Представьте такой фокус. Человек берёт в руки железный гвоздь и засовывает его в медную петлю - индуктор. Гвоздь тут же раскаляется добела. Секрет фокуса - индукционный нагрев. Старинная технология, впервые разработанная русским электротехником Вологдиным в 1880 году, и, к сожалению, до сих пор мало распространённая среди домаших мастеров.
По медной петле - индуктору - пропускается электрический ток большой силы (сотни ампер) и большой частоты (десятки - сотни кГц). В результате в металлической заготовке, стоящей внутри индуктора или рядом с ним, наводятся токи Фуко, тоже большой силы и частоты. Высокочастотный ток в заготовке под действием скин-эффекта вытесняется в тонкие поверхностные слои, в результате чего его плотность резко возрастает. Слой заготовки, по которому протекают большие токи, начинает быстро разогреваться. Температура может достичь нескольких тысяч градусов, что позволяет плавить металл в домашних условиях, придумывать и создавать свои собственные необычные сплавы; сваривать и паять металлические детали; закаливать отвёртки, свёрла, ножи и так далее, применять установку в кузнечных и ремонтных мастерских.
Индукционный нагрев позволяет разогревать электропроводящие материалы (любой металл, графит, электропроводную керамику) бесконтактно. Прямо через воздух, через слой воды, через стеклянную, деревянную или пластиковую стенку, в вакуумной камере или в камере с защитным газом. При этом заготовка остаётся идеально чистой, так как не окисляется в газовой струе, не касается грязной поверхности печки и т п.
_________________________________________________________________________
За основу был взят инвертор Сергея Владимировича Кухтецкого, разработанный в Институте химии. Схема инвертора, её подробное описание и рекомендации по сборке опубликованы по адресу: www.icct.ru В схеме применены современные электронные компоненты, что позволяет собрать мощный и надёжный инвертор в домашних условиях за небольшую цену порядка нескольких тысяч рублей (цены на промышленные аналоги достигают десятков и сотен тысяч руб).
На форуме induction.listbb.ru совместными усилиями с форумчанами Derba, Феникс, Jab, Фулюган, Ostap, -CE- проведена доработка схемы, установлена дополнительная плата фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ для автоматического удержания резонанса, установлена скоростная защита от превышения тока (как при превышении питания, так и в результате пробоя силовых мосфетов из-за их перегрева или сбоя модуля управления). Добавлены некоторые детали, уменьшающие вероятность перегрева мосфетов и сбоя модуля управления (приводящие к появлению сквозных токов в силовом мосте).
• Потребляемая мощность инвертора в зависимости от применяемых индукторов: 1...4 кВт.
• Частота тока в индукторе: 300 кГц.
• Сила тока в индукторе: ~400А.
• Максимальный потребляемый от сети ток при двухвитковом индукторе - 20А, потребляемое напряжение - 220V.
Индукционной нагреватель снабжён защитой, отключающей схему при превышении напряжения питания, при коротком замыкании индуктора, при заливании индуктора водой.
Схемы и обсуждение доработок смотрите на форуме: induction.listbb.ru здесь и здесь
Видео - плавление низкоуглеродистой стали (гайки) на воздухе:
Видео - плавление высокоуглеродистой стали (шарик от подшипника из стали ШХ-15):
Видео - плавление низкоуглеродистой стали в защитном газе (аргоне):
Видео - нагрев стального шарика через слой воды. Возможность нагрева железяк через слой воды интересна, вода электромагнитному полю не помеха
Мощное высокочастотное электромагнитное поле выталкивает железные заготовки из индуктора. С одной стороны это создаёт проблемы - сложно греть мелкие заготовки, их выносит из индуктора прочь и приходится их как-то закреплять (так называемый эффект электромагнитного дутья).
С другой стороны, можно плавить металл в подвешенном состоянии - (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле):
Доработка инвертора для индукционного нагрева.
Метод бесконтактного нагрева жидкометаллических образцов токами высокой частоты в вакууме или защитном газе является оптимальным для экспериментов с мелкими образцами электропроводящих материалов.
Промышленные инверторы высокой частоты не обладают нужными для проведения эксперимента характеристиками (высокой мощностью при высокой частоте, необходимой для нагрева мелких образцов), в связи с чем был изготовлен самодельный инвертор. За основу был принят инвертор, разработанный Сергеем Кухтецким в Институте химии и химической технологии РАН, работающий следующим образом.
Индуктор для нагрева образцов, представляющий собой катушку колебательного контура совместно с компенсирующий батареей конденсаторов, накачивается от независимо работающего генератора высокой частоты.
Генератор выполнен по схеме полный мост, его частота автоматически подстраивается под собственную частоту колебательного контура вручную и не может изменяться во время работы. Предлагаемый инвертор не имеет схемы защиты силовых транзисторов от сквозных токов и схемы управления мощностью нагрева (Рис.1).
Рис.1. Блок-схема простого инвертора для индукционного нагрева.
Эксплуатация данного простого инвертора выявило следующие проблемы. В результате нагрева образца, а также в результате движения образца в индукторе происходит изменение индуктивности, входящей в состав колебательного контура, и изменению его собственной частоты. Поскольку частота работы инвертора задается генератором с неизменяемой во время работы частотой, рассогласование частот колебательного контура и генератора приводит к резкому падению мощности нагрева, вибрациям заготовки в индукторе, а также выходу силовых транзисторов на неоптимальный режим работы в емкостном режиме, что приводит к выходу их из строя.
