ) индукционные нагреватели с рабочей частотой 15-30, 30-60 или 50-120 кГц.
Среднечастотные индукционные нагреватели предназначены для плавки металла и ковки полуфабрикатов диаметром 50 мм и выше. Низкая частота позволяет равномерно нагревать заготовку по всей поверхности.
Высокочастотные индукционные нагреватели позволяют производить индукционную пайку, индукционную закалку (ковку) заготовок и закалку деталей на глубину 3-5 мм (с использованием специального закалочного трансформатора). ВЧ-нагреватели чаще всего используются для сканирующей закалки и позволяют получить слой закалки 1-2 мм. Также высокочастотные индукционные установки могут выполнять пайку или спайку твердых сплавов.
В семейство индукционных нагревателей SWP добавлена новая современная четырехсторонняя плата управления. ВЧ-установки, как известно, чувствительны к условиям эксплуатации и требуют определенного опыта. Новая плата компенсирует ошибки, которые могут быть допущены при работе с устройством. Он отслеживает все рабочие параметры, включая входное напряжение/ток, температуру охлаждающей жидкости и короткое замыкание индуктора, чтобы вовремя отключить устройство и предотвратить перегорание внутренней электроники. Кроме того, используются новые IGBT-модули серии KT.
Все агрегаты оснащены сенсорным экраном. Это новшество расширяет возможности индукционных установок и позволяет осуществлять внешнее управление (4-20мА, 0-10В, 0-5В, RS485), использовать внешние пирометры и термопары. Сенсорный экран также позволяет программировать устройство для различных режимов работы. Новая конструкция корпуса добавляет воздушный выключатель и кнопку аварийного останова. Также добавлено принудительное охлаждение корпуса.
Вихревые индукционные нагреватели
Индукционная катушка способна нагревать любой металл, нагреватели на базе транзисторов имеют высокий КПД более 95% и давно заменили трубчатые индукционные нагреватели, КПД которых составлял менее 60%.
Вихревые индукционные нагреватели для бесконтактного нагрева не теряют резонансного согласования рабочих параметров установки с параметрами выходного колебательного контура. Вихревые нагреватели на транзисторах способны идеально и автоматически анализировать и регулировать выходную частоту.
Принцип работы технологии индукционного нагрева
Принцип работы технологии индукционного нагрева физически довольно прост. Катушка, сформированная из проводника тока, генерирует высокочастотное магнитное поле. Металлический предмет, помещенный внутрь катушки, вызывает вихревые токи. В результате объект становится очень горячим.
Параллельно катушке индуктивности обычно подключается резонансный конденсатор. Это делается для компенсации индуктивности катушки. Резонансный контур, образованный элементами индуктор-конденсатор, возбуждается на собственной резонансной частоте. Значение тока возбуждения намного меньше значения тока, протекающего через индукционную катушку.
Схема простого индукционного нагревателя мощностью 1600 Вт
Приведенную здесь схему следует рассматривать скорее как экспериментальную разработку. Однако, очевидно, что это вполне осуществимая конструкция. Основными преимуществами этой схемы являются
- относительная простота,
- доступность деталей,
- легкость сборки.
Схема индукционного нагревателя (на фото ниже) работает по принципу "двойного полумоста", дополненного четырьмя силовыми транзисторами с изолированным затвором серии IGBT (STGW30NC60W). Транзисторы управляются микросхемой IR2153 (самонастраивающийся драйвер полумоста).
Двойной полумост способен обеспечить ту же мощность, что и полный мост, но тактируемый драйвер затвора полумоста проще в разработке и, следовательно, проще в использовании. Мощный двойной диод, такой как STTH200L06TV1 (2x 120A), действует как антипараллельная диодная схема.
Достаточно диодов с гораздо меньшей мощностью (30A). Если используются транзисторы серии IGBT со встроенными диодами (например, STGW30NC60WD), то от этой опции можно отказаться.
Рабочая частота резонанса регулируется с помощью потенциометра. Наличие резонанса определяется по наибольшей яркости светодиодов.
Конечно, всегда есть возможность построить более сложный драйвер. В целом, наилучшим решением представляется использование автоматической настройки. Обычно это используется в профессиональных схемах индукционных нагревателей, но современная схема при такой модернизации явно теряет фактор простоты.
Основы технологии индукционного нагрева
Технология индукционного нагрева требует пропускания источника переменного тока через индукционную катушку. В результате в индукционной катушке создается переменное магнитное поле, которое оказывает следующее действие:
Когда объект помещается в область этого поля, возникают два эффекта нагрева:
- Гистерезисные потери, которые неизбежно возникают только в магнитных материалах, таких как железо, никель, кобальт и т.д. Причиной потерь является трение между частицами, когда материал постоянно намагничивается в разных направлениях. Более высокая частота колебаний магнитного поля заставляет частицы двигаться быстрее, что вызывает значительное трение и, соответственно, выделение большого количества тепла.
