Aquecedor de indução econômico. Como fazer um aquecedor por indução com as próprias mãos a partir de um inversor de soldagem

O aquecimento por indução é um método de aquecimento sem contato com correntes de alta frequência (RFH - aquecimento por radiofrequência, aquecimento por ondas de radiofrequência) de materiais eletricamente condutores.

Descrição do método.

O aquecimento por indução é o aquecimento de materiais correntes elétricas, que são induzidos por um campo magnético alternado. Consequentemente, trata-se do aquecimento de produtos feitos de materiais condutores (condutores) pelo campo magnético de indutores (fontes de campo magnético alternado). O aquecimento por indução é realizado da seguinte forma. Uma peça eletricamente condutora (metal, grafite) é colocada em um chamado indutor, que consiste em uma ou mais voltas de fio (na maioria das vezes cobre). Correntes poderosas de várias frequências (de dezenas de Hz a vários MHz) são induzidas no indutor usando um gerador especial, como resultado do qual um campo eletromagnético aparece ao redor do indutor. O campo eletromagnético induz correntes parasitas na peça de trabalho. As correntes parasitas aquecem a peça de trabalho sob a influência do calor Joule (ver lei de Joule-Lenz).

O sistema indutor-blanco é um transformador sem núcleo no qual o indutor é o enrolamento primário. A peça de trabalho é o enrolamento secundário, em curto-circuito. O fluxo magnético entre os enrolamentos é fechado através do ar.

Em altas frequências, as correntes parasitas são deslocadas pelo campo magnético que elas próprias geram em finas camadas superficiais da peça de trabalho Δ ​​(efeito de superfície), como resultado do qual sua densidade aumenta acentuadamente e a peça de trabalho aquece. As camadas subjacentes de metal são aquecidas devido à condutividade térmica. Não é a corrente que importa, mas a alta densidade de corrente. Na camada superficial Δ, a densidade de corrente diminui e vezes em relação à densidade de corrente na superfície da peça de trabalho, enquanto 86,4% do calor é liberado na camada superficial (da liberação total de calor. A profundidade da camada superficial depende da frequência de radiação: quanto maior a frequência, mais fina é a camada de pele. Também depende da permeabilidade magnética relativa μ do material da peça.

Para ferro, cobalto, níquel e ligas magnéticas em temperaturas abaixo do ponto Curie, μ tem um valor de várias centenas a dezenas de milhares. Para outros materiais (fundidos, metais não ferrosos, eutéticos líquidos de baixo ponto de fusão, grafite, eletrólitos, cerâmicas eletricamente condutivas, etc.) μ é aproximadamente igual à unidade.

Por exemplo, a uma frequência de 2 MHz, a profundidade da película para o cobre é de cerca de 0,25 mm, para o ferro ≈ 0,001 mm.

O indutor fica muito quente durante a operação, pois absorve sua própria radiação. Além disso, absorve a radiação térmica da peça quente. Os indutores são feitos de tubos de cobre resfriados por água. A água é fornecida por sucção - isso garante segurança em caso de queima ou outra despressurização do indutor.

Aplicativo:
Derretimento, soldagem e soldagem ultralimpa sem contato de metal.
Obtenção de protótipos de ligas.
Dobragem e tratamento térmico de peças de máquinas.
Fabricação de joias.
Processamento de peças pequenas que podem ser danificadas por chama de gás ou aquecimento por arco.
Endurecimento superficial.
Endurecimento e tratamento térmico de peças com formas complexas.
Desinfecção de instrumentos médicos.

Vantagens.

Aquecimento ou fusão em alta velocidade de qualquer material eletricamente condutor.

O aquecimento é possível em uma atmosfera protetora de gás, em um ambiente oxidante (ou redutor), em um líquido não condutor ou em vácuo.

Aquecimento através das paredes de uma câmara protetora de vidro, cimento, plástico, madeira - esses materiais absorvem muito fracamente a radiação eletromagnética e permanecem frios durante o funcionamento da instalação. Apenas materiais eletricamente condutores são aquecidos - metal (incluindo fundido), carbono, cerâmica condutora, eletrólitos, metais líquidos, etc.