Для решения указанных проблем инвертор был дооборудован схемой фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, схемой скоростной защиты силовых транзисторов от превышения тока и импульсным регулятором мощности с управлением от ПК. Схемы защиты и регулирования мощности выполнены в виде отдельных модулей и могут применяться для иных задач.
Схема ФАПЧ состоит из генератора с изменяемой частотой, датчика тока, датчика напряжения, регулируемой линии задержки, формирователя управляющих импульсов для силового моста. Датчики тока и напряжения измеряют соответствующие величины на колебательном контуре, после чего производится сравнение их фаз. Нулевой сдвиг фаз означает синхронную работу колебательного контура на собственной частоте и задающего генератора. В случае сдвига фаз задающий генератор автоматически корректирует частоту, подстраивая ее под собственную частоту колебательного контура (Рис.2). Электрическая схема доработанного инвертора приведена на Рис.5.
Настройка диапазона слежения ФАПЧ, порядок действий:
Необходимо определить собственную частоту колебательного контура, например, следующим образом.
1) Снять с шин колебательного контура согласующий трансформатор.
2) Подсоединить к шинам, соединяющим индуктор с батареей конденсаторов, осциллограф.
3) Настроить осциллограф в режим ожидания (в режим одиночного измерения Trigger).
4) Кратковременно коснуться шин колебательного контура батарейкой (чем большего напряжения, тем лучше, например «Крона»). На экране появится "дребезг" – собственные колебания контура (аналог - звенящий на собственных частотах стакан, по которому ударили ложкой). При необходимости провести данную процедуру несколько раз о получения устойчивой картины на экране осциллографа.
Период собственных колебаний измеряется по сетке осциллографа, далее по формуле f = 1 / период, вычисляется собственная частота колебательного контура.
Настройка диапазона работы ФАПЧ проводится следующим образом.
1) К выходу микросхемы фапч-генератора CD4046 подсоединяется осциллограф (4 нога).
2) Задать минимальную частоту работы генератора CD4046. Для этого плюс источника питания напряжением 1 вольт (например подсевшая батарейка) подсоединить к ноге 9 микросхемы CD4046, минус источника питания подсоединить к общей шине.
3) Выставить минимальную частоту вращением потенциометра на ноге 12 микросхемы CD4046 на 30-50 кГц ниже собственной частоты колебательного контура (диапазон подбирается опытным путём для надёжного подхватывания ФАПЧ).
4) Задать максимальную частоту работы генератора CD4046. Для этого плюс источника питания напряжением 4.5 вольта (например три батарейки) подсоединить к ноге 9 микросхемы CD4046, минус источника питания подсоединить к общей шине.
5) Вращением потенциометра на ноге 11 микросхемы CD4046 задать частоту на 30-50 кГц выше собственной.
В результате проделанных операций инвертор автоматически стартует с подхватыванием резонанса и удерживает его в процессе работы.
Подбор витков согласующего трансформатора.
1) Наматываем согласующий трансформатор на глазок (например 20 витков).
2) Поключаем инвертор к ЛАТРу. Постепенно повышаем напряжение. Измеряем напряжение на ЛАТРе и потребляемый инвертором ток амперметром.
3) Необходимо добиться максимальной мощности инвертора - при напряжении на ЛАТРе 220 вольт ток должен быть максимальным для транзисторов данного типа.
4) Если потребляемый ток велик, а напряжение на ЛАТРе всё еще маленькое - доматываем несколько витков.
5) Если потребляемый ток мал, а напряжение на ЛАТРе уже велико - сматываем несколько витков.
Рис.2. Блок-схема инвертора для индукционного нагрева с ФАПЧ.
Модуль защиты состоит из выполненного на шунте датчика тока, схемы фиксации превышения тока с настройкой порога срабатывания и схемы отключения питания. Питание подводится к инвертору через шунт. В момент превышения тока на шунте фиксируется превышение падения напряжения, что приводит к перебрасыванию триггера и подаче сигнала запирания на силовой транзистор (Рис.3). Электрическая схема модуля защиты приведена на Рис.6.
Настройка модуля защиты.
Настройка порога срабатывания модуля защиты производится следующим образом. К выходным клеммам подсоединяется спираль из толстой нихромовой проволоки (имитатор нагрузки). Последовательно со спиралью подключаем амперметр. Поворачивая потенциометр настройки порога срабатывания, засекаем на корпусе потенциометра риски, соответствующие току в спирали.
Рис.3. Блок-схема модуля скоростной защиты.
Видео - срабатывание модуля скоростной защиты:
Импульсный регулятор мощности выполнен по схеме понижающего ШИМ-преобразователя типа step-down. Регулирование мощности осуществляется посредством изменения скважности управляющего ШИМ-сигнала. Управляющий сигнал генерируется микроконтроллером STM32F767 (готовая отладочная плата со встроенным USB-программатором). Параметры регулирования мощности задаются с компьютера через интерфейс USB, входящий в состав любого ПК, данное решение позволяет синхронизировать сбор данных и управление экспериментальной установкой (блок-схема изображена на Рис.4).
Рис.4. Блок-схема импульсного регулятора мощности.
Программа микроконтроллера предусматривает как ручное (педаль, ручка энкодера), так и дистанционное управление регулятором мощности (с помощью ПК), осуществление плавного старта и стопа, стабилизации выходной мощности по току или по напряжению, индикации работы прибора. Электрическая схема импульсного регулятора мощности приведена на Рис.7.
Рис.5. Схема инвертора для индукционного нагрева образцов с фазовой автоподстройкой частоты.
Рис.6. Электрическая схема универсального скоростного прерывателя тока для защиты установки индукционного нагрева.
Рис.7. Электрическая схема универсального импульсного регулятора мощности.