- Потери от вихревых токов, которые возникают как эффект Джоуля в любом проводящем материале из-за воздействия электрических токов, вызванных переменным магнитным полем.
Оба эффекта приводят к нагреву заготовки, но последний обычно является основным источником тепла в процессах индукционного нагрева. Кроме того, гистерезис не наблюдается в немагнитных материалах.
Магнитные материалы теряют свою магнитную специфику при нагревании выше определенной температуры (точка Кюри).
Вихревые токи также зависят от частоты магнитного поля из-за скин-эффекта: при высоких частотах токи протекают близко к поверхности проводника.
Эта специфика используется для контроля глубины проникновения в процессе индукционного нагрева. В результате нагревается весь объект или только определенная его часть (например, поверхность).
Инновации в технологии индукционного нагрева и будущее развитие
Хотя системы индукционного нагрева уже достигли зрелости как технология, развитие современных технологий постоянно сопровождается возможностями для новых направлений исследований.
Ближайшие годы выглядят многообещающими для следующих тем, которые будут иметь большое значение для промышленного сектора.
Повышение эффективности применения
Достижения в технологии производства полупроводников обещают более высокую производительность систем индукционного нагрева. Кроме того, специальные формы и конструкции индукционных катушек также обеспечат лучшую производительность процесса.
В результате можно ожидать улучшения не только производительности, но и надежности систем индукционного нагрева.
Технологические нагреватели, оснащенные несколькими катушками, имеют:
- лучшее распределение тепла,
- более высокая производительность,
- гибкость процесса,
благодаря использованию нескольких катушек, работающих одновременно.
Такие системы представляют собой значительный технологический прорыв и все чаще используются не только в промышленности, но и в бытовом секторе. Однако это решение не лишено трудностей.
Например, необходимо приложить усилия для оптимизации конструкции силового преобразователя с несколькими выходами и усовершенствованными алгоритмами управления. Еще одна проблема, требующая тщательного рассмотрения, – это влияние связи между отдельными катушками.
Совершенствование процесса управления и расширение области применения
Усовершенствованное управление требует внедрения надежных алгоритмов управления для обеспечения правильной работы силового преобразователя для различных нагрузок индукционного нагрева и рабочих точек.
Несколько слов о безопасности
Бытовые индукционные котлы обычно не оснащены системами контроля и защиты, что делает их небезопасными. Поэтому перед включением прибора необходимо убедиться, что полость корпуса заполнена теплоносителем.
Если полимерный корпус нагревателя будет подвергаться постоянному воздействию тепла без купания в теплоносителе, он просто расплавится, что иногда приводит не только к деформации нагревателя, но и к его полному выходу из строя.
Устройства такого типа часто используются для накаливания и плавления металлов. Высокие температуры индукционного нагревателя требуют особого внимания к безопасности
Опасность может возникнуть, если раскаленный металлический присадочный материал выпадет из расплавленного корпуса. В этом случае устройство придется почти полностью разобрать и изготовить для него новый нагревательный элемент.
Подключение к источнику питания должно осуществляться через отдельный кабель от распределительного щита. Само собой разумеется, что все контакты должны быть тщательно изолированы. Сварочный инвертор также должен быть заземлен, что является важным условием безопасности.
Необходим кабель с минимальным сечением четыре миллиметра. Некоторые специалисты рекомендуют использовать кабель с сечением шесть миллиметров. Чтобы предотвратить перегрев домашнего индукционного нагревателя из-за недостатка воды в системе, рекомендуется установить предохранительный клапан на входе в нагреватель.
Индукционный нагреватель занимает относительно мало места, но его необходимо размещать на определенном расстоянии от потолка, стен, мебели и т.д.
Краткое описание и полезное видео по теме
Видео №1. Обзор принципов индукционного нагрева:
Видео №2. Интересный способ сборки индукционного нагревателя:
Для установки индукционного нагревателя не требуется разрешение регулирующих органов, промышленные модели этих аппаратов вполне безопасны и подходят как для частных домов, так и для обычного жилья. Однако владельцам бытовых машин не стоит забывать о мерах предосторожности.
Не стесняйтесь комментировать представленный нами материал. Задавайте вопросы по интересующим или непонятным моментам. Возможно, у вас есть личный опыт строительства или установки индукционного котла? Вы можете рассказать нам об этом и разместить уникальные фотографии в поле для комментариев ниже.