Devido às forças MHD que surgem, ocorre uma mistura intensiva do metal líquido, até mantê-lo suspenso no ar ou em um gás protetor - é assim que as ligas ultrapuras são obtidas em pequenas quantidades (fusão por levitação, fusão em cadinho eletromagnético) .

Como o aquecimento é realizado através de radiação eletromagnética, não há contaminação da peça com produtos da combustão da tocha no caso de aquecimento por chama de gás, ou com o material do eletrodo no caso de aquecimento por arco. Colocar amostras em uma atmosfera de gás inerte e altas taxas de aquecimento eliminará a incrustação.

Facilidade de uso devido ao pequeno tamanho do indutor.

O indutor pode ter um formato especial - isso permitirá um aquecimento uniforme em toda a superfície da peça configuração complexa, sem causar empenamento ou falta de aquecimento local.

É fácil realizar aquecimento local e seletivo.

Como o aquecimento mais intenso ocorre nas finas camadas superiores da peça e as camadas subjacentes são aquecidas mais suavemente devido à condutividade térmica, o método é ideal para o endurecimento superficial das peças (o núcleo permanece viscoso).

Fácil automação de equipamentos - ciclos de aquecimento e resfriamento, ajuste e manutenção de temperatura, alimentação e remoção de peças.

Unidades de aquecimento por indução:

Para instalações com frequência de operação de até 300 kHz, são utilizados inversores baseados em conjuntos IGBT ou transistores MOSFET. Essas instalações são projetadas para aquecer peças grandes. Para aquecer peças pequenas, são utilizadas altas frequências (até 5 MHz, ondas médias e curtas), instalações de alta frequência são construídas em tubos de vácuo.

Além disso, para aquecer peças pequenas, estão sendo construídas instalações de alta frequência usando transistores MOSFET para frequências de operação de até 1,7 MHz. Controlar transistores e protegê-los em frequências mais altas apresenta certas dificuldades, portanto configurações de frequência mais altas ainda são bastante caras.

O indutor para aquecimento de peças pequenas é pequeno e possui baixa indutância, o que leva à diminuição do fator de qualidade do circuito oscilatório de trabalho em baixas frequências e à diminuição da eficiência, além de representar um perigo para o oscilador mestre (a qualidade O fator do circuito oscilatório é proporcional a L/C, um circuito oscilatório com um fator de qualidade baixo é muito bom “bombeado” com energia, forma um curto-circuito no indutor e desativa o oscilador mestre). Para aumentar o fator de qualidade do circuito oscilatório, são utilizadas duas formas:
- aumento da frequência de operação, o que leva a instalações mais complexas e dispendiosas;
- utilização de insertos ferromagnéticos no indutor; colar o indutor com painéis de material ferromagnético.

Como o indutor opera de forma mais eficiente em altas frequências, o aquecimento por indução recebeu aplicação industrial após o desenvolvimento e início da produção de lâmpadas geradoras de alta potência. Antes da Primeira Guerra Mundial, o aquecimento por indução tinha uso limitado. Geradores de máquinas de alta frequência (obras de V.P. Vologdin) ou instalações de descarga de faíscas foram então usados ​​​​como geradores.

O circuito gerador pode, em princípio, ser qualquer coisa (multivibrador, gerador RC, gerador com excitação independente, vários geradores de relaxamento), operando sobre uma carga em forma de bobina indutora e com potência suficiente. Também é necessário que a frequência de oscilação seja suficientemente alta.

Por exemplo, para “cortar” um fio de aço com diâmetro de 4 mm em poucos segundos, é necessária uma potência oscilatória de pelo menos 2 kW a uma frequência de pelo menos 300 kHz.

O esquema é selecionado de acordo com os seguintes critérios: confiabilidade; estabilidade vibratória; estabilidade da potência liberada na peça; facilidade de fabricação; facilidade de configuração; quantidade mínima peças para reduzir custos; a utilização de peças que juntas resultam em redução de peso e dimensões, etc.

Por muitas décadas, um gerador indutivo de três pontos (gerador Hartley, gerador autotransformador) foi usado como gerador de oscilações de alta frequência. opinião, circuito baseado em um divisor de tensão de loop indutivo). Este é um circuito de alimentação paralelo autoexcitante para o ânodo e um circuito seletivo de frequência feito em um circuito oscilante. Tem sido utilizado com sucesso e continua a ser utilizado em laboratórios, oficinas de joalheria, empresas industriais, bem como na prática amadora. Por exemplo, durante a Segunda Guerra Mundial, o endurecimento superficial dos rolos do tanque T-34 foi realizado nessas instalações.

Desvantagens de três pontos:

Baixa eficiência (menos de 40% ao usar uma lâmpada).

Forte desvio de frequência no momento do aquecimento das peças de materiais magnéticos acima do ponto Curie (≈700C) (mudanças μ), que altera a profundidade da camada da pele e altera imprevisivelmente o modo de tratamento térmico. Ao tratar termicamente peças críticas, isto pode ser inaceitável. Além disso, poderosas instalações de HDTV devem operar em uma faixa estreita de frequências permitidas pela Rossvyazohrankultura, uma vez que, com blindagem deficiente, são na verdade transmissores de rádio e podem interferir na transmissão de televisão e rádio, nos serviços costeiros e de resgate.

Ao trocar as peças de trabalho (por exemplo, de uma menor para uma maior), a indutância do sistema indutor-peça muda, o que também leva a uma mudança na frequência e na profundidade da camada superficial.

Ao trocar indutores monovoltas por multivoltas, maiores ou menores, a frequência também muda.

Sob a liderança de Babat, Lozinsky e outros cientistas, foram desenvolvidos circuitos geradores de dois e três circuitos que apresentam maior eficiência (até 70%) e também mantêm melhor a frequência de operação. O princípio de seu funcionamento é o seguinte. Devido ao uso de circuitos acoplados e ao enfraquecimento da conexão entre eles, uma mudança na indutância do circuito operacional não acarreta uma forte mudança na frequência do circuito de ajuste de frequência. Os transmissores de rádio são projetados usando o mesmo princípio.

Os geradores HDTV modernos são inversores baseados em conjuntos IGBT ou transistores MOSFET de alta potência, geralmente feitos de acordo com um circuito de ponte ou meia ponte. Opera em frequências de até 500 kHz. As portas do transistor são abertas usando um sistema de controle microcontrolador. O sistema de controle, dependendo da tarefa em questão, permite segurar automaticamente

A) frequência constante
b) potência constante liberada na peça
c) máximo alta eficiência.

Por exemplo, quando um material magnético é aquecido acima do ponto Curie, a espessura da camada superficial aumenta acentuadamente, a densidade da corrente cai e a peça de trabalho começa a aquecer ainda mais. As propriedades magnéticas do material também desaparecem e o processo de reversão da magnetização é interrompido - a peça começa a aquecer ainda mais, a resistência da carga diminui abruptamente - isso pode levar ao “espalhamento” do gerador e sua falha. O sistema de controle monitora a transição através do ponto Curie e aumenta automaticamente a frequência quando a carga diminui abruptamente (ou reduz a potência).

Notas.

Se possível, o indutor deve estar localizado o mais próximo possível da peça de trabalho. Isto não só aumenta a densidade do campo eletromagnético próximo à peça de trabalho (proporcional ao quadrado da distância), mas também aumenta o fator de potência Cos(φ).

Aumentar a frequência reduz drasticamente o fator de potência (proporcional ao cubo da frequência).

Ao aquecer materiais magnéticos, calor adicional também é liberado devido à reversão da magnetização; aquecê-los até o ponto Curie é muito mais eficiente.

Ao calcular um indutor, é necessário levar em consideração a indutância dos barramentos que conduzem ao indutor, que pode ser muito maior que a indutância do próprio indutor (se o indutor for feito na forma de uma volta de pequeno diâmetro ou mesmo parte de uma curva - um arco).

Existem dois casos de ressonância em circuitos oscilatórios: ressonância de tensão e ressonância de corrente.
Circuito oscilatório paralelo – ressonância de corrente.
Neste caso, a tensão na bobina e no capacitor é igual à do gerador. Na ressonância, a resistência do circuito entre os pontos de ramificação torna-se máxima e a corrente (I total) através da resistência de carga Rн será mínima (a corrente dentro do circuito I-1l e I-2s é maior que a corrente do gerador).

Idealmente, a impedância do loop é infinita – o circuito não retira corrente da fonte. Quando a frequência do gerador muda em qualquer direção da frequência de ressonância, a impedância do circuito diminui e a corrente da linha (I total) aumenta.

Circuito oscilatório em série – ressonância de tensão.

A principal característica de um circuito ressonante em série é que sua impedância é mínima na ressonância. (ZL + ZC – mínimo). Ao sintonizar a frequência acima ou abaixo da frequência de ressonância, a impedância aumenta.
Conclusão:
Num circuito paralelo em ressonância, a corrente através dos terminais do circuito é 0 e a tensão é máxima.
Em um circuito em série, ao contrário, a tensão tende a zero e a corrente é máxima.

O artigo foi retirado do site http://dic.academic.ru/ e revisado em um texto mais compreensível para o leitor pela Prominductor LLC.

Dispositivos que aquecem usando eletricidade em vez de gás são seguros e convenientes. Esses aquecedores não produzem fuligem e odor desagradável, mas consomem uma grande quantidade de eletricidade. Uma excelente solução é montar um aquecedor por indução com as próprias mãos. Isso economiza dinheiro e contribui para o orçamento familiar. Existem muitos esquemas simples segundo os quais você mesmo pode montar um indutor.

Para facilitar a compreensão dos circuitos e a montagem correta da estrutura, seria útil consultar a história da eletricidade. Métodos de aquecimento estruturas metálicas bobinas de corrente eletromagnética são amplamente utilizadas em produção industrial electrodomésticos- caldeiras, aquecedores e fogões. Acontece que você pode fazer um aquecedor por indução funcional e durável com suas próprias mãos.

Como funcionam os dispositivos

Como funcionam os dispositivos

Famosos britânicos cientista XIX século Faraday passou 9 anos pesquisando para converter ondas magnéticas em eletricidade. Em 1931, finalmente foi feita uma descoberta chamada indução eletromagnética. O enrolamento do fio da bobina, no centro da qual existe um núcleo de metal magnético, cria um campo magnético sob a força da corrente alternada. Sob a influência de fluxos de vórtice, o núcleo aquece.

Uma nuance importante - o aquecimento ocorrerá se corrente alternada, alimentando a bobina, mudará o vetor e o sinal do campo em altas frequências.

A descoberta de Faraday começou a ser utilizada tanto na indústria quanto na manufatura motores caseiros e aquecedores elétricos. A primeira fundição baseada em um indutor de vórtice foi inaugurada em 1928 em Sheffield. Mais tarde, as oficinas das fábricas foram aquecidas segundo o mesmo princípio, e para aquecer água, superfícies metálicas especialistas montaram o indutor com as próprias mãos.

O diagrama do dispositivo daquela época ainda é válido hoje. Um exemplo clássico é uma caldeira de indução, que contém:

• núcleo de metal;
• quadro;
• isolamento térmico.

Menos peso, tamanho e maior eficiência são alcançados devido aos finos tubos de aço que servem de base ao núcleo. Nos azulejos da cozinha, o indutor é uma bobina achatada localizada próxima ao fogão.

As características do circuito para acelerar a frequência atual são as seguintes:

• a frequência industrial de 50 Hz não é adequada para dispositivos caseiros;
• a conexão direta do indutor à rede causará zumbido e baixo aquecimento;
• o aquecimento efetivo é realizado a uma frequência de 10 kHz.

Montagem de acordo com diagramas

Qualquer pessoa familiarizada com as leis da física pode montar um aquecedor indutivo com as próprias mãos. A complexidade do dispositivo irá variar dependendo do nível de preparação e experiência do mestre.

Existem muitos tutoriais em vídeo que você pode seguir para criar dispositivo eficiente. Quase sempre é necessário utilizar os seguintes componentes básicos:

• fio de aço com diâmetro de 6 a 7 mm;
• fio de cobre para o indutor;
• malha metálica (para segurar o fio dentro da caixa);
• adaptadores;
• tubos para corpo (plástico ou aço);
• inversor de alta frequência.

Isso será suficiente para montar uma bobina de indução com as próprias mãos, e é isso que está no cerne do aquecedor de água instantâneo. Depois de preparar os elementos necessários Você pode abordar diretamente o processo de fabricação do dispositivo:

• corte o fio em pedaços de 6 a 7 cm;
• cobrir com malha metálica parte interna canos e encha o fio até o topo;
• feche da mesma forma o orifício do tubo pelo lado de fora;
• enrole o fio de cobre ao redor do corpo de plástico pelo menos 90 vezes para formar uma bobina;
• insira a estrutura no sistema de aquecimento;
• Usando um inversor, conecte a bobina à eletricidade.

É aconselhável primeiro aterrar o inversor e preparar anticongelante ou água.

Usando um algoritmo semelhante, você pode montar facilmente uma caldeira de indução, para a qual você deve:

• cortar espaços em branco de cano de aço 25 por 45 mm com parede não superior a 2 mm;
• solde-os entre si, conectando-os com diâmetros menores;
• soldar tampas de ferro nas extremidades e faça furos para tubos roscados;
• faça a montagem de um fogão de indução soldando dois cantos de um lado;
• inserir fogão no suporte pelos cantos e conecte à fonte de alimentação;
• adicione refrigerante ao sistema e ligue o aquecimento.

Muitos indutores operam com potência não superior a 2 - 2,5 kW. Esses aquecedores são projetados para uma sala de 20 a 25 m². Se o gerador for usado em um serviço automotivo, você pode conectá-lo a uma máquina de solda, mas É importante levar em conta algumas nuances:

• Você precisa de corrente alternada, não de corrente contínua como um inversor. Máquina de solda deverá ser examinado quanto à presença de pontos onde a tensão não tem direção direta.
• O número de voltas para um fio de seção transversal maior é selecionado por cálculo matemático.
• Será necessário o resfriamento dos elementos operacionais.

Criação de dispositivos sofisticados

Fazer uma instalação de aquecimento HDTV com as próprias mãos é mais difícil, mas os rádios amadores podem fazê-lo, pois para montá-la será necessário um circuito multivibrador. O princípio de operação é semelhante - correntes parasitas decorrentes da interação do enchimento metálico no centro da bobina e seu próprio campo altamente magnético aquecem a superfície.

Projeto de instalações HDTV

Como mesmo bobinas pequenas produzem uma corrente de cerca de 100 A, será necessário conectar uma capacitância ressonante a elas para equilibrar a tiragem de indução. Existem 2 tipos de circuitos de trabalho para aquecimento de HDTV a 12 V:

• conectado à rede elétrica.

• elétrica direcionada;
• conectado à rede elétrica.

No primeiro caso, uma instalação de mini HDTV pode ser montada em uma hora. Mesmo na ausência de uma rede de 220 V, você pode usar esse gerador em qualquer lugar, desde que tenha baterias de carro como fonte de energia. É claro que não é poderoso o suficiente para derreter metal, mas pode aquecer até temperaturas altas necessário para pequenos trabalhos, como aquecer facas e chaves de fenda para de cor azul. Para criá-lo você precisa comprar:

• transistores de efeito de campo BUZ11, IRFP460, IRFP240;
• bateria de carro a partir de 70 A/h;
• capacitores de alta tensão.

A corrente da fonte de alimentação de 11 A diminui para 6 A durante o aquecimento devido à resistência do metal, mas permanece a necessidade de fios grossos que possam suportar uma corrente de 11-12 A para evitar superaquecimento.

O segundo circuito para instalação de aquecimento por indução em caixa plástica é mais complexo, baseado no driver IR2153, mas é mais conveniente utilizá-lo para construir uma ressonância de 100k através do regulador. O circuito deve ser controlado através de um adaptador de rede com tensão de 12 V ou mais. A seção de potência pode ser conectada diretamente à rede principal de 220 V por meio de uma ponte de diodos. A frequência de ressonância é de 30 kHz. Serão necessários os seguintes itens:

• Núcleo de ferrite de 10 mm e indutor de 20 voltas;
• tubo de cobre como uma bobina HDTV de 25 voltas em um mandril de 5 a 8 cm;
• capacitores 250 V.

Aquecedores de vórtice

Uma instalação mais potente, capaz de aquecer parafusos até cor amarela, pode ser montado de acordo com um esquema simples. Porém, durante a operação, a geração de calor será bastante grande, por isso é recomendável instalar radiadores em transistores. Você também precisará de um acelerador, que pode ser emprestado da fonte de alimentação de qualquer computador, e dos seguintes materiais auxiliares:

• fio ferromagnético de aço;
• fio de cobre 1,5 mm;
• transistores e diodos de efeito de campo para tensão reversa a partir de 500 V;
• Diodos Zener com potência de 2-3 W, avaliados em 15 V;
• resistores simples.

Dependendo do resultado desejado, o enrolamento do fio sobre uma base de cobre varia de 10 a 30 voltas. Em seguida vem a montagem do circuito e a preparação da bobina base do aquecedor de aproximadamente 7 voltas fio de cobre em 1,5 mm. Ele está conectado ao circuito e depois à eletricidade.

Os artesãos familiarizados com a soldagem e operação de um transformador trifásico podem aumentar ainda mais a eficiência do dispositivo e, ao mesmo tempo, reduzir o peso e o tamanho. Para fazer isso, você precisa soldar as bases de dois tubos, que servirão como núcleo e aquecedor, e soldar dois tubos na carcaça após o enrolamento para fornecer e remover o refrigerante.

Com base nos diagramas, você pode montar rapidamente indutores de diversas potências para aquecimento de água, metais, aquecimento de casa, garagem e oficina mecânica. Também é necessário lembrar as regras de segurança para o serviço eficaz de aquecedores deste tipo, pois vazamento de refrigerante de dispositivo caseiro pode acabar em incêndio.

Existem certas condições para a organização do trabalho:

• a distância entre a caldeira de indução, paredes, aparelhos elétricos deve ser de pelo menos 40 cm, sendo preferível recuar 1 m do chão e do teto;
• por meio de manômetro e dispositivo de liberação de ar, é fornecido um sistema de segurança atrás do tubo de saída;
• É aconselhável utilizar os dispositivos em circuitos fechados com circulação forçada refrigerante;
• Pode ser usado em tubulações plásticas.

A automontagem de geradores de indução será barata, mas também não gratuita, porque você precisa de componentes suficientes boa qualidade. Se uma pessoa não tiver conhecimento e experiência especial em engenharia de rádio e soldagem, você não deve montar você mesmo um aquecedor para uma área grande, porque a potência de aquecimento não excederá 2,5 kW.

No entanto auto-montagem O indutor pode ser considerado como autoeducação e treinamento avançado do proprietário da casa na prática. Você pode começar com pequenos eletrodomésticos circuitos simples, e como o princípio de funcionamento em dispositivos mais complexos é o mesmo, eles apenas adicionam elementos adicionais e conversores de frequência, então dominá-lo passo a passo será fácil e bastante acessível.

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